集微咨詢（JW Insights）認為：

- 光罩產(chǎn)品正在升級換代，其制造工藝也在不斷發(fā)生變化。

- 獨立光罩廠在行業(yè)發(fā)展中起到至關重要的作用。

- 光罩國產(chǎn)化進程是個系統(tǒng)工程，需要供應鏈各方面的共同努力。

光刻將芯片設計者的創(chuàng)造變成了真正的芯片，承載這些創(chuàng)造和工藝內(nèi)容的載體就是光罩（Photomask）。作為芯片制造中最關鍵的材料之一，光罩上細微的缺陷都會影響到芯片的性能。集微咨詢（JW Insights）認為，為了配合先進工藝繼續(xù)發(fā)展，光罩產(chǎn)品正在升級換代，其制造工藝也在不斷發(fā)生變化。同時，國內(nèi)半導體行業(yè)發(fā)展所帶來的難得機遇，也促使光罩國產(chǎn)化進程不斷加速。

光罩的特點和發(fā)展趨勢

光罩相當于芯片制造中的“底片”，是設計圖形的轉(zhuǎn)移工具或原版。使用光罩制作芯片的生產(chǎn)流程如下：

1.在基底材料上鍍上一層金屬鉻和感光膠，成為一種感光材料，制作成空白掩膜版。

2.將已設計好的電路圖形通過電子或激光設備曝光于感光膠上，被曝光的區(qū)域會被顯影出來，在金屬鉻上形成電路圖形，再將不需要的金屬層和膠層洗去，即得到光罩成品。

3.再通過光刻機將光罩上的精細電路圖像印制在襯底上（這里的襯底一般指的是硅晶圓，也可以是其他金屬層、介質(zhì)層），繼而得到芯片。通常，芯片上的電路圖樣需要多張光罩才能制成。比如，在14nm工藝制程上，大約需要60張光罩，7nm可能需要80張光罩甚至更多。

光罩主要由基板和遮光膜兩個部分組成。基板分為樹脂基板和玻璃基板，玻璃基板主要包括石英和蘇打基板，遮光膜可以分為硬質(zhì)遮光膜和乳膠兩種。

在芯片制造中經(jīng)常用到的光罩有兩種：二元光罩（Binary Masks）和相偏移光罩（Phase-Shifting Photomask）。

• 二元光罩——光罩中的電路設計采用光吸收膜（例如鉻 (Cr)）制作圖案。當用在晶圓微影設備時，光圖案會穿透過光罩，在硅晶圓上的光阻薄膜反映出成像。
• 相偏移光罩——類似二元光罩，但吸收膜（如二硅化鉬）可以傳輸一小部分光線，同時還可改變光線相位。這增加了光罩的復雜性，但是改善了晶圓微影的制程容許范圍。

工藝的復雜化使得光罩成本不斷提升。據(jù)IBS數(shù)據(jù)顯示，在16／14nm制程中，所用光罩成本在500萬美元左右，到7nm制程時，光罩成本迅速升至1,500萬美元。雖然從10nm到5nm，EUV光刻技術的應用使掩膜使用數(shù)量有所減少，但更復雜的制程工藝使得光罩總成本提升，側(cè)面反應了光罩平均成本在不斷提高。

先進半導體制程節(jié)點已經(jīng)進入到3/5nm節(jié)點，光罩的產(chǎn)品競爭格局也在發(fā)生改變。傳統(tǒng)光罩出現(xiàn)減少的趨勢，而出現(xiàn)較大增長的是EUV光罩。由于光罩自制廠商逐步把EUV光掩膜投入到臺積電等最尖端工藝中，使EUV光掩膜市場出現(xiàn)了增長。根據(jù)SEMI統(tǒng)計， 2019年全球光罩市場規(guī)模已經(jīng)達到41億美元，預計在2021年將超過44億美元。

同時，以7nm為分水嶺，光罩制作技術也在發(fā)生改變。如果說10nm還可以用VSB（可變形電子束寫入設備）的話，到7nm就都必須換成Multi-Beam（多電子束寫入設備）。與VSB使用單個電子槍不同，Multi-beam使用的是電子槍陣列，比如512X512的陣列，寫入電流密度降到了VSB的幾百分之一。 VSB寫入時間隨圖案復雜而增加，而Multi-Beam寫入時間與圖案復雜度無關，寫入時間可以減少10倍。另外，7nm上的EUV光罩也只能用Multi-Beam來制作。

獨立廠商不可缺位

盡管芯片行業(yè)有周期性波動，但是光罩市場一直在持續(xù)增長。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，從2012年到2021年，光罩市場已經(jīng)增長到46.47億美元的規(guī)模，預計2022年將達到48.99億美元規(guī)模。

自2012 年至今，半導體光罩最大市場是中國臺灣，韓國在2017年超過北美成為全球第二大市場。集微咨詢（JW Insights）估算，前三者的市場占比分別為39%、23%和18%。

中國大陸芯片業(yè)的大力發(fā)展也助推其光罩市場規(guī)模穩(wěn)步擴大。2019年大陸半導體光罩市場規(guī)模為1.44億美元，2021年將達到1.95億美元，年均復合增長率達16.32%。

在經(jīng)營模式上，光罩廠可分為晶圓廠自行配套工廠和獨立第三方光罩生產(chǎn)商兩大類。規(guī)模較大的晶圓廠都配有in-house（自有）工廠。如果涉及到核心技術、精度要求比較高的中高端光罩，晶圓廠會選擇自行生產(chǎn)，對技術比較成熟、相對市場化的光罩會選擇外購。對光罩精度和制作水平要求高的晶圓廠，一套光罩均交給一家供應商來做，以確保精度一致。不過由于交期等因素，晶圓廠可能會把相對簡單產(chǎn)品的光罩分拆到不同供應商, 主要視晶圓廠的技術成熟度、采購政策和市場供需情況而定。

通常情況下，晶圓廠往往將45nm以下先進制程的掩膜版自主研發(fā)，45nm以上成熟制程的掩膜版則交給第三方掩膜廠進行研發(fā)。

SEMI在2019年做出統(tǒng)計，全球半導體光罩市場中，65%的市場份額由晶圓廠自有光罩廠占據(jù)，剩余35%的份額則被獨立第三方光罩廠所瓜分，當前的市場比例也基本如此。

全球獨立半導體光罩產(chǎn)能主要集中在日本，日本凸版印刷Toppan和日本DNP公司分別占據(jù)全球32%和27%的市場份額，美國的Photronics公司占據(jù)23%的市場份額。臺灣光罩因為接獲臺積電擴大委外釋單，2021年市占率提升到10%，首度升級為獨立光罩廠第4名。

集微咨詢（JW Insights）認為，獨立光罩廠在行業(yè)發(fā)展中起到非常重要的作用，雖然晶圓廠的光罩制造能力在不斷增強，但若沒有獨立光罩廠的助力，技術的迭代速率會大為降低，行業(yè)發(fā)展會受到嚴重影響。

國產(chǎn)替代的挑戰(zhàn)

國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)鏈起步較晚，因此光罩產(chǎn)業(yè)發(fā)展也相對滯后，多數(shù)廠商還停留在中低端工藝技術上，高端市場主要由外商所主導。

國內(nèi)規(guī)模型光罩企業(yè)主要分為兩類：一是晶圓廠自建工廠，包括中芯國際的光罩廠，華潤微電子的光罩廠（無錫迪思微電子）等；二是獨立光罩企業(yè)，包括中微掩膜、清溢光電和路維光電等。

中芯國際光罩廠是中國大陸技術水平最高的廠商，擁有大陸最大及最先進的光罩制造設施，可以生產(chǎn)0.5μm到14nm工藝的光掩模。配備了先進的設備工具，中芯光罩廠運用光學趨近效應修正技術（OPC），可提供二元鉻版光罩以及相移光罩。5"×5"和6"×6"的光罩均可用于G-line，I-line，深紫外線DUV及ArF步進曝光機和掃描曝光機。

無錫迪思微電子隸屬于華潤微電子代工事業(yè)群，是華潤微電子旗下負責掩模制造的業(yè)務單元。公司掩模業(yè)務擁有業(yè)界領先的激光和電子束等制版設備，可為客戶提供Frame、IP Merge、OPC等專項服務，能生產(chǎn)二元光罩、移相光罩、灰階光罩（Gray Mask）等產(chǎn)品。

中微掩模由中國電子科技集團公司第58所、中國電子科技集團公司和下屬13所、24所、47所和55所共同出資組成，可提供0.35～0.13μm，5英寸、6英寸二元光罩和6英寸相移光罩。

清溢光電和路維光電的強項在于平板顯示用光罩，正在積極布局芯片用光罩產(chǎn)品。清溢光電是科創(chuàng)板上市企業(yè)，芯片光罩已是其第二大收入光源，收入規(guī)模整體呈上升趨勢。公司在芯片光罩方面采用漸進的策略，力爭將量產(chǎn)工藝水平由現(xiàn)在的0.25μm提升至0.13μm。路維光電也實現(xiàn)了 0.25μm制程節(jié)點半導體光罩的量產(chǎn)，并掌握了0.18/0.15μm節(jié)點光罩制造核心技術。

國內(nèi)光罩產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大的挑戰(zhàn)是基板材料嚴重依賴進口。近年來，石英光罩憑借其精密度較高的優(yōu)勢成為行業(yè)主流。全球領先光罩廠主要產(chǎn)品均為石英光罩，導致原材料石英基板需求日益增高。而石英基本生產(chǎn)廠商主要集中在日本和韓國，國內(nèi)只有少數(shù)家企業(yè)有能力生產(chǎn)，芯片用高精度及高世代面板用基材，更是被日韓企業(yè)所壟斷。

同時，光罩生產(chǎn)設備多從日本進口，高端檢測設備則被美國所控制，而全球每年生產(chǎn)的設備數(shù)量有限，不僅存在購買競爭，而且價格十分昂貴。高端設備的缺乏也制約了光罩廠技術升級的速度。

綜合來看，光罩產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化是不可阻擋的趨勢，但要實現(xiàn)目標還需多方努力。集微咨詢（JW Insights）認為，在國內(nèi)晶圓廠加強與光罩廠合作開發(fā)的基礎上，原材料生產(chǎn)、設備制造等供應鏈各環(huán)節(jié)還要苦練內(nèi)功、協(xié)同配合，這樣才能加快光罩國產(chǎn)化的進程。（Andrew）

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