隨著近年來全球芯片供應鏈危機的擴大和國內對芯片需求的擴大，國內興建了多座8寸和12寸晶圓廠，例如青島芯恩，格科微，聞泰科技等等，傳統晶圓代工龍頭也不斷擴產，例如中芯臨港，中芯紹興以及無錫華宏七廠等。

相比晶圓廠這樣的大項目，同為半導體產業鏈中關鍵一環的光罩廠的動向就不那么轟轟烈烈了。

光罩廠(mask shop)顧名思義，就是生產光罩的地方。和晶圓廠(wafer fab)相比，光罩廠的規模和產能都要小很多，但是作為光刻工藝中不可缺少的材料，光罩的成本也占到光刻成本的將近一半，其地位自然是相當重要的！光罩在FPD，集成電路的前后道光刻中都是必須的材料。


01
強勁市場勢頭拉動國產光罩行業增長

根據國際半導體產業協會SEMI數據，在半導體材料成本占比中，硅片占比約為37%，其次就是光罩和半導體氣體，分別占比約13%。由此可見，光罩是半導體芯片制造的關鍵材料。盡管芯片行業有周期性波動，但是光罩市場一直在持續增長。SEMI數據顯示，從2012年到2021年，光罩市場已經增長到46.47億美元的規模，預計2022年將達到48.99億美元。

光罩又稱光掩模版、掩膜版，由石英玻璃作為襯底，在上面鍍上一層金屬鉻和感光膠，成為一種感光材料，把已設計好的電路圖形通過電子激光設備曝光在感光膠上，被曝光的區域會被顯影出來，在金屬鉻上形成電路圖形，成為類似曝光后的底片的光掩模版，然后應用于對集成電路進行投影定位，通過集成電路光刻機對所投影的電路進行光蝕刻。

對晶圓制造廠來說，光罩的設計和制造需要緊密銜接，因此，晶圓制造廠商一般都有自己的專業光罩工廠來生產自身需要的光罩，先進的光罩技術也因此掌握在具有先進晶圓制造能力的晶圓廠手中。晶圓大廠的附屬光罩部門收入占整體光罩市場收入的63%。

光罩行業進入壁壘高，對生產企業的技術、經驗、人才等實力要求高。在全球范圍內，日本在光罩市場中處于領先地位，市場占有率達到75%左右。日本光罩生產商主要有日本凸版印刷株式會社(Toppan)、大日本印刷株式會社(DNP)等，其中，Toppan全球光罩市場份額占比達到30%左右。除日本企業外，美國Photronics也是領先的光罩生產商。

據統計，日本凸版印刷Toppan和DNP公司分別占據全球32%和27%的市場份額，美國的Photronics公司占據23%的市場份額。

因看好半導體中長期需求旺盛，日本半導體材料廠積極進行增產投資，凸版印刷（Toppan）將擴增中國臺灣、日本光罩產能，大日本印刷（DNP）也計劃在中國大陸、中國臺灣、日本等工廠增產光罩。

其中，凸版印刷將透過子公司Toppan Photomask在2023年度之前投資約200億日圓，擴增中國臺灣、日本工廠的光罩產能，并將增設使用于5-10納米邏輯芯片、10納米等級DRAM等先進產品的光罩產線，支援先進產品的光罩產能較2020年度相比提高約2成。

在5G、人工智能、物聯網等產業快速壯大的拉動下，全球半導體市場蓬勃發展，光罩需求旺盛。2020年下半年以來，全球芯片供應緊張，光罩供應緊缺是導致這一現象的因素之一，其供貨周期延長，價格不斷上漲。2021年第二季度，日本Toppan凈利潤達到91億日元，為上年同期的14倍。由此可以看出，全球光罩市場發展勢頭極為強勁。

目前，我國光罩生產企業主要有清溢光電、路維光電、無錫華潤等，其中，清溢光電技術處于國內領先地位。但整體來看，我國光罩行業以中低端產品生產為主，用于高端芯片制造領域的高精度光罩生產實力依然弱。

一直以來，我國光罩市場對外依賴度大，特別是高端光罩需求完全依靠進口。全球半導體產業正在逐步向中國大陸地區轉移，我國市場對光罩的需求量快速增長。


02
本土光罩廠的興起

光罩廠分為自建和獨立兩種。中芯國際和臺積電的光罩廠就屬于自建，而凸版和大日本印刷(DNP)這樣的就是獨立光罩廠。2020年以前，國內有能力生產相對高端前道光掩模的光罩廠除了中芯國際，就只有凸版和廈門的PDMC(美日豐創)這樣的外資或合資企業了。

盡管在封測領域清溢光電已經可以實現大量而穩定的出貨，在FPD領域路維光電的國產G11光罩產線也已經建立，但是在集成電路前道領域高端國產光罩廠則是長期處于缺位的狀態，直到近些年才有所改觀。

但是2020年以后，隨著泉益光電和青島芯恩作為新的獨立和自建光罩廠的代表成長起來，并向各自的客戶出貨之后，國內的新光罩廠也如同雨后春筍開始大量建設投產了。在《上海市先進制造業發展“十四五”規劃》中，也提出了提升強化高端掩模板(光罩)的本土配套能力的要求。中芯國際在經歷了美國多輪禁運制裁后，也艱難實現了先進制程所需的高端光罩的工藝研發并投入量產。除此之外，建廠達人張汝京博士也在嘉興參與光罩基板的研發和制造項目，為這種先進材料的國產化貢獻力量，這便是后話了。

晶圓制造的原材料是硅片，而光罩制造的材料是光罩基板，目前全球范圍內，先進的前道光罩基板供應商僅有日本豪雅和信越以及韓國的S&ST，相比12寸大硅片，光罩基板的技術要求更高，壟斷程度也更高。所以張汝京博士參與的光罩基板項目的意義之重大，便可想而知。

目前，隨著需求的增長，中微光掩模，華潤微旗下的迪斯光掩模以及中芯自建的光罩廠都在積極擴建，升級產能和工藝。此外還有新玩家加入了光罩廠的行列，一些準備自建光罩廠的晶圓廠也在伺機而動。可見，本土市場已經認識到了光罩廠的重要性。


03
光罩的工藝

光罩的制作基本流程大致如下圖所示，對應晶圓制造的工藝，激光直寫(laser writer)相當于曝光工藝，在光罩表面生成電路版圖，高端光罩會應用到電子束直寫(electron beam writer)。隨后通過顯影和蝕刻將圖形轉移并固定到光罩上，并通過量測設備確定圖形的位置精度(registration)和特征尺寸(critical dimension)，之后進行缺陷檢測，前道工藝到這里就完成了。

光罩設備的供應商相比于晶圓廠壟斷程度更高，市場更小更單一。激光直寫的主要供應商為美國應用材料和瑞典邁康尼(Mycronics)，電子束直寫設備則主要是日本的日本電子(JEOL)和NuFlare。位置精度量測的供應商是美國的KLA和德國的蔡司，關鍵尺寸的測量設備則是日本的Holon和Advantest。缺陷檢測設備的來源更多樣，美國的KLA，日本的NuFlare和Lasertec都能提供成熟的解決方案。

光罩制作的后道工藝主要是驗證和修復。驗證工藝是對于缺陷檢測中發現的缺陷，模擬真實光刻的光學照明條件進行空間成像檢測，而修復則是使用化學或物理方法對缺陷進行去除的工藝。通常流程為驗證—修復—再驗證，確保缺陷得到徹底去處。之后會進行清洗，封膜(pellicle mount)，然后出貨到晶圓廠。

后道供應商的壟斷程度較前端更高，例如驗證的設備供應商僅有德國蔡司，修復設備則有日本的精工/日立和V Technology，高端電子束修復僅有德國蔡司。清洗設備由德國SUSS占據主要市場份額。

晶圓制造中的正膠和負膠工藝在光罩制造中也是相互對應的，并且顯影和蝕刻工藝也可以同晶圓制造相對應。曝光工藝中，光罩的制作采用的是maskless無掩模曝光，直接從設計版圖中讀取圖形使用激光或電子束來生成圖形。CD SEM和光學CD測量一類的設備在光罩廠中也有應用，所以前道工藝可以類比晶圓制造，并不難理解。并且，光罩的圖形也是二維的，不需要構建Source和Drain，所以相比晶圓制造的工藝流程，就顯得沒有那么復雜。

光罩制作的后道工藝就很不一樣了。由于光罩的用戶是光刻機，而缺陷檢測得到的缺陷數量非常龐大，但實際上并非每個缺陷都會使光刻產生壞點，因此需要進行驗證。驗證的方法是使用光刻機的真實光照條件來模擬光刻機曝光，通過對空間成像進行分析來判斷是否需要修復。通過驗證工藝的挑選，就能夠只對關鍵缺陷進行修復，大大減少縮短光罩加工以及出貨的周期。隨光罩所對應的光刻工藝的節點不同，從早期的激光修復，到后期的聚焦離子束(FIB)修復，如今最尖端的節點引入了電子束修復工具。

此外，針對某些特殊的軟缺陷，也有使用原子力顯微鏡(AFM)的微機械修復技術。

總之，因為光罩上的圖形會被重復縮印到晶圓上，缺陷的存在會嚴重影響良率，特別是single die上的缺陷更是致命，所以零缺陷的光罩對光刻工藝至關重要。完成修復和驗證后，光罩會被清洗去除殘余顆粒和化學沾污，封膜后出貨到晶圓廠的光刻產線。


04
為何光罩廠要擴建

如同晶圓廠一樣，光罩廠也需要在無塵室中運營，遵守半導體行業的產品控制和質量管理原則。單片光罩的生產周期也遠遠大于晶圓，設備本身也耗資巨大，因此常年以來，光罩生產的設備和材料也好，還是光罩廠本身也好，都是固定的玩家隊伍，鮮有新鮮血液的流入。但隨著近些年的國際環境和行業情況發生了變化，使得大量新光罩廠的興建和舊光罩廠的擴產得以順利推進。

首先，由于近年來美國制裁的影響和一些獨立光罩廠的出貨周期大幅延長甚至受限，使得晶圓廠開始考慮自主可控并且安全的供應鏈。對于原本被第三方外資把持的本土光罩制造行業來說，本土獨立光罩廠的強勢崛起背后有著強大的需求保障。不僅是出貨量的需求，大陸地區的凸版和PDMC的光罩生產能力，不足以滿足本土先進制程的產線，而具有先進制程節點光罩生產能力的新本土光罩廠在產品競爭力上也給出了滿意的答復！

其次，隨著國內的芯片產能增量巨大，芯片設計公司也相繼推出了各種不同類型和型號的芯片，使得所需的光罩種類和數量激增，自主可控的本土光罩廠也成為一種確保交期的可選項，無論是自建還是獨立光罩廠都能在這巨大的市場中分到一杯羹。如下表所示，在2022年，國內芯片設計企業參與的所有芯片種類設計的銷售額都有很大增長，現有市場的光罩產能明顯已經無法滿足需求。同時計算機，通信和消費類芯片所需先進制程比例很高，光罩數量的需求進一步擴大。

所以，由于光罩的需求激增，獨立光罩廠的價格不僅上漲10～25%，甚至連交期也延長到原來的4～7倍，這對于晶圓廠來說自然是難以接受的。基于上述理由，新光罩廠的建立和現有光罩廠的擴產成為了本土半導體產業的當務之急。同時，不僅僅是光罩產能，光罩基板的需求也是關鍵。就像做菜，有了灶頭，也不能沒有下鍋的菜，也就不難理解國產光罩基板項目的重要性了。

當下，無論是晶圓廠還是光罩廠的建設都如火如荼，背后不僅僅是來自美國制裁的影響，更是基于本土市場強烈的需求增長。相比晶圓廠，光罩廠的材料和設備的國產化進度也遠遠落后于晶圓廠。盡管激進地追求全盤國產化并不可取，但是這背后的需求也是本土材料和設備供應商的藍海，前景廣闊。

目前，本土光罩廠所生產的光罩已經覆蓋了28nm以上的成熟制程節點，并積極為擴大先進制程的需求做進一步擴產。但同時我們也應該清醒地認識到，除了設備工藝能力的限制外，本土光罩廠對先進光罩包括成熟光罩在內的認識還是有欠缺的。本土光罩廠應當加強與設備以及材料供應商的合作，加深對工藝的理解，合作開發更適合自身的定制化設備和軟件功能，全方位提升光罩的性能指標和良率。

隨著這些年國內集成電路產業的高速發展，無論是晶圓廠或是光罩廠都出現了巨大的人才缺口，因此整個人才體系的培養和建立也必須建立在循序漸進的基礎上，頻繁的人員流動帶來的傷害是巨大的，這點必須被清醒地認識到。去年10月7日的美國禁令又一次充分使我們認識到，依靠高薪的外部人員引進并不能長久，只有土生土長的人才和技術才能落地生根，枝繁葉茂。

總之，本土光罩廠的大建序幕已經拉開，這也必將補齊本土芯片產業鏈的又一塊版圖。