什么是光掩膜版？光掩膜版的应用

目前国产化的推进，半导体公司对于掩膜版的需求也不断增加；同时半导体材料处于整个产业链的上游环节，这也将对半导体产业发展起着重要的作用....

如今，光刻技术是制造芯片所必需的一项关键技术，而光刻技术中的光掩膜版则是非常重要的一环。

开宗明义，定义先行。首先，我们要知道什么是光掩膜版？

想必大家都有所了解，光刻机对芯片制造的重要性，而光掩膜版又称光罩，光掩膜等；

光掩膜版是由制造商通过光刻制版工艺将电路图刻制于基板上制作而成，主要作用体现为利用已设计好的图案，通过透光与非透光方式进行电路图形复制，从而实现芯片的批量生产。

其中，光掩膜版中包含集成电路的图案，随着晶体管变得越来越小，光掩膜的制造变得越来越复杂，以便将图案精确地转移到硅晶片上。

此外，光掩膜版应用也十分广泛，在涉及光刻工艺的领域都需要使用光掩膜版，主要用于集成电路（IC）、平板显示器（FPD）、印刷电路板（PCB）等领域；

图片来自：Google

伴随着半导体产业整体需求持续扩张，全球光掩膜版规模表现也开始逐渐增长：

根据SEMI对全球掩膜版相关行业的市场预测，在2023年至2028年期间，全球掩膜版行业市场规模将以年均复合增速约16%的速度增长；预计到2028年，全球掩膜版行业的市场规模将达到约623亿元。

对此，在半导体领域，光掩膜生产应商可以分为：晶圆厂/IDM厂自行配套的工厂和独立第三方光掩膜厂商两大类，包括英特尔、三星、台积电、中芯国际等均有自制掩膜版业务。

其中，各厂商市场规模占比中，晶圆厂/IDM厂占比稳步提升，2008年占比仅为 39%，2018 年已达到64%，2019年达到 65%，独立第三方掩膜厂商占比35%。

全球来看，掩膜版厂商主要集中在日本和美国，包括日本Toppan（凸版印刷）、日本DNP（大日本印刷）、美国Photronics（福尼克斯）、日本HOYA（豪雅）、韩国 LG-IT（LGInnotek，LG集团子公司）等厂商。

全球光掩膜市场规模预测趋势图

视线回到国内，目前中国掩膜版或因以下问题与国外掩膜版大厂仍有较大差距：

1、技术瓶颈：相较于国际领先水平，中国光掩膜版的制造技术还存在较大差距，无法满足高精度、高可靠性的应用需求。

2、设备更新：相较于国际领先水平相比，中国光掩膜版生产设备的更新换代速度较慢，也制约了其技术水平的提高。

3、知识产权：中国光掩膜版板在知识产权保护方面存在问题，一些技术和产品被盗用或侵权，会直接影响企业的利益和创新积极性。

某种意义上来说，我国半导体产业的不断发展和政府加大对产业支持力度，中国光掩膜版产业也在逐步提高技术水平和市场竞争力。

那么，从技术层面上而言，光掩膜版又是如何组成的呢？

就工艺流程而言，光掩膜版主要由：基版和遮光膜两个部分组成；其中，基版又分为树脂基版和玻璃基版，玻璃基版的主流产品为石英基版和苏打基版。

石英掩膜基版使用石英玻璃作为基基版材料，是因为：光学透过率高，热膨胀率低，相比苏打玻璃更为平整和耐磨，使用寿命长，主要用于高精度掩膜基版。

其上游原材料掩膜基版是制作微细光掩膜图形的感光空白板，而厂商只需根据客户所需要的图形，用光刻机在掩膜基版上光刻出相应的图形，将不需要的金属层和胶层洗去，将微米级和纳米级的精细图案刻制于掩膜基版上，从中得到掩膜版成品。

图片来自：TOPPAN官网

正如上文提到的一样：相较于将AI运用于日常的生活、生产与工作中，英伟达也终于将AI的智能化概念“反作用”于芯片制造的关键步骤。

除此之外，芯片在制程中，光刻的原理类似于拍照，将掩膜版上的设计图形转移到光刻胶上，再经过刻蚀，把图形刻到衬底上，从而实现图形到硅片的转移。

当然，我们知道光刻机所用光源也有过几次大的迭代，到现在谈论最多的就是DUV和EUV。

尤其，EUV极紫外光刻是波长显著变小的一代光源了。

不过，即便是昂贵的EUV，其波长与器件间距之间的差异，也将变得比过去更小。

图片来自：NVIDIA

上图所表达的是：英伟达呈现了上世纪90年代，光掩膜和光刻成像原本的所见即所得，到后续“dog ears”、基于模型的OPC（光学临近效应修正），以及RBAF（基于规则的辅助特征）加上OPC。

其次，图片中的ILT（Inverse Lithography Technology，反演光刻技术）和前面的OPC都属于计算光刻的组成部分。

因为，计算光刻通常包括光学邻近效应修正（OPC）、光源-掩膜协同优化技术（SMO）、多重图形技术（MPT）、反演光刻技术（ILT）等四大技术；

由此可以看出，当芯片的关键尺寸小于光源波长的时候，所需要的掩膜版越来越复杂。因此这几十年来，芯片在制造过程中制作掩膜一直是半导体制造中的关键环节。

尤其是芯片逐渐来到3nm及以下，不仅需要更加精准的光刻计算，反而光刻计算所需的时间也越来越长。

细究我们可以发现，英伟达从3月21日开始就已经改变了游戏规则：

正因为，英伟达在GPU之上构建了cuLitho计算光刻技术软件库，这也是英伟达四年秘密研发的成果。

再者，cuLitho已被EDA工具厂商新思采用，cuLitho已集成到新思科技Proteus全芯片掩膜合成解决方案和Proteus ILT逆光刻技术。

一般情况下，晶圆厂在改变工艺时需要修改OPC，因此也会遇到瓶颈。

特别是，cuLitho不仅可以帮助突破这些瓶颈，还可以提供曲线式光掩膜、High-NA EUV光刻、亚原子光刻胶等新技术节点所需的新型解决方案和创新技术。

图片来自：NVIDIA

正如英伟达所言：使用cuLitho的晶圆厂每天的光掩膜产量可增加3-5倍，而耗电量可以比当前配置降低9倍。

目前，基于GPU的cuLitho计算光刻技术，其性能比当前光刻技术工艺提高了40倍。

对此，原本需要两周时间才能完成的光掩膜现在只需在一夜之间即可完成。

写在文章最后：

或许，随着计算光刻效率的提升，行业对掩膜版处理效率将数十倍的提高，也利好掩膜版企业发展。在光刻过程中，掩膜版是设计图形的载体，其性能的好坏对光刻有着重要影响。

审核编辑：刘清

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