全球28納米及以上成熟制程光掩模版供應(yīng)持續(xù)緊張，價格走高、交期延長。

SEMI數(shù)據(jù)顯示，光掩模市場總體規(guī)模從2020年的44億美元增長到2021年的50億美元。

主要的獨立掩模版制造商-凸版印刷株式會社（Toppan）估計，該細分產(chǎn)品的制造商未來十年需要投入10-20億美元更新生產(chǎn)設(shè)備，這對獨立于代工廠的第三方掩模版制造商而言尤其困難，由于主要銷售的成熟制程掩模版利潤率長期處于低位，這些廠商資本支出能力不足，同時，其上游的設(shè)備供應(yīng)商由于產(chǎn)品線更新乃至企業(yè)破產(chǎn)重組，進一步加劇了設(shè)備更新困難。

Toppan估計，以65納米節(jié)點為例，一條新的光掩模生產(chǎn)線預(yù)計需投資6500萬美元，巨大的折舊成本可能與當(dāng)前掩模版市價倒掛，長期回報率不足以激發(fā)廠商投資。

掩膜版——高精度光刻的關(guān)鍵

掩膜版（Photomask），又稱光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，是微電子制造中光刻工藝所使用的圖形母版， 由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜圖形，并通過曝光將圖形轉(zhuǎn)印到產(chǎn)品基板上。掩膜版是芯片制造過 程中的圖形“底片”，用于轉(zhuǎn)移高精密電路設(shè)計，承載了圖形設(shè)計和工藝技術(shù)等知識產(chǎn)權(quán)信息。掩模版用于芯片 的批量生產(chǎn)，是下游生產(chǎn)流程銜接的關(guān)鍵部分，是芯片精度和質(zhì)量的決定因素之一。

掩膜版的功能類似于傳統(tǒng)照相機的底片。制造商通常根據(jù)客戶所需要的圖形，用光刻機在原材料上光刻出 相應(yīng)的圖形，將不需要的金屬層和膠層洗去，即得到掩膜版。掩膜版的原材料掩膜版基板是制作微細光掩膜圖 形的感光空白板。通過光刻制版工藝，將微米級和納米級的精細圖案刻制于基板上制作成掩膜版。掩膜版的作 用主要體現(xiàn)為利用已設(shè)計好的圖案，通過透光與非透光方式進行圖像（電路圖形）復(fù)制，從而實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

掩膜版質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響光刻的質(zhì)量。在芯片制造過程中需要經(jīng)過十幾甚至幾十次的光刻，每次光刻都 需要一塊光刻掩膜版，每塊光刻掩膜版的質(zhì)量都會影響光刻的質(zhì)量。光刻過程中，通常通過一系列光學(xué)系統(tǒng)， 將掩膜版上的圖形按照 4：1 的比例投影在晶圓上的光刻膠涂層上。由于在制作過程中存在一定的設(shè)備或工藝局 限，光掩膜上的圖形并不可能與設(shè)計圖像完全一致，即在后續(xù)的硅片制造過程中，掩膜板上的制造缺陷和誤差 也會伴隨著光刻工藝被引入到芯片制造中。因此光掩膜的品質(zhì)將直接影響到芯片的良率和穩(wěn)定性。


昂貴的光罩

一般來說，芯片制造主要是這樣一個流程，上游的IC設(shè)計公司依客戶的需求設(shè)計出電路圖，硅晶圓制造公司則以多晶硅為原料制造出硅晶圓。中游的IC制造公司主要的任務(wù)就是把IC設(shè)計公司設(shè)計好的電路圖移植到硅晶圓制造公司制造好的晶圓上。完成后的晶圓再送往下游的IC封測廠實施封裝與測試，就完成了整個制造過程。

光罩產(chǎn)業(yè)位于芯片制造的上游，具體來說，先把IC設(shè)計工程師完成的邏輯設(shè)計圖轉(zhuǎn)化成電路圖，電路完成后，再把電路制作成光罩就大功告成了。之后IC制造的流程較復(fù)雜，但其實IC制造就只做一件事而已：把光罩上的電路圖轉(zhuǎn)移到晶圓上。

光罩代表了實現(xiàn)半導(dǎo)體器件高良率的關(guān)鍵要素，在IC制造過程中，光罩就是用在半導(dǎo)體曝光制程上的母版，這種從光罩母版的圖形轉(zhuǎn)換到晶圓上的過程，就像印鈔機工作一樣。若掩模版缺陷或圖案放置錯誤，這一結(jié)果將在后續(xù)生產(chǎn)晶圓上的許多芯片中復(fù)制。

為了制造一款芯片需要幾百道工序，光罩當(dāng)然也不只一張，在28nm的時候，設(shè)計的時候需要用到40層光罩，而到了14nm以及10nm，光罩的需求量則上升到50層甚至是80層。

時任三星的晶圓制造資深主管Kelvin Low曾指出：“如果沒有EUV，只是靠ArFi浸沒式光刻去實現(xiàn)三倍甚至四倍pattern，那么我們認為在7nm的時候，光罩數(shù)量會上升80+層”。

光罩層數(shù)的增加，也就代表著成本的水漲船高。在一則2017年臺媒的報道中，曾指出聯(lián)發(fā)科2018年將暫緩7nm制程進度的主要原因就是為了降低成本。該報道中明確提到：“業(yè)界傳出，聯(lián)發(fā)科為節(jié)省先進制程高昂的光罩費用，明年新芯片都將以16納米為主要投產(chǎn)制程，借此降低成本，擠出更多潛在獲利，也符合共同執(zhí)行長蔡力行過去習(xí)換降低成本減少研發(fā)支出的作風(fēng)?！?/span>

對于晶圓代工廠來說，光罩的高昂費用同樣成為他們競逐先進制程的巨大阻礙。資料顯示，隨著眾晶圓代工廠的制程辛苦走到7nm節(jié)點，采用多重曝光技術(shù)僅能做單一方向微縮，無法做2個方向的微縮，影響單位面積下所能容納的晶體管數(shù)量，加以所需光罩數(shù)與制程數(shù)大幅增加，以往隨著制程微縮，每芯片成本隨之下降情況已不復(fù)見。此前有報道指出，臺積電5nm全光罩流片費用大概要3億人民幣，而且費用還不包含IP授權(quán)，這其中光罩在其中占了大頭。為此，聯(lián)電止于12nm制程研發(fā)，格芯（GlobalFoundries）也宣告無限期停止7nm及以下先進制程發(fā)展。


拋棄光罩

光罩造價如此高昂，使得無掩膜光刻引起了人們的廣泛關(guān)注。無掩模光刻技術(shù)相比傳統(tǒng)的有掩模光刻技術(shù)，不僅省去了掩模板的制作，降低了生產(chǎn)成本，而且還能根據(jù)需求快速制作數(shù)字掩模圖像，該技術(shù)更加靈活方便。

多電子束光刻技術(shù)（Muti-Electron Beam Lithography）就是其中的一種，該技術(shù)使用聚焦電子束在晶圓表面進行掃描并在光刻膠中形成預(yù)定義電路圖形的技術(shù)，即在保持電子束光刻高分辨率特點基礎(chǔ)上，多電子束光刻技術(shù)通過獨立控制多束聚焦電子束實現(xiàn)并行寫入，從而提高寫入速度和光刻效率。

Multibeam Corporation顯然是該技術(shù)的積極倡導(dǎo)者。Multibeam Corporation總部位于加利福尼亞州圣克拉拉，是領(lǐng)先的Multicolumn電子束光刻技術(shù)（MEBL）開發(fā)商。Multibeam開發(fā)了微型全靜電柱，用于電子束光刻。電子束柱陣列同時并行工作，可以提高晶圓加工速度。

Multibeam Corporation認為，MEBL可以在小批量生產(chǎn)ASIC以及多項目晶圓MPW計劃中大展宏圖。Multibeam董事長兼首席執(zhí)行官David K. Lam博士表示：“隨著IC的激增，PC和手機等傳奇性的‘殺手級應(yīng)用’正被眾多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（數(shù)字和模擬）所取代?！?/span>

IoT芯片通常是小型，簡單的SoC，可以執(zhí)行特定任務(wù)，并且在Internet上無處不在。此類芯片因大多數(shù)政府，商業(yè)，工業(yè)和消費產(chǎn)品中IC含量的急劇增加而得到認可?？傮w而言，物聯(lián)網(wǎng)芯片制造商是大批量生產(chǎn)商。但是它們的單一產(chǎn)品批量相對較小，因為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序多種多樣且物聯(lián)網(wǎng)市場分散。在這個對成本敏感的市場中競爭是一個真正的挑戰(zhàn)。

小批量，采用成熟工藝節(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)芯片制造商得不到光學(xué)光刻設(shè)備領(lǐng)導(dǎo)者的支持。導(dǎo)致自2007年光學(xué)分辨率達到極限以來，DUV（193nm ArF干法或浸沒式）光刻系統(tǒng)的進展一直很少。

因此，Multibeam Corporation認為這一領(lǐng)域是巨大的機會,通過創(chuàng)新的多功能MEBL平臺支持這些服務(wù)水平不高但快速增長的市場。公司宣布的全晶圓全無掩模構(gòu)圖計劃以及已經(jīng)開始的安全芯片ID嵌入將引領(lǐng)這一潮流。

對此，Multibeam項目是這樣進行的：將其創(chuàng)新的MEBL用于在45nm及先進工藝節(jié)點上對整個晶圓進行圖形化，無需使用任何掩模，就可以用于后段金屬連線層生產(chǎn)（ BEOL）處理。

其專有的MEBL技術(shù)的核心是一個小型化的電子束柱（6英寸高；1英寸直徑）。柱的緊湊尺寸得益于創(chuàng)新的全靜電設(shè)計，消除了傳統(tǒng)電子束柱所需的大磁線圈。

Multibeam在緊湊的模塊中以陣列的形式排列其微型柱。陣列中的每一個小列產(chǎn)生一束電子束，控制其形狀和軌跡，并將其聚焦到晶圓上以寫入電路圖案。陣列中的所有列都獨立并行寫入，以在生產(chǎn)環(huán)境中實現(xiàn)前所未有的電子束寫入速度。

MEBL的快速，可擴展的寫作是由一個專有的數(shù)據(jù)準備系統(tǒng)。由于MEBL是無掩模的，DPS將行業(yè)標準GDSII或Oasis格式的數(shù)據(jù)庫（其中存儲了每層和所有層的IC布局數(shù)據(jù)）連接到所有MEBL列控制器。每一個MEBL列控制器分別指導(dǎo)其電子束在晶圓上書寫圖案，所有這些都是同時進行的。

每個模塊包括多列陣列、精密晶圓臺和高精度反饋控制，這些高精度反饋控制與高精度光刻所需的其他傳感器和子系統(tǒng)無縫集成。小型MEBL設(shè)備模組占地面積（約2英尺×2.5英尺）約為等離子蝕刻設(shè)備模組的大小，使其與商用晶圓處理大型機臺兼容，并簡化了多個模組的集成。

在多模組(chamber) MEBL系統(tǒng)中，每個模組都可以針對特定的過程或應(yīng)用進行優(yōu)化?；蛘?，所有模組都可以運行相同的進程以獲得更高的吞吐量。模塊化的可擴展性使其具有非凡的靈活性，以滿足IC生產(chǎn)工廠的吞吐量和其他要求。

Multibeam還在研究如何將MEBL用于阻止IC偽造。據(jù)悉，MEBL的使用可以在常規(guī)制造過程中將獨特的ID嵌入每個IC內(nèi)部。在“芯片級”上對ID進行硬編碼，使其幾乎可以防篡改；無需昂貴的驅(qū)動電路，額外的掩膜步驟和/或特殊包裝；并且可以鏈接到安全的數(shù)據(jù)庫，以存儲單個芯片數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)銷監(jiān)管鏈記錄，這對于驗證芯片的來源至關(guān)重要。

Multibeam執(zhí)著于創(chuàng)新技術(shù)的精神與其創(chuàng)始人Lam博士脫不開關(guān)系。

Lam博士畢業(yè)于MIT，之后在Texas Instruments和Hewlett-Packard 從事等離子刻蝕研究和工程。盡管等離子蝕刻在1970年代被廣泛用于研發(fā)，但尚未在生產(chǎn)環(huán)境中證明其實用性。林發(fā)現(xiàn)蝕刻工藝制程波動變異的原因部分是技術(shù)原因，部分是人為原因。于是設(shè)想了一種新型的量產(chǎn)級等離子刻蝕機，不但可以節(jié)約人力，提高準確性，還能減少環(huán)境污染。于是，他在1980年創(chuàng)立了Lam Research Corporation，并在大約一年后展示了全自動蝕刻機。

幾年后，Lam博士創(chuàng)立Multibeam Corporation并擔(dān)任董事長，繼續(xù)發(fā)揮其大膽的創(chuàng)新精神，憑借36項專利申請，Multibeam為四大應(yīng)用開發(fā)多列電子束系統(tǒng)和平臺：互補電子束光刻（CEBL）、直接電子寫入（DEW）、直接沉積/蝕刻（DDE）和電子束檢測（EBI）。

同行者們

Multibeam Corporation并不是第一家想到無掩膜生產(chǎn)芯片的廠商。在2007年，荷蘭積體電路微影設(shè)備制造業(yè)者MAPPER就展示過無掩膜大量平行電子束微影技術(shù)。

以創(chuàng)新科技為集成電路產(chǎn)業(yè)開發(fā)下一世代具成本效益的微影設(shè)備，其運用大量平行的電子數(shù)，使高解析度的電子束達到超高的晶圓生產(chǎn)量，同時不需使用光罩，可望大幅降低未來世代集成電路制造成本。

臺積電于 2008年10月宣布和MAPPER合作，以MAPPER第一臺12吋無掩膜電子束微影設(shè)備，提供臺積電進一步研究22奈米及更先進制程。

近來，日本也在進行相關(guān)的計劃。據(jù)報道，日本橫河電機將日本最早的AIST 最小晶圓廠（Mini Fab）項目投入生產(chǎn)。它使用0.5英寸的晶圓，并且不需要潔凈室即可操作。

這個由經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省主導(dǎo)，由140間日本企業(yè)、團體聯(lián)合開發(fā)的新世代制造系統(tǒng)，目標是透過成本與技術(shù)門檻的大幅降低，讓汽車與家電廠商能自己生產(chǎn)所需的半導(dǎo)體及感應(yīng)器。形同推翻臺積電董事長張忠謀 30 年前所創(chuàng)的晶圓代工模式，重回早年飛利浦、Sony 等大廠都自己生產(chǎn)半導(dǎo)體的垂直整合時代。售賣這種生產(chǎn)系統(tǒng)的，是日本橫河電機集團旗下的橫河解決方案。每臺外型流線、美觀的制造設(shè)備，大小約與飲料自動販賣機差不多，但各自具備清洗、加熱、曝光等功能。每一臺設(shè)備，都相當(dāng)于一條半導(dǎo)體制造的生產(chǎn)線。一條「迷你晶圓廠」產(chǎn)線，所需的最小面積是大約是兩個網(wǎng)球場的大小。也僅是一座 12 吋晶圓廠的百分之一面積?！该阅憔A廠」能夠做到如此廉價、體積小，首先是挑戰(zhàn)業(yè)界常識的創(chuàng)新做法──不需要無塵室。另一個特點，就是不需要用到光罩，這又可大幅降低成本。


寫在最后

綜合來看，每種光刻技術(shù)都有各自的特點和優(yōu)劣，掩膜光刻技術(shù)的優(yōu)勢在于其在轉(zhuǎn)移電路圖形過程中的精確性和可靠性，但隨著成本的日益高漲，無掩膜技術(shù)的大規(guī)模使用成為其未來潛在的替代風(fēng)險。

但現(xiàn)階段無掩膜技術(shù)尚存在諸多待解決的問題，僅能滿足精度要求相對較低的行業(yè)中的光刻需求，且效率較低，無法滿足對圖形轉(zhuǎn)移精度要求高以及對生產(chǎn)效率有要求的行業(yè)運用。因此，掩膜光刻短期內(nèi)或不存在被快速迭代的風(fēng)險。

然而，世界上或許沒有一種完美的技術(shù)方案，無不是在成本、效率、性能等多方因素中反復(fù)權(quán)衡，力求在行業(yè)的動態(tài)變幻中尋到一個最優(yōu)解。

過去很長一段時間以來，掩模光刻技術(shù)是光刻工藝路線中的最佳選擇；未來，無掩膜光刻技術(shù)或?qū){借成本優(yōu)勢及行業(yè)布局逐漸受到行業(yè)關(guān)注。

一切皆有可能，但一切可能皆不易。