一文弄懂半导体掩膜版制造工艺及流程

什么是光刻

光刻机本身就跟一个单反差不多，由光源、光路系统和工作台组成：

   

掩模上承载有设计图形，光线透过它，把设计图形透射在光刻胶上。掩模的性能直接决定了光刻工艺的质量。在投影式光刻机中，掩模作为一个光学元件位于会聚透镜（condenserlens）与投影透镜（projectionlens）之间，它并不和晶圆有直接接触。掩模上的图形缩小4~10倍（现代光刻机一般都是缩小4倍）后透射在晶圆表面。为了区别接触式曝光中使用的掩模，投影式曝光中使用的掩模又被称为倍缩式掩模（reticle）。

掩膜版：光刻过程的核心耗材

掩膜版基本介绍：

微电子制造过程中的图形转移母版掩膜版（Photomask）又称光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，是微电子制造过程中的图形转移工具或母版，是图形设计和工艺技术等知识产权信息的载体。在光刻过程中，掩膜版是设计图形的载体。通过光刻，将掩膜版上的设计图形转移到光刻胶上，再经过刻蚀，将图形刻到衬底上，从而实现图形到硅片的转移，功能类似于传统照相机的“底片”，承载了电子电路的核心技术参数。    

以薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）制造为例，利用掩膜版的曝光掩蔽作用，将设计好的薄膜晶体管（TFT）阵列和彩色滤光片图形按照薄膜晶体管的膜层结构顺序，依次曝光转移至玻璃基板，最终形成多个膜层所叠加的显示器件；以晶圆制造为例，其制造过程需要经过多次曝光工艺，利用掩膜版的曝光掩蔽作用，在半导体晶圆表面形成栅极、源漏极、掺杂窗口、电极接触孔等。

相比较而言，半导体掩膜版在最小线宽、CD精度、位置精度等重要参数方面，均显著高于平板显示、PCB等领域掩膜版产品。掩膜版是光刻过程中的重要部件，其性能的好坏对光刻有着重要影响。根据基板材质的不同，掩膜版主要可分为石英掩膜版、苏打掩膜版和其他（包含凸版、菲林等）。

掩膜版结构：掩膜基板+遮光膜

掩膜版通常由基板和遮光膜组成，其中最重要的原材料是掩膜基板。基板衬底在透光性及稳定性等方面性能要求较高，须做到表面平整，无夹砂、气泡等微小缺陷。由于石英玻璃的化学性能稳定、光学透过率高、热膨胀系数低，近年来已成为制备掩膜版的主流原材料，被广泛应用于超大规模集成电路掩膜版制作。    

目前，石英掩膜版和苏打掩膜版是最常见的两种主流产品，均属于玻璃基板。遮光膜分为硬质遮光膜和乳胶遮光膜，其中乳胶遮光膜主要用于PCB、触控等场景；硬质遮光膜材料主要包括铬、硅、硅化钼、氧化铁等，在各类硬质遮光膜中，由于铬材料机械强度高、可形成细微图形，因此铬膜成为硬质遮光膜的主流。掩膜版成本构成以直接材料和制造费用为主，分别占比67%和29%。其中直接材料主要包括掩膜版基板、遮光膜及其他辅助材料等，掩膜版基板占直接材料的比重超过90%。

光刻技术是掩膜版制造的重要环节

掩膜版制造工艺复杂，加工工艺流程主要包括CAM图档处理、光阻涂布、激光光刻、显影、蚀刻、脱膜、清洗、宏观检查、自动光学检查、精度测量、缺陷处理、贴光学膜等环节，其中光刻技术是掩膜版制造的重要环节。光刻需要先对掩膜基板涂胶（通常是正性光刻胶），后通过光刻机对表面进行曝光，通常以130nm为分界，130nm以上的光刻设备采用激光直写设备，但随着掩膜版的线宽线距越来越小，曝光过程中就会出现严重的衍射现象，导致曝光图形边缘分辨率较低，图形失真，因此130nm及以下通常需采用电子束光刻完成。关键参数量测及检测环节对掩膜版的质量及良率至关重要，其中需对掩膜版关键尺寸（CD，CriticalDimension）、套刻精度（Overlay）等关键参数进行测量，同时需使用自动光学检测设备（AOI，AutomaticOpticalInspection）检测掩膜版制造过程产生的缺陷，如产品表面缺陷（Defect）、线条断线（Open）、线条短接（Short）、白凸（Intrusion）、图形缺失等以及通过激光等对掩膜版生产过程中的缺陷及微粒进行修复。

掩膜版是微电子加工技术常用的光刻工艺所使用的图形母版，功能类似于传统照相机的“底片”，是承载图形设计和工艺技术等知识产权信息的载体，广泛应用于半导体、平板显示、电路板、触控屏等领域。    

以TFT-LCD制造为例，利用掩膜版的曝光掩蔽作用，将设计好的TFT阵列和彩色滤光片图形按照薄膜晶体管的膜层结构顺序，依次曝光转移至玻璃基板，最终形成多个膜层所叠加的显示器件；以晶圆制造为例，其制造过程需要经过多次曝光工艺，利用掩膜版的曝光掩蔽作用，在半导体晶圆表面形成栅极、源漏极、掺杂窗口、电极接触孔等。

根据客户的设计要求，用光刻机在原材料上光刻出相应的图形，将不需要的金属层和胶层洗去，得到掩膜版产成品。根据基板材质的不同，产品主要可分为石英掩膜版、苏打掩膜版和其他（包含凸版和菲林）。

   

国产掩膜版分类与应用

掩膜版关键参数    

掩膜版主要由基板、遮光层和保护膜组成，其中基板（主要采用玻璃基材，包括石英和苏打两种材质）占直接原材料成本比重达90%。

1）掩膜版基板是制作微细光掩膜图形的感光空白板。石英掩膜版使用石英玻璃作为基板材料，石英玻璃具有光学透过率高、热膨胀率低、平整度和耐磨度高、使用寿命长的优点，主要用于高精度掩膜版。苏打玻璃作为基板材料，光学性能略逊于石英玻璃，主要用于中低精度掩膜版；    

2）遮光层主要分为硬质遮光层和乳胶遮光层，乳胶遮光层主要应用于PCB和触控等场景，而硬质遮光层则由于其铬版的高机械强度和耐用性，以及能形成细微图形的能力，常常通过在基板上镀铬来形成；

3）保护膜Pellicle是指具有耐光性和高透光率的掩膜版防护膜。

石英玻璃在透光率以及化学性能上优于其余掩膜基材。通常温度和湿度的改变将引起材料一定程度上的形变，从而造成掩膜板上图像的细小位移及线宽的改变。石英玻璃由于其在热膨胀和硬度等物理属性上的优势，使得它对自然环境的影响如温度，湿度，压力有比较大的容忍性。这意味着石英掩膜板能保持化学性质稳定和在特定波长光源照射下的高穿透度。

遮光膜材料主要包括：金属铬、硅、氧化铁、硅化钼等，遮光膜材料的选择主要取决于产品的图形精度、透过率、耐化学品性能等因素。其中，铬是最常用的遮光膜材料，根据不同的层数，可以应用于投影曝光机用光掩膜、LSI用光掩膜、FPD用光掩膜和Stepper用Reticle等领域。但是铬也有一些缺点，如反射率高和膜形成工艺复杂等。硅是一种SeeThrough型的遮光膜材料，适合手动对位操作，但其微加工性能不如铬，因此只用于低端硬质光掩膜。氧化铁和硅化钼是两种特殊的遮光膜材料，前者没有明显的优缺点，后者具有HalfTone特性优异的优点，但耐化学品性能差，主要用于LSI用HalfToneMask。    

硬掩膜保护膜通常由耐腐蚀和硬度较高的材料构成，如Si3N4，SiO2，多晶硅等。

软掩膜保护膜

这类保护膜通常由聚合物材料构成。硝化纤维树脂长期以来在G-线和I-线掩模版的保护中占据重要地位。当光刻技术进阶至DUV波段，硝化纤维树脂由于在这一波段的较高吸收系数，而影响到掩模版的光学性能，因此含氟树脂，如聚四氟乙烯和其他含F的聚合物，由于在DUV波段上的优异透明度，成为了DUV掩模版保护膜的热门候选材料。

硝化纤维树脂硝化纤维树脂是一种由纤维素通过硝化反应得到的树脂。通常为白色的固体，可溶于醇、醚、酮类等有机溶剂中。在掩膜版的保护膜制作中，硝化纤维树脂通常会被溶解在一个特定的溶剂中，然后再旋涂到玻璃上，形成一层均匀、透明的薄膜。最后揭下薄膜，切割为合适尺寸的保护膜即可。

掩膜保护膜落上灰尘影响曝光质量吗？不会。光刻掩膜版上虽然有灰尘，但在投影光刻中，由于聚焦深度相对较小，那些远离曝光平面的灰尘通常不会在曝光图案上产生清晰的影像。也就是说，掩膜保护膜上的颗粒由于离图案生成的晶圆太远，其影响通常是可以忽略不计的。    

掩膜保护膜的使用量芯片制程大量掩膜版，当然也需要大量的掩膜保护膜。每个光刻层至少需要一个掩膜及其保护膜。180nm节点器件大约需要25个掩膜及其保护膜，32nm节点器件大约需要50个掩膜及其保护膜，16nm节点器件大约需要75个掩膜及其保护膜。

EUV掩膜保护膜的制作难点当EUV光照射到保护薄膜上时，薄膜会散发热量，温度可能升至600至1,000摄氏度之间。在高温下，薄膜材料可能会经历物理和化学上的变化，与薄膜紧密相连的其他部分可能也会受到热量的影响而造成损坏。

上游核心原材料方面，掩膜版基板行业集中程度较高，供应商数量较少，但供应相对充足。境外供应商集中在日本、韩国和中国台湾。石英基板供应商均为境外专业的基板供应商如韩国KTG、中国台湾InabataSangyo、韩国SAMSUNGC&T和日本高化学株式会社；苏打基板已经国产化，主要的苏打基板供应商如湖南普照信息材料有限公司；保护膜Pellicle供应商如韩国FINESEMITECH。

平板显示领域基本不存在面板厂自行配套掩模版的情况，因此平板显示掩膜版厂商主要为第三方掩模版厂商。

TFT-LCD掩膜版和AMOLED掩膜版有明确的代数分类，包含G1-G11，通常生产线代数越高，显示面板玻璃基板的尺寸越大。    

半导体芯片掩膜版制造企业可分为晶圆厂自行配套(inhouse)和独立第三方掩膜版生产商两大类。目前晶圆厂自行配套占比52.7%，但独立第三方的市场份额正在逐步扩大。

为了降低成本，晶圆厂更倾向于将28nm以上等较为成熟的制程向独立第三方掩模版制造企业进行采购；28nm以下的先进制程技术难度大且涉及机密，因此先进制程掩模版大部分由晶圆厂自己的专业工厂内部生产，如英特尔、三星、台积电等公司的掩模版均主要由自制掩膜版部门提供。

掩膜版加工工艺包括图形转换、图形光刻、显影、蚀刻、脱膜、清洗、尺寸测量、缺陷检查、缺陷修补、清洗、贴膜、检查、出货等步骤。对应的设备包括光刻机、显影机、蚀刻机、清洗机、测量仪、LCVD修补设备、CD测量机、壁障修补机、面板修补设备、TFT检查设备、贴膜机等。

其中，光刻为加工的核心工艺。平板显示、半导体、触控等行业基本都采用掩膜版作为基准图案进行曝光复制量产，无掩膜光刻技术精度低，主要用于电路板行业。

掩膜版光刻制作技术通常分为激光直写法和电子束直写法。激光直写法具有光刻速度更快、能制作大尺寸掩膜版的优点，但掩膜版精度不如电子束直写法。

1）激光直写法使用波长为193nm、248nm、365nm、413nm等的连续或脉冲激光光源，整形精缩成为200-500nm的激光点在掩膜光刻胶上画出电路图案后，通过显影蚀刻获得电路图案；

2）电子束直写法使用小至纳米级的电子束斑为笔，在掩膜光刻胶上画出电路图案，掩膜版上的电子束胶在曝光显影后，通过湿法或干法蚀刻获得电路图形。130nm及更先进制程的半导体掩模版需要使用电子束。    

   

半导体掩模版的制作设备、制作工艺、图形处理技术和检测技术都与显示面板行业的大尺寸掩模版差别显著。半导体掩模版是光刻过程的“蓝图”，技术难度显著高于平板显示掩模版。

1）半导体器件与集成电路设计相比平板显示更加复杂。半导体掩模版图形为芯片电路图形，相较于平板显示掩模版图形为标准像素点，图形更为复杂、线缝宽度更小、套刻层数更多，同时随着下游半导体产品的快速更新而不断迭代。更多的光刻层数要求掩模版产品具有更高的套刻精度、CD精度一致性、均匀性等。

2）半导体掩模版与显示面板掩模版制造的关键设备存在差异。半导体掩模版尺寸较小，通常为6寸；而平板显示掩模版尺寸较大，可达75、85寸。两者尺寸大小、参数特性、应用领域等差异带来了设备上的较大差异。

随着半导体芯片的制造工艺的精细化工艺发展，这对与之配套的半导体芯片及封装掩膜版提出了更高要求，对线缝精度的要求越来越高，掩膜版厂商采取例如光学邻近校正（OPC）和相移掩膜（PSM）等技术来应对。半导体生产工艺通常采用投影式光刻方法，激光透过掩模版后，经过投影物镜成像到晶圆的光刻胶表面，通过掩模版对光线的遮挡或透过功能，实现掩模图案向晶圆线路图的图形转移。这一过程中，光的干涉与衍射现象会造成CD精度降低。

1）光学邻近效应修正技术（OpticalProximityCorrection，OPC）是一种光刻分辨率增强技术。由于光的衍射现象，激光通过掩模版的透光区和投影物镜后会出现显著的夫琅禾费衍射现象，导致曝光图形边缘的分辨率降低，图案边缘失真严重，CD精度大幅下降。OPC通过修正光刻图形和设计图形之间由于曝光产生的变形和偏差，使得投影到光刻胶上的图形更符合设计要求。    

随着掩模版的线宽和线缝越来越小，当尺寸逐渐接近光刻机的波长时，曝光过程中就会出现严重的衍射现象。光的衍射现象是指光在传播过程中，遇到尺寸与波长大小相近的障碍物时，光会传到障碍物的阴影区并形成明暗变化的光强分布情况。这种情况在投影式光刻中尤为明显，激光通过掩模版的透光区和投影物镜后会出现显著的夫琅禾费衍射现象，导致曝光图形边缘的分辨率降低，图案边缘失真严重，CD精度大幅下降。因此，为了提高光刻环节曝光图形的CD精度，必须要对掩模图案进行光学邻近效应修正（OPC）。由于光的衍射造成的图像失真及OPC效果对比情况如下图所示。    

2）相移掩模版（PhaseShiftMask，PSM）是利用相移（PhaseShift）原理实现光的相位反转，改善图形对比度，增强图形曝光分辨率的一种技术。当半导体的最小线宽小于130nm后，传统的二元掩模版（BinaryMask）会出现光的干涉现象，会造成晶圆感光时遮光区域仍有曝光、透光区域光强不足的情况，导致整体的对比度降低，CD精度大幅下降。需要采用PSM来消除曝光光束中的干涉现象，提升CD精度水平。

随着掩模版图形越来越复杂、线路密度越来越大，掩模版的透光区间距离便越来越短，此时曝光过程中就会出现显著的干涉现象。光的干涉是指两束相干光相遇而引起光的强度重新分布的现象。当掩模版的透光区间位置趋于接近时，从相邻两个透光区射出的光线频率相同、振动方向相近、相位差恒定，形成了相干光。两列或多列相干光在空间相遇时相互叠加，光强在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，出现了稳定的强弱分布现象。上述现象会造成晶圆感光时遮光区域仍有曝光、透光区域光强不足的情况，导致整体的对比度降低，CD精度大幅下降，从而严重影响了晶圆的电路图形质量。当半导体的最小线宽小于130nm后，传统的二元掩模版（BinaryMask）会由于光的干涉现象而无法对晶圆进行有效曝光，需要采用相移掩模版（PhaseShiftMask,PSM）来消除曝光光束中的干涉现象，提升CD精度水平。二元掩模版和PSM掩模版的原理如下图所示：    

掩膜版按光刻工艺划分

根据光刻工艺所用到的不同光源，常见的掩膜版大致分为：二元掩膜版、相移掩膜版、EUV掩膜版。二元掩膜版是指由透光与不透光两种部分组成的光掩模版，是最早出现、也是使用最多的一类掩模版，被广泛用于365nm（I线）至193nm的浸没式光刻。

相移掩膜版是指在相邻的透光缝隙处设置厚度与1/2光波长成正比的相移层的掩膜产品。这种产品的诞生主要由于集成电路设计的高速发展，设计图形的尺寸日益缩小所导致的光学邻近效应越来越明显以及由于曝光波长的短化在改善清晰度的同时会减少焦点深度，进而降低工艺过程的稳定性。因此，为了保证光刻图形的精确性以及保持焦点深度，相移掩模技术被越来越多的采用。相移掩膜技术使透过相移层的曝光光线与其他透射光产生180度的光相位差，使在相邻透光缝隙中间点上的光强互相抵消或减弱，进而控制光的相位及透过率，改善对晶圆曝光时的分辨率及焦点深度，最终提高了复刻特性的光掩模。    

EUV掩膜版是指在EUV光刻期间使用的新颖掩膜版。由于EUV的波长很短，容易被所有材料吸收,因此不能使用像透镜这样的折射元件而是根据布拉格定律通过多层（ML）结构来反射光束。EUV掩膜版常用于7nm、5nm等先进制程，所以EUV掩膜版的工艺问题会非常难以发现并且十分致命。

光掩膜版的性能也会因遮光膜的结构产生差异。对于普通掩膜版，为了满足i线(365nm波长)和g线(436nm波长)光刻要求，它的膜层厚度要达到100nm左右。然而，传统掩膜版存在固有缺点会导致在曝光之后得到的线条出现边缘严不齐整的现象，目前普遍采用的方法是在铬表面沉积一层几十纳米的三氧化二铬，不过这样会增加膜层的厚度且工艺相对复杂。

半色调掩膜版（halftonemask）是将半透明的遮光膜贴在光掩模上使得光在透过物质时传播速度降低，相位随之变化，进而局部改变图案部分的相位，通过半透明的遮光膜发生相位变化的光、与未通过半透明的遮光膜相位未发生变化的光之间的干涉现象提高分辨率。

中国大陆2024年19条8.5/8.6代高精度TFT产线情况    

2024年24条中精度及高精度AMOLED/LTPS/a-Si    

平板显示用掩膜版技术路线    

随着LTPO屏幕技术普及，掩膜版层数也随之增加。为进一步降低AMOLED屏幕的功耗，业内在LTPS背板的基础上开发出了LTPO背板显示技术。传统LTPS背板一般需要9-13层掩膜版，结合IGZO技术后，LTPO背板工艺所需掩膜版增加至13-17层。

掩膜版尺寸与面板尺寸发展简图

半导体掩模版是芯片制造的关键工具，用于半导体制造的光刻环节，对晶圆光刻的质量有重要影响。作为光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜版是连接芯片设计和芯片制造的关键，掩膜版的精度和质量水平会直接影响最终下游制品的良品率。以晶圆制造为例，其制造过程需要经过多次曝光工艺，利用掩膜版的曝光掩蔽作用，在半导体晶圆表面形成栅极、源漏极、掺杂窗口、电极接触孔等。    

半导体掩膜版制造工艺及流程

掩膜版制造工艺复杂，可以分为前道工艺和后道工艺。掩模版产品的工艺流程主要包括CAM图档处理、光阻涂布、激光光刻、显影、蚀刻、脱膜、清洗、宏观检查、自动光学检查、精度测量、缺陷处理、贴光学膜等环节。掩膜版的具体生产流程如下所示：

1、CAM（图档处理）：通过电脑软件处理，将产品图档转化成为光刻机能够正常识别的格式；同时对产品原始图形/图档进行一定程度的设计、排布、特殊补正（如DCM、OPC）等，对产品图形及后续工序起到一定程度的补偿、优化等作用。

2、光阻涂布：在已经沉积了铬膜的基板上，涂布一定厚度和均匀性的光阻，通过烘烤的方式使光阻固化，使得基板能够在特定波长的光束下发生光化学反应，后续通过显影、蚀刻等化学制程得到与设计图形一致的铬膜图形。

3、激光光刻：将设计图形的数据转换成激光直写系统控制数据，由计算机控制高精度激光束扫描，利用一定波长的激光，对涂有光阻的掩膜基板按照设计的图档进行激光直写，从而把设计图形直接转移到掩膜上。    

4、显影：利用化学药液（显影液）与光阻的相互作用，将曝光部分的光阻去除，未曝光部分与显影液不反应而得以保留，从而得到与设计图形一致的光阻图形。

5、蚀刻：经过显影工序后，利用化学药液（蚀刻液）与铬膜的化学反应将未被光阻保护的铬膜去除，有光阻保护的铬膜不与蚀刻液反应而得以保留。

6、脱膜:经过蚀刻工序后，利用化学药液与光阻的化学反应，将掩膜版上残留的部分光阻全部去除，最终得到与设计图形一致的铬膜图形。

7、清洗:利用化学药液与纯水对掩膜版进行清洗，得到表面具有一定清洁度规格的掩膜版产品。

8、宏观检查：利用不同光源、光强的灯源，对掩膜版表面进行宏观（目视）检查，以确定掩膜版表面是否存在缺陷（Defect）、条纹（Mura）、颗粒（Particle）等不良。

9、自动光学检查（AOI检查）：利用一定波长、光强的光源获取被测产品的图形，通过传感器（摄像机）获得检测图形的照明图像并数字化，然后通过相应的逻辑及软件算法进行比较、分析和判断，以检查产品表面缺陷（Defect），如线条断线（Open）、线条短接（Short）、白凸（Intrusion）、图形缺失等。

10、精度测量与校准：利用高精度测量设备，对掩膜版图形的线/间（CD）精度及均匀性、总长（TP）精度、位置（Registration）精度等进行测量，以确认产品精度指标是否在要求规格内；同时利用测量设备的测量结果和相关算法，对掩膜版、设备平台进行校正和补偿，满足产品要求。

11、缺陷处理：针对断线、白凸及图形缺失等缺陷，采用激光诱导化学气相沉积（LCVD），在掩膜基板上沉积形成薄膜进行修复；针对铬残、短路等缺陷，采用一定能量激光进行切除。    

12、贴光学膜：采用聚酯材料制成的光学膜（Pellicle），将其贴附在掩膜版的表面，起到保护掩膜版表面不受灰尘、脏污、颗粒等污染的作用。

掩膜版的再生修复工艺

掩膜版本体缺陷再生

掩膜版的本体缺陷主要来源于掩膜版生产环节或者光刻工艺中不恰当的使用环节。

（1）透光缺陷。主要是指掩膜版表面铬层的缺失。掩膜版生产过程中，基材铬层存在缺陷，或者光刻胶中含有杂质，均可能在成品掩膜版上形成透光缺陷。在晶圆厂使用过程中，特别是采用接触式曝光方式时，一旦晶圆表面存在硬颗粒时，掩膜版表面铬层在硬物作用下容易产生磨损，形成透光缺陷。

（2）不透光缺陷。主要是掩膜版表面铬层的多余。当掩膜版曝光过程中，若基材上存在颗粒，会造成此处光刻胶曝光能量不足，无法被显影液溶解，后续刻蚀工艺环节中此处铬无法被刻蚀掉形成铬残留。

（3）玻璃缺陷。掩膜版玻璃基材中可能存在气泡、颗粒、小坑、裂纹等缺陷，会直接影响掩膜版的透光率。常见玻璃基材有苏打玻璃、硼硅玻璃和石英玻璃，石英玻璃在缺陷控制方面比其他玻璃优越，但价格昂贵。

掩膜版的表面异物缺陷通常是在工艺中引进的：（1）颗粒来源于工艺设备、环境、气体、化学试剂和去离子水，主要是一些聚合物、光刻胶残留等，颗粒吸附于掩膜版表面主要靠范德瓦尔斯吸引力，所以对颗粒的去除方法主要以物理或化学的方法对颗粒进行底切，减少颗粒与表面的接触面积，从而去除颗粒。（2）有机物沾污通常来源于环境中的有机蒸汽、存储容器、光刻胶的残留和生产操作中引入的手印。有机杂质会生成疏水层，使掩膜版表面无法得到彻底的清洗。（3）无机物沾污来源于化学试剂和刻蚀等工艺中，主要是金属离子污染。

掩膜版再生    

激光修复技术

早期掩膜版修复再生主要采用激光修复的方式，但是受到激光束斑尺寸的限制，修复精度仅能达到微米级，而且修复的边缘不整齐。但是激光修复简单，效率高，修复成本低，因此在微米级的掩膜版制造中仍然有着广泛的应用。

聚焦离子束（FIB）技术

亚微米级掩膜版最常用的修复再生方法是聚焦离子束（FIB）。聚焦离子束(FIB)采用离子源发射的离子束，在电场和磁场的作用下，离子束经过加速聚焦后作为入射束，通过偏转系统控制离子束，使得高能量的离子在特定区域表面进行数字光栅扫描，从而实现亚微米甚至纳米量级的微细加工。

FIB技术在掩膜版修复再方面主要有以下应用：

（1）通过高能离子束溅射来去除不需要的遮光材料掩膜版遮光层一般为铬层，厚度为100nm左右，用离子束溅射去除铬层时需要严格控制剥离的深度。当离子束剥离了铬层后继续对玻璃进行溅射时，会造成玻璃损伤，形成新的缺陷，因此需配合“终点检测”技术，控制剥离的深度。另一个问题就是镓离子污染，会降低石英玻璃的透光率。在离子溅射后，采用RIE（反应离子刻蚀）将注入有镓离子的表层玻璃刻蚀去除，使石英玻璃的透光率恢复到90%以上。

（2）结合气体注入系统（GasInjectionSystem，GIS），进行定位诱导化学气相沉积，生长金属材料，修补透光缺陷通过气体注入系统（GIS）将气相反应前驱物喷射到需要修补的透光缺陷区域，同时聚焦离子束对设定的图形区域进行扫描，气相前驱物受到离子束的辐照而发生分解，从而在透光缺陷区域沉积一层金属。

掩膜版清洗再生

掩膜版清洗再生技术可以最大程度的保证掩膜版的洁净程度，降低掩膜版雾状缺陷的生长速率。目前国际上主流的清洗技术分为传统的RCA清洗以及UV+O3这两种清洗方式。    

RCA清洗技术

RCA掩膜清洗技术是在半导体晶圆清洗技术基础上发展的洗净技术。掩膜版清洗选用RCA清洗中的SPM溶液和SC-1清洗液。

SPM溶液：主要成分为H2SO4+H2O2，温度为100～130℃，主要用于去除表面的有机污染物。有机污染物的存在，会在表面形成一层疏水膜，降低后续清洗液的效率，因此清洗第一步需要将有机污染物去除。高温SPM溶液具有很高的氧化能力，能将有机物氧化生成CO2和H2O。经过SPM溶液后，掩膜版表面会残留有硫酸根离子。硫酸根离子的存在，结合空气中的水分子与铵盐易形成硫酸铵结晶，即掩膜版常见的雾状缺陷，这种缺陷在早期的掩膜版中经常发现。

DIW冲洗：热去离子水(DIW)是去除硫酸的有效方法，通过热去离子水将掩膜版表面硫酸冲洗干净。

SC-1溶液+兆声清洗：兆声波结合SC-1溶液可以去除有机和无机颗粒。在稀氨水的碱性条件下，由于光掩膜表面和颗粒表面同时带有负电荷，电势相互排斥，结合兆声波能量更容易将黏附在光掩膜上的颗粒振动而使之脱离光掩膜表面。兆声波结合SC-1溶液的另一个重要的作用是去除残留的硫酸根离子，在兆声能量的作用下，铵根离子与硫酸根离子结合，形成易溶于水的硫酸铵，达到清除硫酸根离子的目的。

DIW+兆声清洗：通过兆声加DIW，去除表面的硫酸铵与残留颗粒。

干燥：干燥方式分为两种，一种为高速旋转甩干，一种利用高温IPA气体干燥。高速旋转配合热N2，在离心力的作用下，掩膜版表面的水被甩出，余下很薄的水膜在热N2的作用下彻底烘干；IPA与H2O能以任意比例混溶，而IPA在掩膜表面并不具有浸润的特性。上升的纯IPA气体碰到掩膜表面的H2O互相混溶而凝结成液体落下，由于IPA与掩膜表面并不浸润，所以不会在掩膜表面留下痕迹，达到干燥掩膜的目的。    

UV+O3清洗技术

紫外光表面清洗技术在国际上是随着光电子信息产业的发展而提出来的，相对于传统的RCA掩膜版清洗技术，最大的优点是无硫化工艺，可以防止在掩膜版上形成硫酸铵雾状缺陷。

氧等离子灰化（O2plasmaash）：由于O3+H2O可以清除有机薄层，但反应速率太慢，不适宜大块光刻胶的剥离。特别是干法刻蚀硬化后的光刻胶，溶解效率更低。首先采用氧等离子灰化技术消除大部分光刻胶，留下一个薄的光刻胶层。

O3+H2O+UV：短波紫外光（172nm）照射到掩膜版表面后，光子的能量可以打开和切断有机物分子中的共价键，使有机物分子活化，分解成离子、游离态原子、受激分子等。臭氧水（10~100pmm臭氧）在短波紫外光的作用下，会不断分解成O2和活性氧（O），活性氧有强烈的氧化作用，与活化了的有机物分子发生氧化反应，生成挥发性气体（如CO2、CO、NO等）逸出物体表面，从而彻底清除了黏附在物体表面上的有机污染物。

DIW：去除残余臭氧水。

SC-1+兆声清洗：原理同传统掩膜版RCA清洗技术，主要用于去除残余颗粒。

DIW+兆声清洗：去除SC-1溶液和残余颗粒。

干燥：原理同传统掩膜版RCA清洗技术，达到干燥掩膜的目的。

半导体晶圆制造材料成本结构    

2022年全球半导体掩膜版市场（左）和独立第三方半导体掩膜版市场（右）竞争格局

2021-2023年中国大陆半导体厂商新建/扩产情况（部分）    

掩膜版的技术迭代

掩膜版产品诞生至今约70多年，是电子制造行业中使用的生产制具。由于掩膜版技术演变较慢，下游运用广泛且不同行业对掩膜版的性能、成本等要求不同，不同代别的产品存续交叠期长，如第二代菲林掩膜版诞生于二十世纪60年代初，至今仍在PCB、FPC、TN/STN等行业使用。    

1）手绘菲林

掩模板发明于20世纪50年代，早期的掩模板是纯手工绘制，将人们用最普通的坐标图纸，盖上一层红色的膜。至于为啥是红色，最主要的原因是红膜遮光性比较强。    

 

做好了一层红膜后，其实这也是过渡方案，在进行芯片生产前，还需要微缩相机把整个掩模板的尺寸进行缩小，有时还需进行多次微缩。

2）计算机辅助

20世纪70年代，工程师们开始在计算机上作图，通过在计算机上实现二维坐标轴的建立，但是因为当时的屏幕不大，鼠标也不像现在这么成熟，当时仍有部分工程师还在使用坐标纸画图。

3）电子设计自动化

20世纪90年代，针对越来越多的晶体管数量，一条一条线去勾勒芯片架构的时代已经过去，取而代之的是EDA软件，EDA软件是指用计算机辅助设计来实现集成电路芯片的功能设计、综合、验证、物理设计（包括布局、布线、版图、设计规则检查等）等流程的设计方式。至此，人们终于不需要再用纸和笔来设计芯片了。现在的芯片设计过程，从芯片的功能设计，到电路结构设计，再到芯片版图的物理实现，全部借助于EDA软件来完成，其中还包括复杂而精确的设计检查、模拟仿真等，可以保证容纳了上百亿只晶体管的芯片设计万无一失。    

掩膜版产品优势主要是其在转移电路图形过程中的精确性和可靠性，第五代掩膜版产品拥有较高的光学透过率、较低的热膨胀系数、良好的平整性和耐磨性以及能够实现较高的精度被广泛运用于各个行业。

未来潜在的风险是无掩膜技术的大规模使用，无掩膜技术因仅能满足精度要求相对较低的行业（如PCB板）中图形转移的需求，且其生产效率低下，而无法满足对图形转移精度要求高以及对生产效率有要求的行业运用，因此不存在被快速迭代的风险。

头部的第三方掩膜版厂具备精密制程的量产能力，如Photronics、DNP的技术节点已达5nm，Toppan的技术节点达14nm；而包括台湾在内的国内厂商主要产能还在65nm以上。    

技术难点

光掩模版的技术难点主要在于光刻环节中，对制程的要求、对位置精度的控制、对曝光的控制、与光刻机设备的匹配等问题。

   

掩膜设备

掩膜设备通常为采用激光为辐射源的直写光刻机，是制约产能瓶颈的重要因素。掩膜设备的主要供应商有瑞典Mycronic、德国Heidelberg等企业，其中瑞典Mycronic处于全球领先地位。目前高端的平板显示用光刻机由瑞典Mycronic生产，全球主要平板显示用掩膜版制造商对其生产的设备都存在较高程度依赖。

国内企业中，芯碁微装、江苏影速、天津芯硕等企业能够实现此类设备的产业化，芯碁微装在激光掩膜版制版领域的技术水平已经能够与德国Heidelberg进行竞争。通常用于判断掩膜设备技术水平的关键指标为：最小线宽、套刻精度、产能效率和CD均匀度等。    

从掩模版制造的核心原材料和设备来看，高精度半导体掩模版核心原材料石英基板仍被日韩企业垄断，设备仍主要依赖进口。

行业竞争

在众多应用领域中，半导体掩膜版技术要求最高且工艺难度大，长期被国外龙头企业所垄断。目前领先的掩膜版厂商有福尼克斯、SKE、HOYA、Toppan、台湾光罩等。其中，LG-IT和SKE的掩膜版产品主要布局在平板显示掩膜版领域，均拥有G11掩膜版生产线；Toppan和台湾光罩的掩膜版产品主要布局在半导体掩膜版领域；福尼克斯、DNP、HOYA的掩膜版产品同时布局在平板显示掩膜版领域和半导体掩膜版领域；清溢光电和路维光电的掩膜版产品种类多样，应用领域广泛，包括平板显示掩膜版、半导体掩膜版、触控掩膜版和电路板掩膜版等，路维光电拥有G11掩膜版生产线。    

   

审核编辑：黄飞