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益视角 | 光罩缺货问题越来越严重，成熟节点首当其冲

2022年08月12日

来源：半导体行业观察

成熟节点对芯片的需求激增，加上这些几何形状的光掩模（也称光罩）制造设备老化，正在引起整个供应链的重大担忧。

这些问题直到最近才开始浮出水面，但对于对芯片生产至关重要的光掩模来说，它们尤其令人担忧。28nm及以上光掩模的制造能力尤其紧张，推高了价格并延长了交货时间。

目前尚不清楚这种情况会持续多久。光掩模制造商正在扩大产能以满足需求，但这并不是那么简单。成熟节点的掩模制造涉及较旧的设备，其中大部分已过时。Toppan表示，为了取代过时的光掩模工具，该行业可能需要在未来十年内投资 10 亿至 20 亿美元购买新设备。一些设备供应商正在为成熟节点构建新的掩膜工具，但价格更高。

掩模用作芯片设计的主模板（templates）。在流程中，IC 供应商设计了一个芯片，然后将其转换为文件格式。然后，在光掩模设备中，基于该格式制造掩模。然后将掩模运送到晶圆厂并放置在光刻机中。光刻机通过掩模投射光，掩模将图像图案化在芯片上。

有两种类型的光掩模制造商——captive 和merchant。英特尔、三星、台积电等芯片制造商都是captive掩模制造商，生产 16/14nm 及以下的前沿掩模。有些captive（如台积电在成熟节点制造掩膜。具有captive掩模制造业务的设备制造商生产光掩模以满足内部要求。为外部客户制造光掩模的商业掩模制造商在某些情况下在成熟节点和先进节点生产掩模。

对光掩模的需求反映了半导体行业的状况。一段时间以来，业界对芯片的需求空前高涨。这反过来又推动了对所有掩膜类型的需求，尤其是成熟节点的需求。

“在 28nm 及以上，并且将继续下去，”商业掩模供应商 Toppan 的营销、规划和运营支持副总裁 Bud Caverly 说。“不是每个应用都负担得起也不需要采用 3nm 技术。将其与当今当前的需求情况相叠加，我们的晶圆厂和光掩模业务在许多地点和节点都已售罄。我们已经看到了短缺。我们需要更多的晶圆厂，而这些晶圆厂将需要更多的光掩模。”

为了满足需求，几家专属掩膜制造商正在扩大其制造能力。但是，虽然captive有能力投资新产能和先进设备，但merchant掩膜制造商正面临资本和工具投资挑战。

“增加的专业设备需求正在推动对更大节点光掩模的需求。这些成熟的掩模节点约占光掩模总需求的 88%（预计 2022 年将超过 450,000 个单位）。这一单位数量正在推动全球掩膜业务的高产能，特别是在商业掩膜行业，”Bruker销售和营销经理 Michael Archuletta 说。“许多商业掩膜供应商都在使用一系列老化的制造系统，在某些情况下，他们过时的工具变得无法修复。该设备需要更换。不幸的是，历史表明，成熟的技术节点掩膜销售价格很低，导致利润率很低。这意味着可用于新设备的资本投资资金有限。”

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图 1：光掩模。资料来源：维基百科

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图 2：光掩模（顶部）和使用该掩模创建的集成电路（底部）的示意图 
来源：维基百科

市场动态


SEMI 分析师 Inna Skortsova 表示，总体而言，光掩模行业从 2020 年的 44 亿美元增长到 2021 年的 50 亿美元。根据 SEMI 的材料市场数据订阅服务，到 2022 年，光掩模市场预计将达到 52 亿美元。

Photronics 和 Toppan 是最大的商业掩膜制造商。其他商家包括 Compugraphics、Hoya 和 Taiwan Mask。

对于成熟的和一些先进的节点，业界使用基于光学的光掩模。基于光学的光掩模尺寸为 6 x 6 英寸和 1/4 英寸厚，由玻璃基板上的不透明铬层组成。对于更复杂的光学掩模，使用硅化钼 (MoSi) 代替铬。玻璃基板上的材料称为吸收层。
这些掩模类型用于光学光刻系统。在这些系统中，产生光，然后通过一组投影光学器件引导。然后光通过掩模投射到涂有光刻胶的硅片上，在芯片上形成微小的图案。

光掩模在这里起着关键作用。“光掩模，也称为分划板或只是掩模，包含您想要在晶圆上打印的内容，”Fractilia 的首席技术官 Chris Mack 在视频演示中解释道。“它有我们想要阻挡光线的不透明区域，并且在我们想要光线通过的地方是透明的。不透明区域通常由铬或 MoSi 制成。”

每个掩膜包含一个或多个裸片的图案，具体取决于芯片的尺寸。在许多情况下，一个芯片设计有几个复杂的特征。打印晶圆上的所有特征需要不止一个掩模。

“我们有很多光刻步骤来构建晶体管、金属化和接触孔的所有图案。它们被用来组成这些复杂的集成电路，”Mack 说。“我们需要大量的光掩模——每个光刻层至少一个。180nm 节点器件需要大约 25 个掩模。32nm 节点器件需要大约 50 个掩模。而 16nm 节点器件需要大约 75 个掩模来制造集成电路。”

如果一个芯片需要 75 个单独的掩膜，它们一起构成一个“掩膜组”。在蒙版集中，一些蒙版具有更高级的功能，称为关键层。集合中的其他蒙版由非关键层组成。

有几种类型的光学掩模，例如二进制和相移掩模 (PSM)。在二元掩模中，铬在选定的位置被蚀刻，从而暴露出玻璃基板。铬材料未在其他地方蚀刻。在操作中，光照射到掩模上并穿过带有玻璃的区域，从而暴露出晶片。光不会穿过带有镀铬的区域。

今天也使用 PSM。“PSM 有很多种，但它们通过使用相位来消除你不想要的光，从而产生更高对比度的图像，”Mack 说。

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图 3：各种类型掩模的示意图：(a) 传统（二元）掩模；(b) 交替相移掩模；(c) 衰减的相移掩模。资料来源：维基百科

使用各种掩模类型和其他技术，现在的 193nm 光刻扫描仪能够对低至 7nm 的芯片进行图案化。但是基于 193nm 的光学光刻在 5nm 变得过于复杂。

因此，在 7nm 及以上，芯片制造商使用极紫外(EUV) 光刻技术。使用 13.5nm 波长，EUV 扫描仪可以解析 13nm 特征。

EUV 需要不同的光掩模技术。与透射的光学掩模不同，EUV 掩模是反射的。EUV 掩模由基板上的薄硅和钼交替层组成。在多层堆叠上，掩模由钌覆盖层和钽吸收材料组成。

今天的 EUV 掩模基于二进制格式。该行业正在开发适用于 3nm 及以上的 EUV PSM。

成熟的掩模和工具的不足


要制造 EUV 掩模，该行业需要多种新型先进设备。多年来，该行业已投入数十亿美元的资金来开发基于 EUV 的掩模设备以及扫描仪、光刻胶和其他技术。

然而，多年来，成熟节点的旧掩模设备通常被忽视。这种情况在 2016 年左右开始发生变化，当时对模拟、射频和其他芯片类型的需求不断增长，导致 200 毫米和 300 毫米晶圆厂的成熟节点出现短缺。

300mm 晶圆厂用于制造前沿节点（16nm/14nm 及以下）和后沿节点（130nm/110nm 至 28nm/22nm）的芯片。200 毫米晶圆厂采用成熟的工艺技术制造器件，从 6 微米到 110 纳米节点。（节点是指特定的过程及其设计规则。）

尽管如此，成熟节点的芯片需求在 2017 年和 2018 年激增，导致成熟工艺代工产能严重短缺。这对掩膜制造商来说是一个令人担忧的迹象。事实上，在 2018 年的一次演讲中，Toppan技术执行副总裁Franklin Kalk警告说，掩膜行业对成熟节点的需求猛增毫无准备。

当时，光掩模制造商主要将较旧的掩模工具用于成熟节点，其中一些已经过时。在其他情况下，一些设备供应商停止支持旧的掩模工具或倒闭。在这种情况下，掩模供应商支持该工具。备件很难找到。

Kalk 表示，该行业需要新的掩模工具用于所有设备类别的成熟节点，包括蚀刻机、检测系统、掩模写入器和修复产品。那时，一些厂商开始为成熟节点开发新的掩模工具，但差距仍然存在。

同时，成熟节点对芯片的需求持续飙升。从 2018 年到今天，全球成熟节点的代工产能一直很紧张。

“在过去的几年里，无论是在传统 CMOS、双极 CMOS DMOS (BCD) 还是 RF-SOI 上，对在 200mm 和成熟 CMOS 技术节点≥28nm 上制造的各种芯片的需求激增。” Lam Research战略营销董事总经理 David Haynes 说。“这些设备包括微控制器、电源管理 IC、显示驱动器 IC 和射频。”

如今，芯片需求全面强劲。例如，28nm 平面产品仍然是按节点计算的最大市场之一。联华电子在最近一个季度的 28nm 技术收入增长了 75%。“75% 的收入同比增长反映了与 5G、物联网和汽车相关的强劲芯片需求，”联电联席总裁 Jason Wang 表示。

其他节点也有需求。“如果你看看每个节点在哪里建造晶圆厂，它不仅仅是 3nm。几乎每个节点都在以某种形式增加产能，”Toppan 的 Caverly 说。“28nm 是一个高需求节点。在 40nm 到 65nm，您会看到先进的射频、混合信号和某些逻辑的最佳点。您还看到了 110nm 至 130nm 范围内的活动，这是通用、混合信号和模拟类型的产品。”

所有这些活动都刺激了对更多光掩模数量的需求。“如果你看一下半导体市场的预测增长，它就会推动光掩模市场对大笔投资的需求，”Caverly 说。“我们还有一个辅助设备问题。大量光掩模设备将需要某种形式的升级，或者由于工具或组件过时而需要更换。这将进一步加剧部分投资需求。”

但即使掩膜设备供应商在所有产品类别中都推出了新工具，该行业仍面临其他挑战。例如，据 Toppan 称，仅 65nm 节点的新光掩模生产线预计将耗资 6500 万美元。

这包括工具和维护的成本。“在65nm，仅折旧和维护成本就达到了每个掩模 3,500 美元。如果我加上材料、人工和其他成本，那么每个掩膜的总成本将超过 6,000 美元，”Caverly 说。“如果我在这个数字上加上正常的毛利率，这个结果实际上比今天的 65nm ASP 高得多。价格已经大幅下跌，以至于你再也负担不起这笔投资了。”

此外，新的光掩模生产线需要掩模设备。“半导体的增长将需要购买新的光掩模工具，这必须显示出足够的回报来保证投资，”Caverly 说。

掩膜工艺流程


那么成熟节点的掩膜工具差距在哪里？要了解这个，我们必须查看掩模制造过程。

先进和成熟的掩膜都遵循相同的基本制造流程。该过程始于掩模空白供应商，该供应商创建掩模空白。根据 Hoya 的说法，光学掩模空白由 6 x 6 英寸的玻璃基板组成，该基板涂有金属膜和光敏剂。

然后将完成的坯料运送到制造掩模的光掩模制造商。在这里，对坯料进行图案化、蚀刻、修复和检查，形成掩模。最后，将薄膜安装在面罩上。

在图案化步骤中，光敏光刻胶材料被涂敷在坯料的表面上。然后，基于所需的芯片设计，使用掩模写入器工具对空白进行图案化。

对于光学掩模，光掩模制造商使用两种类型的掩模写入器，电子束和激光工具。电子束掩模写入器对关键层进行图案化，而激光工具用于成熟层。

今天，掩模制造商在成熟节点上使用新旧电子束和激光掩模刻录机。许多旧工具面临淘汰。凸版表示，在接下来的十年中，光掩模行业可能需要投资约 6.67 亿美元，以用更新的系统替换这些旧工具。

好消息是，一些供应商已经为成熟节点推出了新的电子束和激光工具。例如，NuFlare 最近推出了 EBM-8000P/M，这是一款用于 40nm 至 25nm 节点的新型电子束掩模写入器。EBM-8000P/M 是一个 50kV 系统，电流密度为 400A/cm2。

电子束掩膜刻录机也用于对先进的基于光学的掩膜进行图案化。对于光学掩模应用，供应商使用基于可变形状光束 (VSB) 架构的单光束电子束掩模写入器。

在操作中，将空白插入电子束工具中。D2S首席执行官 Aki Fujimura 说：“VSB 掩模写入器然后使用孔径投射成形的电子束以暴露掩模表面上的抗蚀剂。” “第一个孔是正方形，其次是第二个孔，它要么是 90 度角，要么是 45 度边。”

每个掩膜都是不同的。图案化一个简单的面具需要很短的时间。复杂的掩码需要更长的时间。业界使用术语“写入时间”，表示电子束写入掩模层的速度。

“在 VSB 机器中，机器的写入时间取决于曝光掩模所需的拍摄次数，”Fujimura 说。

同时，应用材料公司和 Mycronic 销售基于激光的掩模刻录机。Mycronic 的新型激光掩模写入器专为 90nm 节点及以上节点而设计。

“激光刻录机同时使用不到 100 束光束来曝光掩模表面的抗蚀剂，”Fujimura 说。“通常，具有 130nm 基本规则或更大的掩模是用激光写入的候选者。更成熟的几代 VSB 写入器更精确，因为电子束更精确。但激光刻录机比 VSB 刻录机更经济。”

同时，在图案化步骤之后，使用蚀刻工具在掩模上蚀刻图案，产生光掩模。

这个过程已经很成熟了，但是在流程中可能会出现问题，导致掩模上的缺陷。有两种类型的掩模缺陷——硬的和软的。硬缺陷是图案缺陷。软缺陷是落在掩模上的颗粒。

这两种缺陷类型都可能是灾难性的。在光刻过程中，当光线穿过带有缺陷的掩模时，扫描仪可以在晶圆上打印出重复的缺陷。这可能会对芯片产量产生负面影响。

因此，在各个步骤中，使用基于光学的掩模检测工具检查光掩模的缺陷。这些工具是可用的，但有一个差距。口罩制造商希望这里有低成本的工具。

“大多数掩模供应商报告成熟节点掩模的制造良率在 90% 到 95% 之间，”Bruker的 Archuletta 说。“在成熟的技术节点，模式数据往往不太复杂。吸收体材料和蚀刻工艺很容易理解并且不太复杂。与图案错误相关的硬缺陷很少。所有掩模节点的主要挑战是污染和颗粒缺陷。”

同时，一旦缺陷被定位，掩模制造商可以修复其中的许多缺陷。有些缺陷是无法修复的，因此掩模被丢弃。

为了修复掩模缺陷，光掩模供应商使用掩模修复工具。从 40nm 到 3nm 节点及以后，光掩模制造商使用两种先进的修复工具，电子束和纳米加工。

蔡司销售电子束修复工具。在这个工具中，掩码被插入到系统中。在工具内部，电子束击中掩模上的缺陷。光束与修复缺陷的前体分子相互作用。

Bruker销售纳米加工系统，该系统使用基于 AFM 的金刚石尖端来修复掩模缺陷。

对于 45nm 及以上的成熟节点，光掩模制造商使用较旧的掩模修复工具，即聚焦离子束 (FIB) 和激光。FIB 工具生成光束以修复缺陷。同时，Bruker销售基于激光的掩膜修复系统。

“对于 >45nm 的技术节点，首选的不透明修复技术是激光烧蚀。激光修复系统速度很快，可用于硬缺陷图案修复和软缺陷颗粒去除，”Archuletta 说。“一些掩膜工厂仍在使用较旧的 FIB 工具。但大多数 FIB 工具已经过时，如果不小心使用，它们会以损坏掩模基板和吸收材料而闻名。”

最后，一旦制造出具有生产价值的光学掩模，就会将聚合物基薄膜安装在掩模上。薄膜覆盖掩膜并防止颗粒落在其上。

结论


为了满足成熟工艺节点的需求，行业必须克服与掩模和设备过时相关的障碍。虽然掩模制造设备行业正在开发新的掩模蚀刻机、计量工具和其他设备，但这些系统的成本高于它们所替代的工具。这也需要大量投资。

可以肯定的是，成熟节点的芯片需求旺盛，没有减弱的迹象。掩膜和掩膜制造设备也是如此，这是该行业关键但有时被忽视的部分。



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