別只盯光刻機，光罩更關鍵

半導體產業(yè)縱橫·2025-08-18

當一顆指甲蓋大小的芯片里塞進百億個晶體管時，很少有人會追問：這些比細菌還小的電路

圖案，最初是怎么"畫"出來的？答案藏在一塊看似普通的石英玻璃背后——光罩，這個被業(yè)內稱為"半導體母版"的關鍵器件，正以納米級的精度定義著芯片的極限性能。

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光罩三百年進化史

如果回溯光罩的前世今生，會發(fā)現(xiàn)它的進化史就是一部微觀制造的精度競賽史。18世紀末，法國人約瑟夫·尼塞福爾·涅普斯用瀝青涂層的錫版制作了世界上第一塊"光罩"，通過日光曝光將窗外景色印在金屬板上——這種原始的成像邏輯，與今天半導體光罩驚人地相似。只是當年的"像素"是毫米級的色塊，而今已縮小到0.5納米，相當于把地球按比例縮小到乒乓球大小的精度控制。

1990 年代末，隨著半導體進入深亞微米時代，光罩技術迎來最劇烈的變革期。KrF（248nm）光刻技術要求光罩線寬達到 180nm，這意味著需要檢測直徑僅 50nm 的缺陷 —— 相當于在標準足球場大小的區(qū)域內找出一顆塵埃。為應對挑戰(zhàn)，光罩制造引入了原子層沉積（ALD）技術，實現(xiàn)鉻層厚度控制在 ±0.1nm 范圍內；同時開發(fā)了激光修復系統(tǒng)，通過聚焦離子束（FIB）精確移除缺陷，修復精度達 10nm 級。

現(xiàn)代光罩的核心結構看似簡單：在高純度石英玻璃上，用鉻層蝕刻出電路圖案。但在實際制造中，這塊"玻璃片"需要經(jīng)過30多道工序的雕琢。日本信越化學生產的光罩基板，每平方厘米的平整度誤差不能超過0.3納米。

2024年三星推出的3nm GAA工藝中，光罩技術實現(xiàn)了一次關鍵突破：采用"自對準多重曝光"（SAQP）技術的光罩組，通過四次疊加曝光，在物理分辨率有限的情況下，"畫"出了間距僅7nm的鰭片場效應晶體管（FinFET）。這就像用4張不同角度的底片，在同一張相紙上疊加出立體影像，只不過這里的"相紙"是單晶硅，"影像"是能導電的納米結構。

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產業(yè)鏈的“咽喉要道”

光刻工藝堪稱半導體器件制造工藝的核心步驟之一，光刻成本約占整個硅片制造工藝的 1/3，耗費時間約占整個硅片工藝的 40%-60% ，而光罩在其中扮演著無可替代的 “投影模版” 角色。其工作流程極為精密復雜，首先由特定光源發(fā)出光線，如 248nm 的 KrF（氟化氪）準分子激光常用于 90nm 至 0.25μm 制程節(jié)點，193nm 的 ArF（氟化氬）準分子激光則支撐著從 65nm 到目前先進的 3nm 制程。光線透過光罩的透明區(qū)域，這里的透明區(qū)域與遮光區(qū)域由鉻層等材料精準界定，進而將光罩上精心設計的電路圖案投影到涂有光刻膠的晶圓表面，這一關鍵步驟即為曝光。

在曝光過程中，光刻膠會因吸收光子能量而發(fā)生光化學反應。對于正性光刻膠，曝光區(qū)域的光刻膠在顯影液中溶解度大增；負性光刻膠則相反，未曝光區(qū)域在顯影液中溶解。經(jīng)顯影處理后，晶圓表面便形成與光罩一致的圖案。此后，利用刻蝕工藝，如等離子體刻蝕，通過高能離子束對晶圓進行轟擊，將顯影后的光刻膠圖案轉移到晶圓上的特定材料層，去除不需要的材料部分，留下所需的電路結構。

值得一提的是，光罩上的圖案一般是電路設計圖的 4 倍大小，這種放大設計便于在光罩制作階段對圖案進行更精準的加工與修正。通過光刻機先進的投影系統(tǒng)，如采用多組高精度透鏡組成的光學系統(tǒng)，將光罩圖案縮小到 1/4 后投影到晶圓上。這種縮小操作基于光學成像原理，不僅提高了分辨率，理論上分辨率與曝光波長成正比，與投影系統(tǒng)的數(shù)值孔徑成反比，縮小圖案相當于變相縮短了曝光波長，還降低了制造誤差。因為在縮小過程中，圖案邊緣的微小偏差被大幅縮小，使得最終在晶圓上形成的電路圖案更為精準。

可以形象地說，光罩就如同投影儀的“幻燈片”，借助光的投射，把圖案清晰地映射到 “屏幕”—— 晶圓之上。但與普通幻燈片不同，光罩制作需歷經(jīng) 30 多道工序，從高純度石英玻璃基板的選擇，像日本信越化學生產的光罩基板，每平方厘米的平整度誤差不能超過 0.3 納米，到鉻層等遮光層的精準蝕刻，再到圖案的電子束或激光直寫繪制，每一步都對精度和環(huán)境潔凈度有著嚴苛要求，其復雜程度和技術門檻極高，是半導體制造中名副其實的 “咽喉要道”，決定著芯片制造的精度與性能。

03

誰在掌控光罩話語權？

掌握高端光罩，尤其是EUV光罩的核心技術與制造能力，已成為決定先進芯片制造話語權的關鍵一環(huán)。當前，這一領域的競爭格局高度集中，少數(shù)幾家掌握頂尖技術的企業(yè)牢牢把控著產業(yè)鏈的關鍵節(jié)點。

審視全球光罩產業(yè)鏈，話語權的分布呈現(xiàn)出明顯的“金字塔”結構，塔尖由日本、美國及部分歐洲企業(yè)構成，它們在高端光罩制造、核心材料供應及尖端檢測設備領域占據(jù)絕對主導地位。

美國的 Photronics 作為全球領先的獨立第三方光罩制造商，在半導體、平板顯示等多個領域的光罩制造方面具有深厚的技術積累。該公司成立于 1969 年，經(jīng)過多年的發(fā)展，通過持續(xù)的研發(fā)投入和技術創(chuàng)新，掌握了一系列先進的光罩制造技術。在光學鄰近校正（OPC）技術方面，Photronics 能夠通過精確的算法和先進的軟件工具，對光罩上的圖案進行優(yōu)化，以補償光刻過程中的光學畸變，從而提高芯片制造的精度和良率。

日本在光罩產業(yè)的優(yōu)勢更為顯著，不僅在高端光罩制造企業(yè)數(shù)量上占據(jù)優(yōu)勢，而且在光罩制造的全產業(yè)鏈環(huán)節(jié)都具備強大的技術實力。除了 Toppan 和 DNP 在高端光罩制造領域的領先地位外，日本企業(yè)在光罩基板、光刻膠等關鍵材料以及光罩制造設備等方面也處于全球領先水平，豪雅（Hoya）和信越化學（Shinetsu）是全球最大的兩家供應商，市場份額合計超過 90% 。豪雅生產的光罩基板具有極高的平整度和光學性能，其采用的先進熔煉和加工工藝能夠確?；逶诓煌h(huán)境條件下都能保持穩(wěn)定的性能，為高端光罩的制造提供了堅實的基礎。信越化學則在高純度石英材料的生產方面具有獨特的技術優(yōu)勢，其生產的石英基板在雜質含量控制、熱穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出色，廣泛應用于 EUV 光罩等高端產品。

在光刻膠方面， JSR、東京應化（TOK）等企業(yè)占據(jù)了全球半導體光刻膠市場的主要份額。光刻膠作為光罩制造和芯片光刻過程中的關鍵材料，其性能直接影響到光罩圖案的轉移精度和芯片制造的質量。日本企業(yè)通過長期的研發(fā)投入和技術創(chuàng)新，開發(fā)出了一系列高性能的光刻膠產品，能夠滿足不同制程節(jié)點的需求。例如，JSR 的 ArF 光刻膠在分辨率、靈敏度和抗刻蝕性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異，被廣泛應用于 14nm 及以下先進制程的芯片制造。

長期以來，中國大陸的光罩產業(yè)在全球產業(yè)鏈中處于相對弱勢地位。在 2020 年以前，國內光罩廠數(shù)量雖不少，但整體技術水平較低。以當時知名的 “三兄弟”—— 清溢光電、路維光電和龍圖光罩為例，其工藝能力大多集中在 0.25 - 0.5 微米之間；中微掩模電子的能力稍優(yōu)，可達到 0.13 微米。

近年來，隨著國家對半導體產業(yè)的高度重視以及產業(yè)政策的大力扶持，國產光罩迎來了快速發(fā)展的黃金時期。龍圖光罩自 2010 年入局半導體掩模版業(yè)務，經(jīng)過多年的技術攻關，將工藝節(jié)點從 1μm 提升至 130nm。

2023 年底，龍圖光罩成功過會，擬募資投向高端半導體芯片掩模版制造基地等項目，加速 130nm 以下制程光罩的國產化進程。該公司在高精度半導體掩模版領域持續(xù)進行設備引進與技術攻關，針對半導體掩模版的工藝特點，掌握了圖形補償技術、精準對位標記技術、光刻制程管控技術、曝光精細化控制技術、缺陷修補與異物去除技術等多項自主研發(fā)的核心技術，涵蓋 CAM、光刻、檢測三大環(huán)節(jié)。同時，積極開展技術布局與儲備，儲備了電子束光刻技術及 PSM 相移掩模版技術，形成了一定的技術成果。目前，龍圖光罩已實現(xiàn) 130nm 工藝節(jié)點半導體掩模版的量產，具備 ±20nm 的 CD 精度和套刻精度，其技術實力和工藝能力在國內第三方半導體掩模版廠商中居于領先地位。其產品已經(jīng)通過了中芯集成、士蘭微、積塔半導體、新唐科技、比亞迪半導體、立昂微、燕東微、粵芯半導體、長飛先進、揚杰科技等多個國內知名晶圓制造廠商的認證。

清溢光電也在不斷突破，作為國內規(guī)模最大的國產光掩模供應商之一，該公司在半導體光罩領域持續(xù)投入研發(fā)，產品逐步從中低端向中高端邁進。通過與國內科研機構合作，引進先進人才，清溢光電在光罩制造的關鍵技術環(huán)節(jié)取得了重要進展，如在光罩的缺陷檢測與修復技術方面，開發(fā)出了具有自主知識產權的檢測算法和修復工藝，有效提高了光罩產品的質量和良品率。其產品不僅在國內市場份額穩(wěn)步提升，還開始涉足國際市場，與國際大廠展開競爭，產品出口到韓國、日本等半導體產業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū)。

路維光電同樣成績不錯，實現(xiàn)了 250nm 制程節(jié)點半導體掩膜版量產，掌握 180nm/150nm 節(jié)點核心技術，產品廣泛應用于多個領域，為國內半導體產業(yè)提供了有力支撐。