掩膜版 ——电子产品的“底片”

        掩膜版（Photomask），又称光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，是微电子制造中光刻工艺所使用的图形母版，由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形，并通过曝光将图形转印到产品基板上。掩膜版是芯片制造过程中的图形“底片”，用于转移高精密电路设计，承载了图形设计和工艺技术等知识产权信息。掩模版用于芯片的批量生产，是下游生产流程衔接的关键部分，是芯片精度和质量的决定因素之一。

        掩膜版的功能类似于传统照相机的底片。制造商通常根据客户所需要的图形，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，即得到掩膜版。掩膜版的原材料掩膜版基板是制作微细光掩膜图形的感光空白板。通过光刻制版工艺，将微米级和纳米级的精细图案刻制于基板上制作成掩膜版。掩膜版的作用主要体现为利用已设计好的图案，通过透光与非透光方式进行图像（电路图形）复制，从而实现批量生产。

掩膜版是微电子制造过程中的图形转移母版，是平板显示、半导体、触控、电路板等行业生产制造过程中重要的关键材料。掩膜版的作用是将设计者的电路图形通过曝光的方式转移到下游行业的基板或晶圆上，从而实现批量化生产。作为光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜版是连接工业设计和工艺制造的关键，掩膜版的精度和质量水平会直接影响最终下游制品的优品率。

        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。

掩膜版分类

        光掩膜主要分两个组成部分，即基板和不透光材料，不同掩模版的不透光材料有所不同。基板通常是高纯度，低反射率，低热膨胀系数的石英玻璃。不同种类光掩膜使用的不透光材料不同。光掩膜分为铬版（苏打玻璃、石英玻璃、硼硅玻璃）、干版、菲林、凸版（APR）。铬版的不透光层是通过溅射方法镀在玻璃下方厚约0.1um的铬层。铬的硬度比玻璃略小，不易受损但有可能被玻璃所伤害。应用于芯片制造的光掩膜为高敏感度的铬版。干版涂附的乳胶，硬度小且易吸附灰尘，不过干版还有包膜和超微颗粒干版，后者可应用于芯片制造。

        掩膜版根据基板材质的不同可分为石英掩膜版、苏打掩膜版和其他（包含凸版、菲林）。石英掩膜版使用石英玻璃作为基板材料，光学透过率高，热膨胀率低，相比苏打玻璃更为平整耐磨，使用寿命长，主要用于高精度掩膜版；苏打掩膜版则使用苏打玻璃作为基板材料，光学透过率较高，热膨胀率相对高于石英玻璃，平整度和耐磨性相对弱于石英玻璃，主要用于中低精度掩膜版；而凸版使用不饱和聚丁二烯树脂作为基板材料，主要用于液晶显示器（LCD）制造过程中的定向材料移印；菲林使用PET作为基板材料，主要用于电路板掩膜。

        根据下游应用行业的不同，可分为平板显示掩膜版、半导体掩膜版、触控掩膜版和电路板掩膜版。

        生产掩膜板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。

    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。

掩膜版产业链概况

    掩膜版的主要原材料包括掩膜基板、光学膜、化学试剂以及包装盒等辅助材料，掩膜版主要应用于平板显示、半导体、触控和电路板的制造过程，是必不可少的关键材料之一。平板显示、半导体等中游电子元器件厂商的终端应用主要包括消费电子（电视、手机、笔记本电脑、平板电脑、可穿戴设备）、家用电器、车载电子、网络通信、LED照明、物联网、医疗电子以及工控等领域。主要客户为半导体厂商英特尔、三星、台积电等以及显示屏厂商京东方、华星光电等。

    光掩膜上游主要包括图形设计、光掩膜设备及材料行业，主要供应厂商包括日本东曹，日本信越化学、日本ULCOAT、日本尼康、旭化成和菲利华等；中游为掩膜版制造行业，主要企业包括日本HOYA，日本DNP，韩国LG-IT、日本SKE和清溢光电。

    掩膜版产业链的情况如下图：

掩膜版市场规模

        在掩膜版下游应用中，半导体和平板显示是掩膜版最主要的两个应用领域。

（1）平板显示掩膜版

        在平板显示掩膜版领域，Omdia2021年7月研究报告显示，2016年至2019年全球平板显示掩膜版的市场规模增长较为迅速，2019年全球平板显示掩膜版的市场规模约为1,010亿日元，2016年全球平板显示掩膜版的市场规模约为671亿日元，2016年至2019年的年均复合增长率达14.58%。

        受新冠疫情影响，2020年平板显示掩膜版市场规模约为903亿日元，较2019年下降10.57%，但平板显示掩膜版市场自2021年起逐渐实现复苏，2022年市场规模预计将增长至1,026亿日元。

        分地区来看，自2018年起中国大陆超越韩国成为全球第一大平板显示掩膜版市场，自2020年开始中国大陆的掩膜版市场规模占比超过50%。

        面板的世代数是按照产线所应用的玻璃基板的尺寸划分，总体来说，面板代数越高，面板的玻璃基板尺寸越大，切割的屏幕数目越多，利用率和效益就越高。大尺寸屏幕的需求增加引领全球平板显示产业向8+代线和10+代线迈进，8.5代线可高效切割32寸、48寸、55寸电视，8.6代线可高效切割50寸、58寸电视，10.5代线可高效切割65寸、75寸电视。除此之外，还可以采用套切等技术，生产出尺寸差异化的产品，后续可根据市场需求灵活调整以降低风险。8.5代线切割65寸电视的效率为64%，但是可以采用66寸+32寸电视套切，实现94%的切割效率；8.6代线切割90寸电视的效率为74%，但是可以采用90寸+23.3寸电视套切，实现91%的切割效率；10.5代线切割65寸、75寸电视都可以达到90%以上的切割效率。

 半色调掩膜版（HTM）兴起并快速发展

        TFT掩膜版主要用于TFT黄光制程，包含TFT-Array工序和CF工序，分别利用掩膜版的曝光隐蔽作用完成TFT-Array和CF的图形制作。按照掩膜版膜层透光效果划分，可将TFT掩膜版分为二元型掩膜版（Binary-Mask）和多色调或多灰阶掩膜版（Multi-ToneMask，MTM）。MTM包含灰阶掩膜版（Gray-ToneMask，GTM）和半色调掩膜版（Half-ToneMask，HTM）两种产品。与二元掩膜版相比，多灰阶掩膜版中两种产品的作用都是实现曝光过程中的部分透光功能，但由于半色调掩膜版具有图形设计方便、透过率可控等优点，目前已成为各大面板厂商主要选择的产品。

        以TFT-Array制造为例，使用半色调掩膜版可以将Array光刻工艺中的5道光刻工序简化成4道光刻工序，减少掩膜版的使用数量，降低TFT-LCD制造成本，提高生产效率。

        触控技术向内嵌式触控演进，显示面板厂商整合触控掩膜版的需求

        触控技术主要可分为外挂式触控和内嵌式触控。对于外挂式触控技术来说，触控与显示互相独立，外挂式触控覆盖在显示器屏幕上。内嵌式触控，其原理是LCDVcom层划出多个区块，来作为触控感应，其制程工艺是在LCD面板的Array制程中同步完成，从而实现了触控与显示的融合。内嵌式触控具有轻薄、窄边框、简化供应链的优势，自诞生以来发展迅猛。据Omdia统计，2020年内嵌式触控在手机应用上的占比将超过85%，同时内嵌式触控正在快速的向平板电脑、笔记本电脑及车载触控领域渗透。

        触控技术的发展使得面板厂商摆脱显示屏单一的显示功能，让显示屏成为公众功能汇聚交互的平台是面板厂未来的发展方向。对于掩膜版厂商来说，显示面板厂商正在不断整合触控掩膜版的需求，触控掩膜版的客户群体将由外挂式触控厂商转向内嵌式触控的平板显示厂商客户。

半导体掩膜版

        在半导体掩膜版领域，2019年SEMI统计数据显示，自2012年起全球半导体掩膜版市场保持高速发展的态势，在经过连续七年的增长后，2019年全球半导体掩膜版市场规模达到41亿美元。SEMI预计未来全球半导体掩膜版市场将继续保持稳健的增长，2021年市场规模将超过44亿美元。

        从地区分布来看，自2012年至今台湾一直是全球最大的半导体掩膜版市场，2017年韩国超越北美市场，成为全球第二大半导体掩膜版市场。2019年，全球前三大半导体掩膜版市场依次为台湾、韩国和北美，占比分别为37.92%、20.91%和19.33%。

        随着我国半导体产业占全球比重的逐步提升，我国半导体掩膜版市场规模也逐步扩大。2019年中国半导体掩膜版市场规模为1.44亿美元，预计2021年将达到1.95亿美元，年均复合增长率达16.32%。5G、人工智能、物联网等新技术的快速发展，也为我国半导体市场带来了新的增长点。同时，SiC、GaN等第三代半导体以其高热导率、高击穿场强等特点，在国防、航空、航天、光学存储、激光打印等领域有着重要的应用前景。在国家政策支持和市场需求驱动下，我国第三代半导体产业得到快速发展，已基本形成了涵盖上游衬底、外延片，中游器件设计、器件制造及模块，下游应用等环节的产业链布局，这也将有力带动我国半导体掩膜版市场快速发展。

        半导体芯片掩膜版的主要参与者为晶圆厂自行配套的掩膜版工厂（captivesuppliers）和独立第三方掩膜版生产商。由于用于芯片制造的掩膜版涉及各家晶圆制造厂的技术机密，因此晶圆制造厂先进制程（45nm以下）所用的掩膜版大部分由自己的专业工厂生产，但对于45nm以上等比较成熟的制程所用的标准化程度更高的掩膜版，晶圆厂出于成本的考虑，更倾向于向独立第三方掩膜版厂商进行采购。根据SEMI的统计数据，2019年在半导体芯片掩膜版市场，晶圆厂自行配套的掩膜版工厂占据65%的份额；在独立第三方掩膜版市场，半导体芯片掩膜版技术主要由美国福尼克斯、日本DNP和Toppan掌握，市场集中度较高。

        目前我国国产芯片制造能力还较为薄弱，掩膜版等关键的上游材料亦多依赖进口。国内的掩膜版厂商的技术能力主要集中在芯片封测用掩膜版以及100nm节点以上的晶圆制造用掩膜版，与国际领先企业有着较为明显的差距。但随着国家政策的大力支持，我国国产芯片制造业快速发展，公司作为国内掩膜版行业的领先企业，制造能力逐步从封测环节延伸至半导体器件及芯片制造，产品集中在300nm/250nm制程节点，CD精度能够控制在50nm水平，逐步向180nm、150nm、90nm、65nm节点方向发展，与国内某些领先芯片公司及其配套供应商、士兰微、晶方科技、华天科技、通富微电、三安光电、光迅科技等国内主流厂商开展紧密合作。此外，公司还针对更先进制程半导体掩膜版在电子束光刻、干法制程等技术方面开展了相应研究，通过不断进行技术突破，为下游芯片制造带来关键材料的配套支持。

来源：AIOT大数据