国产光罩基板，路在何方?

【蜂耘网激光光学】日本对于光刻和光刻相关的各种设备和材料长期以来都占据重要市场地位，某些领域甚至可以说是支配地位，例如我们常说的光刻胶。除此之外，日本的光罩基板，特别是先进光刻所使用的光罩基板，在全球市场也几乎处于领先地位，与ASML的先进光刻机相仿，一骑绝尘。

光罩基板是何物？

光罩基板(mask blank)，又称为空白掩模，作为原材料生产带有图形的光罩，应用于光刻工艺中。根据光刻所需的不同要求，其结构和化学组成会有一定的区别。

一般情况下，光罩基板由高纯度石英基板(Quartz substrate)，铬(Cr)或钼硅材料(MoSi)为主要成分的遮光层(Absorber）所构成(如下图所示)，一些类别还带有纯铬所覆盖的硬掩模(Hard mask)。在基板的最上方，会涂覆100～300nm不等的光刻胶(Resist)，用以应对后续的电子束或激光直写曝光。

Source：Characterization of Binary and Attenuated Phase Shift Mask Blanks for 32nm Mask Fabrication, IBM & Toppan, 2008

通常，我们在许多自媒体和科普文章中都会见到铬板掩模的说法，这种说法并不完全错误，但不够完善。在早期的光刻工艺中，铬作为遮光层被广泛应用，直到进入248nm波长的KrF光刻时代，PSM光罩(Phase Shift Mask，相移光罩)开始大量使用。进入193nm的ArF时代，为了避免光罩的3D效应，铬作为遮光层的厚度明显减小，随着浸润式光刻时代的到来，铬作为遮光层的时代彻底过去，具有更高光学密度的OMOG光罩随之被大规模使用。为了在制作特殊图形，例如通孔结构时，光刻工艺能够拥有更好的聚焦深度(DoF)和更小的误差扩大因子(MEEF)，以此实现更精确和稳定的图形制作，HT PSM(高透光相移光罩)的概念被提出，并引入产线。同样的，为了在更高的光刻机曝光能量下拥有更好的耐久度与使用寿命，HD PSM(高耐久度相移光罩)也走入产线。

日本光罩知多少？

目前，全球市场上大规模使用的光罩主要来自于日本的豪雅(Hoya)和信越(Shinetsu)，AGC。而豪雅更是其中的佼佼者，在IC半导体用的光罩基板市场占据了绝对多数的市场份额，在豪雅官网的报告材料中亦有体现。

Source：Information Technology Business, Hoya Intergrated Report 2022, 豪雅官网

以目前国内市场来说，i line与KrF光刻所使用的光罩基板中，豪雅占据了超过一半以上的份额，而ArF光刻所使用的光罩基板几乎全部来自于豪雅与信越，EUV光罩基板尚处于禁运状态无法进入中国大陆市场。目前铬板光罩与KrF PSM光罩市场，韩国的S&ST可与豪雅在中国大陆市场展开角力，ArF PSM则渗透到55nm左右的节点，与豪雅和信越相比差距依旧巨大。值得一提的是，作为韩国半导体材料自主化的重要一环，S&ST在韩国本土影响力优势显著，包括EUV光罩基板在内的诸多类型的光罩基板皆有涉猎与技术路线图，是韩国半导体技术和长期战略的重要一环。

不过相较于全球市场上豪雅的绝对优势，信越在大陆高端基板市场表现出色。国内所使用的OMOG基板，几乎都来自于信越，各种先进PSM基板也以信越为主，这几类基板几乎很少有来自于豪雅和S&ST的竞争。

从光罩基板所需要的材料和技术的视角来看，作为光罩基板本身的高纯度合成石英(fused silica)基板也是日本的强项，光学巨匠豪雅和硅化学先锋信越在此领域的造诣深厚。前文所提及的光刻胶也是日本半导体工业的传统强项，故而从材料上日本基板厂可以说自己动手丰衣足食。

在制造过程中，作为光罩最重要的结构遮光层的镀膜采用了日本ULVAC的PVD设备，根据不同类型的光罩类型，分别溅射40～100nm的不通材质的金属薄膜。对于EUV这样结构甚为复杂的基板类型，超20层Mo/Si(钼与硅)复合层与Ru(钌)等镀层需要多次进行，材料的与晶格结构的均一性和严格的厚度控制要求严苛。在此基础上，设备的稳定运行与工艺的know how都是质量保证的关键。