光掩模在成熟节点出现短缺

成熟节点对芯片的需求激增，加上这些几何形状的光掩模制造设备老化，正在引起整个供应链的严重担忧。

这些问题最近才开始浮出水面，但尤其令人担忧的是光掩模这对芯片生产至关重要。28nm及以上工艺的掩模产能尤其紧张，这推高了价格，延长了交货时间。

目前还不清楚这种情况会持续多久。掩模制造商正在扩大产能以满足需求，但事情并没有那么简单。为成熟节点制作掩模需要使用较旧的设备，其中大部分已经过时。根据Toppan的说法，为了取代过时的掩模工具，未来十年，该行业可能需要在新设备上投资10亿至20亿美元。一些设备供应商正在为成熟的节点构建新的掩码工具，但它们更昂贵。

掩模作为芯片设计的主模板。在该流程中，IC供应商设计芯片，然后将其转换为文件格式。然后，在掩模设备中，基于该格式制作掩模。然后，掩模被运送到晶圆厂，并放置在光刻扫描仪。扫描仪通过掩模投射光线，掩模在芯片上形成图像图案。

有两种类型的掩模制造商-圈养和商人。英特尔(Intel)、三星(Samsung)、台积电(TSMC)和其他芯片制造商都是专属的掩模制造商，生产16/14纳米及以下的前沿掩模。一些俘虏，如台积电，在成熟节点制作面具。拥有专属掩模制造业务的设备制造商生产掩模以满足内部需求。

为外部客户生产掩模的商业掩模制造商，在某些情况下会在成熟节点和高级节点生产掩模。

对掩模的需求反映了半导体行业的现状。一段时间以来，该行业对芯片的需求前所未有。这反过来又推动了对所有掩模类型的需求，特别是那些成熟节点的掩模。

掩模供应商Toppan负责营销、规划和运营支持的副总裁巴德·卡弗利(Bud Caverly)说:“这是28纳米及以上的工艺，而且还会继续下去。”“不是每个应用都能负担得起，也不需要采用3nm技术。再加上目前的需求情况，我们在许多地点和节点的晶圆厂和掩模业务已经售罄。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掩模。”

为了满足需求，几家专有口罩制造商正在扩大生产能力。不过，尽管这些被俘企业有能力投资于新产能和先进设备，但商用口罩制造商却面临着资金和工具投资方面的挑战。

“专业设备需求的增长推动了对大节点掩模的需求。这些成熟的掩模节点约占掩模总需求的88%(预计2022年为450,000台)。该设备的销量推动了全球口罩业务的高产能，特别是在商用口罩行业，”该公司销售和营销经理迈克尔·阿库莱塔说力量．“许多口罩供应商都在使用老化的制造系统，在某些情况下，他们的过时工具已经无法修复。这台设备需要更换。不幸的是，历史表明成熟的技术节点掩模的销售价格很低，导致利润率极低。这意味着用于新设备的资本投资资金有限。”

图1:掩模。来源:维基百科

图2:掩模的示意图(上)和使用该掩模创建的集成电路(下)来源:维基百科

市场动态
SEMI分析师Inna Skortsova表示，总体而言，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，掩模市场预计将达到52亿美元。

DNP、Photronics和Toppan是最大的掩模制造商。其他商家包括Compugraphics、Hoya和Taiwan Mask。

对于成熟和一些先进的节点，业界使用基于光学的掩模。光学掩模尺寸为6 × 6英寸，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。

这些掩码类型用于光学光刻技术系统。在这些系统中，光被产生，然后引导通过一组投影光学。然后，光线通过掩模投射到涂有光刻胶的晶圆上，在芯片上形成微小的图案。当今最先进的光刻工具使用的光源波长为193nm。

掩模在这里起着关键作用。Fractilia首席技术官Chris Mack在视频演示中解释说:“掩模也被称为折线或掩模，包含了你想要在晶圆上打印的内容。”“它有不透明的区域，我们想要阻挡光线，而在我们想让光线通过的地方是透明的。不透明区域通常由铬或MoSi制成。”

每个掩模包含一个或多个模的模式，这取决于芯片的大小。在许多情况下，芯片设计有几个复杂的特征。打印晶圆上的所有特征需要一个以上的掩模。

“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模式。它们被用来组成这些复杂的集成电路，”麦克说。“我们需要大量的光掩模——每个光刻层至少一个。180nm节点设备大约需要25个掩模。32nm节点设备大约需要50个掩码。而16nm节点设备需要大约75个掩模才能制造一个集成电路。”

如果一个芯片需要75个单独的掩码，那么它们就组成了一个“掩码集”。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，如二进制和相移掩模(psm)。在二元掩模中，铬被蚀刻在选定的地方，这暴露了玻璃基板。铬材料在其他地方没有蚀刻。在操作中，光打在掩模上，穿过玻璃区域，暴露晶圆。光不能穿过镀铬的区域。

今天也在使用psm。麦克说:“PSM有很多种，但它们都是通过相位来抵消你不想要的光，从而产生更高对比度的图像。”

图3:各种掩模的示意图:(A)常规(二进制)掩模;(b)交替相移掩模;(c)衰减相移掩模。资料来源:维基百科

使用各种掩模类型和其他技术，当今最先进的193nm光刻扫描仪能够将芯片制模至7nm。但是基于193nm的光刻技术在5nm时变得过于复杂。

所以在7纳米及以上，芯片制造商使用极端的紫外线(EUV)光刻。EUV扫描仪使用13.5nm波长，可以解析13nm的特征。

EUV需要不同的掩模技术。不像光学掩模是透射的，EUV掩模是反射的。EUV掩模由衬底上薄的硅和钼交替层组成。在多层堆叠上，掩模由钌覆盖层组成，随后是钽吸收材料。

今天的EUV掩码是基于二进制格式的。该行业正在开发3nm及以上的EUV psm。

成熟的掩模和工具不足
为了制造EUV掩模，该行业需要几种新型和先进的设备。多年来，该行业投入了数十亿美元的资金来开发基于euv的掩膜设备以及扫描仪、电阻和其他技术。

然而，多年来，用于成熟节点的旧掩模设备通常被忽视。这种情况在2016年左右开始改变，当时对模拟、射频和其他芯片类型的需求不断增长，导致200mm和300mm晶圆厂成熟节点的短缺。

300mm晶圆厂用于制造前沿节点(16nm/14nm及以下)和后缘节点(130nm/110nm至28nm/22nm)的芯片。200mm晶圆厂采用成熟的工艺技术制造器件，从6微米到110nm节点。(节点指的是一个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年飙升，导致落后代工产能严重短缺。这对口罩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技术执行副总裁富兰克林·卡尔克(Franklin Kalk)警告说，面罩行业还没有准备好应对对成熟节点的需求冲击。

当时，掩模制造商主要使用较老的掩模工具来制作成熟的节点，其中一些已经过时了。在其他情况下，一些设备供应商停止支持旧的掩模工具或停业。在这种情况下，掩码供应商支持该工具。备件很难找到。

Kalk表示，行业需要为所有设备类别的成熟节点提供新的掩模工具，包括蚀刻机、检测系统、掩模写入器和维修产品。在这一点上，一些供应商开始为成熟的节点开发新的掩码工具，但差距仍然存在。

与此同时，成熟节点对芯片的需求继续飙升。从2018年到今天，全球成熟节点的代工产能仍然紧张。

“在过去几年里，对各种基于200mm和成熟CMOS技术节点≥28nm的芯片的需求激增，无论是传统CMOS，双极CMOS DMOS (BCD)，还是基于RF-SOI的工艺平台，”David Haynes说林的研究．“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，按节点计算，28nm平面产品仍然是最大的市场之一。例如，联华电子最近一个季度的28纳米技术收入增长了75%。“收入同比增长75%反映了5G、物联网和汽车相关的强劲芯片需求，”Jason Wang表示。联华电子的联席总裁。

其他节点也很抢手。“如果你看一下正在按节点建设的晶圆厂，就会发现不仅仅是3nm。几乎每个节点都在以某种形式增加容量。”“28nm是一个高需求的节点。在40nm到65nm，你可以看到先进的RF，混合信号和特定逻辑的最佳点。在110nm到130nm范围内，也可以看到活性，这是通用、混合信号和模拟类型的产品。”

所有这些活动都推动了对更多掩模产能的需求。“如果你看看半导体市场的预期增长，它将推动光掩模市场的大规模投资需求，”Caverly说。“我们还有二级设备的问题。大量的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更换。这将进一步增加这些投资需求的压力。”

但是，即使掩模设备供应商在所有产品类别中都推出了新工具，该行业也面临着其他挑战。例如，据Toppan称，仅65nm节点的一条新的掩模生产线预计就耗资6500万美元。

这包括工具和维护的成本。“单是折旧和维护成本就高达每个65纳米掩模3500美元。如果加上材料、劳动力和其他成本，一个口罩的总成本将超过6000美元。”“如果我在这个数字上加上正常的毛利率，结果实际上远远高于目前的65nm ASP。价格下跌得如此之多，你再也负担不起这笔投资了。”

此外，一条新的掩模生产线需要掩模设备。“半导体的增长将需要新的掩模工具的购买，这必须显示出足够的回报来保证投资，”Caverly说。

掩模工艺流程
那么成熟节点的掩模工具缺口在哪里呢?要深入了解，必须看看掩模的制造过程。

先进和成熟的口罩都遵循相同的基本制造流程。该过程从一个掩码空白供应商开始，该供应商创建一个掩码空白。Hoya表示，光学掩模的空白由6 x 6英寸的玻璃基板组成，该基板上涂有金属膜和感光剂。

然后，完成的空白被运送到掩模制造商，在那里制作掩模。在这里，空白被打上图案，蚀刻，修复和检查，创建一个掩模。最后,一个薄膜安装在掩码上。

在制模步骤中，在坯料表面涂覆一种光敏光刻胶材料。然后，根据所需的芯片设计，使用掩模编写工具对空白进行模式化。

对于光学掩模，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。电子束掩模编写器用于关键层，而激光工具用于成熟层。

今天，掩模制造商在成熟的节点上使用较老和较新的电子束和激光掩模写入器。许多较老的工具面临淘汰。根据Toppan的数据，在未来十年，光掩模行业可能需要投资约6.67亿美元，以更新的系统取代这些旧工具。

好消息是，一些供应商已经为成熟的节点引入了新的电子束和激光工具。例如，NuFlare最近推出了EBM-8000P/M，这是一种用于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。

电子束掩模编写器也用于高级光学掩模。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。

在操作时，在电子束工具中插入一个毛坯。该公司首席执行官Aki Fujimura表示:“VSB掩膜作者然后使用光圈投射成形电子束，将抗蚀剂暴露在掩膜表面d2．“第一个光圈是方形的，其次是第二个光圈，要么是90度角，要么是45度边。”

每个面具都是不同的。它需要很短的时间来图案一个简单的蒙版。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有多快。

藤村说:“在VSB机器中，机器的写入时间是由曝光掩模所需的拍摄次数决定的。”

与此同时，应用材料公司(Applied Materials)和迈克龙公司(Mycronic)也在销售基于激光的掩模刻印器。迈克龙的新型基于激光的掩模写入器是为90nm及以上节点设计的。

Fujimura说:“激光打印机同时使用不到100束光束来暴露掩膜表面的抗蚀剂。”“通常，130nm或更大尺寸的掩模是用激光书写的候选。更成熟的VSB编写器更精确，因为电子束更精确。但是激光打印机比VSB打印机更经济。”

同时，在制模步骤之后，使用蚀刻工具将图案蚀刻在掩模上，从而得到掩模。

这一工艺已经很成熟，但在流程中可能会出现问题，导致掩模出现缺陷。口罩有两种缺陷——硬的和软的。硬缺陷是模式缺陷。软缺陷是落在面具上的颗粒。

这两种缺陷类型都可能是灾难性的。在光刻过程中，当光线透过有缺陷的掩模时，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，在不同的步骤中，使用基于光学的掩模检测工具来检查掩模是否存在缺陷。这些工具是可用的，但存在差距。口罩制造商希望在中国使用成本更低的工具。

“大多数口罩供应商报告说，成熟节点口罩的制造良率为90%至95%，”Bruker的Archuletta说。“在成熟的技术节点上，模式数据往往不那么复杂。吸收材料和蚀刻工艺已经很好地理解，并且不那么复杂。与图案错误相关的硬缺陷很少。所有掩膜节点的主要挑战是污染和颗粒缺陷。”

同时，一旦缺陷被定位，口罩制造商就可以修复其中的许多缺陷。有些缺陷无法修复，掩模被丢弃。

为了修复掩模缺陷，掩模供应商使用掩模修复工具。从40nm到3nm节点及以上，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，一束电子束击中掩模上的缺陷。光束与前体分子相互作用，从而修复缺陷。

布鲁克出售纳米加工系统，该系统使用基于afm的钻石尖端来修复口罩缺陷。

对于45nm及以上的成熟节点，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工具生成光束来修复缺陷。与此同时，布鲁克公司销售基于激光的掩模修复系统。

“对于>45nm工艺节点，首选的不透明修复技术是激光烧蚀。激光修复系统速度快，可用于硬缺陷模式修复和软缺陷颗粒去除，”Archuletta说。“一些口罩商店仍在使用旧的FIB工具。但大多数FIB工具都过时了，如果不小心使用，它们会损坏掩模衬底和吸收材料。”

最后，一旦生产出了具有生产价值的光学掩模，就会在掩模上安装一层聚合物薄膜。薄膜覆盖在口罩上，防止颗粒落在上面。

结论
为了满足成熟工艺节点的需求，该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取代的工具。这也需要大量的投资。

可以肯定的是，用于成熟节点的芯片需求旺盛，而且没有停止的迹象。口罩和口罩制造设备也是如此，这是行业中至关重要但有时被忽视的一部分。

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