掩膜版(Photomask)又称光罩、光掩膜、光刻掩膜版等,是微电子制造过程中的图形转移工具或母版,是图形设计和工 艺技术等知识产权信息的载体。在光刻过程中,掩膜版是设计图形的载体。通过光刻,将掩膜版上的设计图形转移到光刻 胶上,再经过刻蚀,将图形刻到衬底上,从而实现图形到硅片的转移,功能类似于传统照相机的“底片”。
以薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)制造为例,利用掩膜版的曝光掩蔽作用,将设计好的薄膜晶体管(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。相比较而言,半导体掩膜版在最小线宽、CD 精度、位置精度等重要参数方面,均显著高于平板显示、 PCB 等领域掩膜版产品。 掩膜版是光刻过程中的重要部件,其性能的好坏对光刻有着重要影响。根据基板材质的不同,掩膜版主要可分为石英掩膜 版、苏打掩膜版和其他(包含凸版、菲林等)。
掩膜版通常由基板和遮光膜组成,其中最重要的原材料是掩膜基板。基板衬底在透光性及稳定性等方面性能要求较高, 须做到表面平整,无夹砂、气泡等微小缺陷。由于石英玻璃的化学性能稳定、光学透过率高、热膨胀系数低,近年来已成 为制备掩膜版的主流原材料,被广泛应用于超大规模集成电路掩膜版制作。目前,石英掩膜版和苏打掩膜版是最常见的两 种主流产品,均属于玻璃基板。 遮光膜分为硬质遮光膜和乳胶遮光膜,其中乳胶遮光膜主要用于 PCB、触控等场景;硬质遮光膜材料主要包括铬、硅、 硅 化钼、氧化铁等,在各类硬质遮光膜中,由于铬材料机械强度高、可形成细微图形,因此铬膜成为硬质遮光膜的主流。 掩膜版成本构成以直接材料和制造费用为主,分别占比 67%和 29%。其中直接材料主要包括掩膜版基板、遮光膜及其他辅 助材料等,掩膜版基板占直接材料的比重超过 90%。
掩膜版制造工艺复杂,加工工艺流程主要包括 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,其中光刻技术是掩膜版制造的重要环节。光刻需要先对掩膜基板 涂胶(通常是正性光刻胶),后通过光刻机对表面进行曝光,通常以 130nm 为分界,130nm 以上的光刻设备采用激光直写 设备,但随着掩膜版的线宽线距越来越小,曝光过程中就会出现严重的衍射现象,导致曝光图形边缘分辨率较低,图形失 线nm 及以下通常需采用电子束光刻完成。
关键参数量测及检测环节对掩膜版的质量及良率至关重要,其中需对掩膜版关键尺寸(CD,Critical Dimension)、套刻精 度(Overlay)等关键参数进行测量,同时需使用自动光学检测设备(AOI,Automatic Optical Inspection)检测掩膜版制造 过程产生的缺陷,如产品表面缺陷(Defect)、线条断线(Open)、线条短接(Short)、白凸(Intrusion)、图形缺失等以及 通过激光等对掩膜版生产过程中的缺陷及微粒进行修复。
全球半导体材料市场规模近年来稳步增长,受需求提升叠加晶圆产能转移带动,我国半导体材料市场规模加速提升:从 2019 年的 87 亿美元增长至 2021 年的 119 亿美元,年复合增长率为 16.95%,增速远超海外市场。从细分领域看,半导体 掩膜版占比约 12%,与电子特气占比相当。
根据与下游晶圆厂商是否形成配套,当前半导体掩膜版生产商主要分为晶圆厂自建(In-house)及独立第三方两大类。具 体来看,28nm 及以下先进制程由于制造工艺复杂以及工艺机密等问题,晶圆厂所需掩膜版主要依赖内部工厂生产,如英特 尔、三星、台积电、中芯国际等公司;对于成熟制程而言,出于降本考虑,在满足技术要求下,晶圆厂更倾向于向独立第 三方采购。 海外掩膜版生产商起步较早,技术积累相对深厚,当前仍占据全球三方掩膜版主要市场份额。三家龙头企业日本 Toppan、 美国 Photronics、以及日本DNP 占全球市场份额比重合计超过80%。国内掩膜版厂商整体处于加速追赶阶段,当前主要包 括中芯国际光罩厂、华润迪思微(原华润掩膜,华润微电子子公司)、中微掩膜、龙图光罩、清溢光电、路维光电、中国台 湾光罩等。其中,中芯国际光罩厂及华润迪思微均为晶圆厂配套工厂,华润迪思微部分掩膜版对外销售。
全球范围来看,半导体掩膜版市场规模近年来稳步增长,2021年达49.9亿美元,2023年预计可增长至53.9亿美元,2020- 2023 年 CAGR 近 7%。分制程来看,2022 年130nm 以上成熟制程占据主要市场份额,出货量占比约 54%,28-90nm 占比 约 33%,22nm 以下先进制程出货量占比仅 13%。
当前来看,半导体三方掩膜版厂商产能主要集中在成熟制程领域,海外头部掩膜版厂商大多已具备 EUV 掩膜版量产能力, 其中 Photronics 及 DNP 技术节点已达 5nm,Toppan半导体掩膜版技术节点达14nm,中国光罩主要产能集中于65nm 以上制程,预计 2023 年 Q4实现 40nm 制程量产,2025 年实现 28nm 量产。国内掩膜版企业相对而且仍有较大发展空间, 当前基本均处于350-130nm 制程范围内,其中龙图光罩2022年掩膜版工艺节点提升至130nm,路维光电已实现250nm半 导体掩膜版量产,并掌握了 180/150nm 节点的核心制造技术。
半导体掩膜版毛利率整体高于平板显示。在掩膜版精度方面,通常用 CD 精度来衡量掩膜版图形特征尺寸与设计值的偏差, 表征掩膜版图形特征尺寸均匀性。相对于平板显示、PCB 等领域掩膜版产品而言,半导体掩膜版在最小线宽、CD 精度、 位置精度等重要参数方面,均有显著提升,因此通常定价水平更高,同时在半导体器件领域,下游客户对生产模具的价格 敏感性更低,因此半导体掩膜版毛利率水平一般更高。
高阶制程半导体掩膜版毛利率显著提升。随着工艺技术创新步伐加快,芯片加速迈向先进制程,半导体掩膜版制程同步提 升,毛利率加速改善。以中国光罩为例,2019 年半导体掩膜版低于 130nm 制程的产品销售占比仅 6%,2021 年已提 升至 32%,对应整体毛利率由 2019 年的 30.9%大幅提升至 2021 年的47.6%。此外,路维光电及龙图光罩等境内三方掩膜 版厂商近年来也受益于制程节点的逐步突破及产品良率的改善,市场地位及定价能力有所提升,毛利率总体稳中有升,路 维光电半导体掩膜版毛利率由 2019 年的 36%提升至 2021 年的 51.3%,龙图光罩由 2020 年的 54.4%提升至 2022 年的 57.7%。
半导体掩膜版具有一定抗周期特性。从半导体掩膜版龙头厂 photronics 及中国光罩销售表现来看,与下游半导体销售 相比,在半导体景气下行周期内,掩膜版的营收增速下滑幅度相对较小,体现出一定的抗周期性;同时 photronics 掩膜版 业务在部分周期内表现出一定的领先性,较下游半导体销售率先达到景气拐点。原因在于当半导体行业处于下行周期,晶 圆制造厂商的产能利用率下降,为了提升产能利用率,晶圆制造厂倾向于向中小芯片设计公司提供代工服务,因此半导体 产品类型得以增加,掩膜版需求量提升;另外,当下游需求低迷时,芯片设计公司或有意愿通过开发新产品打开市场,也 会带来对掩膜版的增量需求。
福尼克斯(Photronics)成立于 1969 年,是世界上领先的掩膜版制造商之一,也是北美第一大掩膜版制造厂商。公司于 1987 年在纳斯达克上市,在北美、英国、德国、日本、中国、韩国和新加坡都设有制造和销售中心。福尼克斯目前在 全球范围内拥有十一家工厂,产品均为石英掩膜版,主要用于半导体芯片和显示面板行业。 福尼克斯作为独立第三方掩膜版厂商,是目前少数几家目前可以提供先进工艺所需掩膜版的厂商之一,其二元 OPC掩膜版 已经可以支持到14nm 到28nm的工艺节点,而PSM相移技术的加入,进一步提高了图形曝光分辨率,使其得以突破14nm, 可以提供 5nm 及之后节点的 EUV(Extreme Ultra-Violet,极紫外光刻)掩膜版。
2022年福尼克斯实现营业收入 8.25亿美元,同比增加24%;IC板块收入 5.93亿美元,同比增加29%,其中28nm及以下 先进制程产品(高端产品)占比相对较低,仍以 28nm 以上制程产品为主。下游客户主要包括联华电子、三星等,前五大 客户收入合计占比超过 45%。
Toppan(凸版印刷株式会社)成立于1908年,2022年4月,Toppan与日本私募股权公司Integral Corporation成立Toppan photomask,独立其半导体掩膜版业务,并强化半导体掩膜版和 FC-BGA 基板的研发和销售。在技术方面,Toppan同样着 力于开发 EUV 光刻掩膜版,目前已具有量产能力。 Toppan 在全球拥有 8 个生产基地,是世界上唯一一家在北美、欧洲、亚洲均设有生产基地的供应商。Toppan 上海工厂以 生产 66/55nm 制程掩膜版为主,2019 年起开始生产28/14nm 的先进制程掩膜版。Toppan 的竞争优势在于生产和销售网络 遍布全球,以应对地缘风险,客户源较稳定。 2022 财年,Toppan 电子事业部(包含半导体业务和显示元器件业务)共实现营业收入 2553 亿日元,同比增长20.6%,半 导体业务实现营收 1591 亿日元,占比超 60%。展望 2025 年,公司中期计划实现营业收入 2950 亿日元,半导体业务占比 将进一步提升。
DNP(大日本印刷株式会社)成立于1876年,涉及以印刷技术为核心的多个业务领域,是世界上首次采用多电子光束绘制 设备制造掩膜版的企业,掩膜版产品不仅可用于当下最先进的 EUV 光刻,还可用于 5nm 高端制程。此外 DNP 还通过与 IMEC(比利时微电子研究中心)合作,推进 3nm 及以下的更高制程产品的工艺研发。 2022 年 11 月,DNP 宣布拟投资 200 亿日元,在位于日本福冈县北九州市的黑崎工厂新设产线,用于生产 OLED精细金属 掩膜版。新产线 年上半年投产。扩产后,DNP 将凭借在智能手机应用掩膜版市占率第一的优势向平板、笔记 本电脑方向扩大业务量。 2022 财年 DNP 电子业务板块实现营收 2036 亿日元,毛利率为 22%。在电子业务中,引线框架和半导体封装组件销售额 均有所下滑,只有掩膜版业务增长强劲,带动了电子板块销售额实现同比增长。展望 2025 年,公司预计在电子业务板块实 现 2300 亿日元的营业收入。
全球晶圆产能正逐步向我国转移,需求空间加速打开。2015-2021 年中国生产的 12 寸晶圆产能在全球的占比从 9.7% 逐步升至 16%,未来随着新建晶圆厂产能逐步落地,掩膜版需求空间有望进一步打开。SEMI 预计中国 2022 年-2026 年还将新增 25 座 12 英寸晶圆厂,总规划月产能将超过 160 万片;预计到 2026 年底,中国 12 英寸晶圆厂的总月产能 将超过 276.3 万片,全球占比也将自 2022 年的 22%提升至 2026 年的 25%。晶圆产能转移有望进一步打开掩膜版需求空 间,国内掩膜版技术研发加速趋势下,三方掩膜版厂商有望实现市场份额的快速提升。
掩膜版进口受限。2022 年 10 月,美国商务部公布的修订后的《出口管理条例》中,加大对于半导体设备及零部件的供货 限。