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日本對於光刻和光刻相關的各種裝置和材料長期以來都佔據重要市場地位，某些領域甚至可以說是支配地位，例如我們常說的光刻膠。除此之外，日本的光罩基板，特別是先進光刻所使用的光罩基板，在全球市場也幾乎處於領先地位，與ASML的先進光刻機相仿，一騎絕塵。
光罩基板是何物？
光罩基板(mask blank)，又稱為空白掩模，作為原材料生產帶有圖形的光罩，應用於光刻工藝中。根據光刻所需的不同要求，其結構和化學組成會有一定的區別。
一般情況下，光罩基板由高純度石英基板(Quartz substrate)，鉻(Cr)或鉬矽材料(MoSi)為主要成分的遮光層(Absorber）所構成(如下圖所示)，一些類別還帶有純鉻所覆蓋的硬掩模(Hard mask)。在基板的最上方，會塗覆100～300nm不等的光刻膠(Resist)，用以應對後續的電子束或雷射直寫曝光。
Source：Characterization of Binary and Attenuated Phase Shift Mask Blanks for 32nm Mask Fabrication, IBM & Toppan, 2008
通常，我們在許多自媒體和科普文章中都會見到鉻板掩模的說法，這種說法並不完全錯誤，但不夠完善。在早期的光刻工藝中，鉻作為遮光層被廣泛應用，直到進入248nm波長的KrF光刻時代，PSM光罩(Phase Shift Mask，相移光罩)開始大量使用。進入193nm的ArF時代，為了避免光罩的3D效應，鉻作為遮光層的厚度明顯減小，隨著浸潤式光刻時代的到來，鉻作為遮光層的時代徹底過去，具有更高光學密度的OMOG光罩隨之被大規模使用。為了在製作特殊圖形，例如通孔結構時，光刻工藝能夠擁有更好的聚焦深度(DoF)和更小的誤差擴大因子(MEEF)，以此實現更精確和穩定的圖形制作，HT PSM(高透光相移光罩)的概念被提出，並引入產線。同樣的，為了在更高的光刻機曝光能量下擁有更好的耐久度與使用壽命，HD PSM(高耐久度相移光罩)也走入產線。
日本光罩知多少？
目前，全球市場上大規模使用的光罩主要來自於日本的豪雅(Hoya)和信越(Shinetsu)，AGC。而豪雅更是其中的佼佼者，在IC半導體用的光罩基板市場佔據了絕對多數的市場份額，在豪雅官網的報告材料中亦有體現。
Source：Information Technology Business, Hoya Intergrated Report 2022, 豪雅官網
以目前國內市場來說，i line與KrF光刻所使用的光罩基板中，豪雅佔據了超過一半以上的份額，而ArF光刻所使用的光罩基板幾乎全部來自於豪雅與信越，EUV光罩基板尚處於禁運狀態無法進入中國大陸市場。目前鉻板光罩與KrF PSM光罩市場，韓國的S&ST可與豪雅在中國大陸市場展開角力，ArF PSM則滲透到55nm左右的節點，與豪雅和信越相比差距依舊巨大。值得一提的是，作為韓國半導體材料自主化的重要一環，S&ST在韓國本土影響力優勢顯著，包括EUV光罩基板在內的諸多型別的光罩基板皆有涉獵與技術路線圖，是韓國半導體技術和長期戰略的重要一環。
不過相較於全球市場上豪雅的絕對優勢，信越在大陸高階基板市場表現出色。國內所使用的OMOG基板，幾乎都來自於信越，各種先進PSM基板也以信越為主，這幾類基板幾乎很少有來自於豪雅和S&ST的競爭。
從光罩基板所需要的材料和技術的視角來看，作為光罩基板本身的高純度合成石英(fused silica)基板也是日本的強項，光學巨匠豪雅和矽化學先鋒信越在此領域的造詣深厚。前文所提及的光刻膠也是日本半導體工業的傳統強項，故而從材料上日本基板廠可以說自己動手豐衣足食。
在製造過程中，作為光罩最重要的結構遮光層的鍍膜採用了日本ULVAC的PVD裝置，根據不同型別的光罩型別，分別濺射40～100nm的不通材質的金屬薄膜。對於EUV這樣結構甚為複雜的基板型別，超20層Mo/Si(鉬與矽)複合層與Ru(釕)等鍍層需要多次進行，材料的與晶格結構的均一性和嚴格的厚度控制要求嚴苛。在此基礎上，裝置的穩定執行與工藝的know how都是質量保證的關鍵。
作為光罩基板最終質量檢測的重要一環，無圖形檢測技術也有日本的企業參與，Lasertec在業內的影響力和技術積累可以說與KLA的Flashscan不相上下。
綜上所述，日本在光罩基板領域的技術積累深厚，產業鏈完備，絕對優勢明顯。
國產光罩基板路在何方？
作為光刻工藝中必備的材料，光罩基板國產化的重要性絕不亞於一臺先進的光刻機。隨著當前國際形勢與地緣政治動盪風雲變幻，從供應鏈安全和成本管理的角度，國產光罩基板的緊迫性不言而喻，也是箭在弦上。
高純度的合成石英基板是一切的基礎，國內也已經有多家廠商具備了這方面的能力。
從全球光罩基板發展的歷程看，從鉻板光罩到PSM，再到OMOG，跨度較大，而當前國產基板還在鉻板光罩這一階段。目前國產鉻板光罩已經在許多使用者這裡開始了產線驗證，取得了較好的結果，據悉年內國產KrF PSM也有望可以向一些客戶送樣開始驗證。而更高階的ArF PSM和OMOG的研發和驗證仍杳無音訊，而即使是成熟製程，這類光罩基板的需求也必不可少。從對應技術節點看，儘管國產有所突破，但還處於初期階段，要應對高階市場的需求，還需較大投入與時間的積累。
前文提及的另一項光罩基板生產所需的技術：無圖形基板的缺陷檢測。日本有Lasertec，國內在近期也取得了一些突破。
除此之外，光罩基板的開發和製造除了鍍膜工藝的研發，也涉及一些材料固有的光學性質和化學特性相關的研究。豪雅與信越與光罩廠裝置供應商也保持良好關係，對圖形寫入的CDU(關鍵尺寸均一性)，刻蝕前驅體選擇性以及化學清洗藥劑的耐受度，都做了相當深入的研究。豪雅還建立了自己的光罩廠，實現自產自銷的同時也更瞭解終端使用者的需求。因此國產基板需要發展，也應當與光罩廠和裝置廠商緊密合作，瞭解光罩廠的技術需求和工藝特點，進行對應的開發和改善。如能夠透過國際大廠完成一些驗證和開發，也是面向全球市場的一大機會。
Source：A New EUV Actinic Reticle Inspection Beamline at SSRF, IWAPS 2024
去年，IWAPS上也有一些較為前沿的成果公佈。例如來自上海某公司的EUV光化缺陷檢測和複檢裝置，不僅驗證了EUV同步輻射光源的光學成像能力，還採用了由國產供應鏈和高校合作提供的EUV光罩進行實驗。文中還鳴謝了某國產基板廠商提供的石英基板和某高校提供的Mo/Si複合層的鍍膜，有興趣的朋友可以參見IWAPS 2024的相關公開資料。
儘管國產先進基板尚需時日，但技術問題的解決也必然需要遵循其客觀規律，從實驗室到產線驗證並非一日之功。筆者作為一線工程師也希望能夠儘早用上國產光罩基板，更希望可以早日見到國產EUV光罩基板進入產線。
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