光刻技术在泛半导体领域内的应用情况
思瀚产业研究院 芯碁微装    2024-04-15

目前，在泛半导体领域，根据是否使用掩膜版，光刻技术主要分为直写光刻与掩膜光刻。其中，掩膜光刻可进一步分为接近/接触式光刻以及投影式光刻。

泛半导体主要光刻技术分类

以上光刻技术的具体示意图如下：

直写光刻、接近/接触式光刻以及投影式光刻示意图

①掩膜光刻技术原理

掩膜光刻由光源发出的光束，经掩膜版在感光材料上成像，具体可分为接近、接触式光刻以及投影光刻。相较于接触式光刻和接近式光刻技术，投影式光刻技术更加先进，通过投影的原理能够在使用相同尺寸掩膜版的情况下获得更小比例的图像，从而实现更精细的成像。目前，投影式光刻在最小线宽、对位精度、产能等核心指标方面能够满足各种不同制程泛半导体产品大规模制造的需要，成为当前 IC 前道制造、IC 后道封装以及 FPD 制造等泛半导体领域的主流光刻技术。

②直写光刻技术原理

直写光刻也称无掩膜光刻，是指计算机控制的高精度光束聚焦投影至涂覆有感光材料的基材表面上，无需掩膜直接进行扫描曝光。直写光刻根据辐射源的不同大致可进一步分为两大主要类型：一种是光学直写光刻，如激光直写光刻；另一种是带电粒子直写光刻，如电子束直写、离子束直写等。直写光刻在泛半导体领域中的掩膜版制版及器件制造中的技术特征如下：

A、掩膜版制版领域

直写光刻技术能够在计算机控制下按照设计好的图形直接成像，容易修改且制作周期较短，成为目前泛半导体掩膜版制版的主流技术。其中，激光直写光刻技术是指计算机控制的高精度激光束根据设计的图形聚焦至涂覆有感光材料的基材表面上，无需掩膜，直接进行扫描曝光的精密、微细、智能加工技术，主要应用于 FPD 制造所需的掩膜版制版及 IC 制造所需的中低端掩膜版制版领域。

带电粒子直写光刻技术与激光直写光刻技术的原理相同，只是将辐射源用带电粒子束取代激光光束，能够实现更高的光刻精度，主要应用于 IC 制造所需的高端掩膜版制版领域。

B、泛半导体器件制造领域

直写光刻技术受限于生产效率与光刻精度等方面因素，目前还无法满足泛半导体产业大规模制造的需求。

主要原因：一是带电粒子直写光刻技术的生产效率较低，且在大规模生产中会产生较为严重的邻近效应（电子散射会导致电子的运动方向发生偏离，散射电子会超出原有的束斑尺寸范围，对于邻近束斑的非曝光区域，抗蚀剂层吸收了部分偏离束斑尺寸电子的能量而发生曝光），严重影响图形的分辨率及精度；二是激光直写光刻技术受限于激光波长，在光刻精度上不如电子束、离子束等带电粒子直写光刻技术，还无法满足高端半导体器件制造的需求。

但是，泛半导体器件具有类型多样化、升级迭代快的特点，特定型号的掩膜版使用寿命相对较短，进一步加剧了高昂的掩膜版投入成本，尤其是新产品研发成本高、周期长。

受上述因素影响，行业内企业逐步提高了对无需掩膜版的直写光刻设备研发的重视程度，以期提高其生产效率。目前直写光刻技术已经在科研、军工以及特种器件等特定领域内实现一定程度的产业化应用。

③掩膜光刻技术和直写光刻技术在泛半导体领域不同细分市场的应用情况对比

在泛半导体的产业化生产中，掩膜光刻与直写光刻在下表不同细分市场所要求的光刻精度（最小线宽）具有明显差别。

A、IC 前道制造领域

掩膜光刻中的投影式光刻技术发展成熟，在实现高精度的同时还能实现高效的大批量生产，符合大规模 IC 产业化生产的需求，目前 IC 前道制造掩膜光刻设备市场被荷兰 ASML、日本 Nikon、Canon 所垄断，其中荷兰 ASML 处于全球领先地位，国内厂商仅有上海微电子等企业能够实现投影式光刻设备的产业化。在 IC 制造直写光刻领域，目前芯碁微装、天津芯硕等国内企业能够实现直写光刻设备的产业化，国外竞争对手主要包括德国 Heidelberg 等。

B、IC、FPD 掩膜版制版领域

掩膜版制版基本使用直写光刻技术。采用激光为辐射源的直写光刻设备领域，主要厂商为瑞典 Mycronic、德国 Heidelberg 等企业，其中瑞典 Mycronic 处于全球领先地位。国内企业中，芯碁微装、江苏影速、天津芯硕等企业能够实现此类设备的产业化，芯碁微装在激光掩膜版制版领域的技术水平（最小线宽、产能效率等关键指标）已经能够与德国 Heidelberg 进行竞争。在采用带电粒子束作为辐射源的直写光刻设备领域，主要厂商为日本 JEOL、ELIONIX、NuFlare、ADVANTEST 以及德国 Vistec、Raith 等。

C、IC 后道封装领域

在 IC 后道封装领域，随着半导体产业的不断发展，摩尔定律逐渐减弱，技术节点的变迁以及晶圆尺寸的变化速度逐步放缓。采用更为先进的封装技术成为 IC 芯片实现更小尺寸、更低成本、更高性能的有效手段，以晶圆级封装（WLP）、3D 封装、硅通孔（TSV）等封装技术为代表的先进封装技术得到了快速发展。

目前，在 IC 先进封装领域，掩膜光刻技术是产业中应用的主流技术，主要厂商以日本 ORC、美国 Rudolph 等日本、欧美地区企业为主，我国企业中仅有上海微电子等企业能够参与市场竞争。

近年来，针对掩膜光刻在对准的灵活性、大尺寸封装以及自动编码等方面存在局限的情况，日本 SCREEN、USHIO 等泛半导体光刻设备厂商已经成功研制了用于 IC 先进封装的激光直写光刻设备。根据全球半导体研究机构 YoleDevelopment 预测，激光直写光刻技术在 IC 先进封装领域内的应用将在未来三年内逐步成熟并占据一定的市场份额，具有良好的市场应用前景。

D、FPD 制造领域

根据显示面板制造所使用玻璃基板的尺寸不同，显示面板产品可分为不同世代。例如，应用于智能手机显示面板制造的多为第 6 代玻璃基板（尺寸为1,500*1,850mm），应用于 65 寸电视机显示面板制造的多为 10.5 代玻璃基板（尺寸为 2,940*3,370mm）。目前 FPD 高世代产线均采用投影式光刻技术，在保证曝光精度要求的同时还能实现高效的大批量生产，符合大规模 FPD 产业化生产的需求。

目前，FPD投影式光刻设备的主要厂家包括日本 Nikon、Canon、美国 Rudolph 以及国内的上海微电子等，其中日本 Nikon 和 Canon 两家占据 FPD 高端光刻设备的主要市场份额。直写光刻技术在高世代产线中还未有产业化的应用，但是在低世代产线中直写光刻设备能够实现最小线宽低于 1μm 的光刻精度，可以应用在面板客户小批量、多批次产品的生产以及新产品的研发试制。

④直写光刻技术应用前景

除掩膜版制版基本使用直写光刻技术外，目前直写光刻技术在泛半导体领域是掩膜光刻技术的有益补充，并在特定场景下的器件光刻工艺环节中起着不可替代的作用。具体体现在：

A、直写光刻技术

向 IC 封装、FPD 制造等领域扩展一方面，IC 及元器件的高度集成化发展对光刻设备制造精度的要求不断提升，导致掩膜光刻所需的掩膜版成本急剧上升，成为下游应用厂商的成本控制痛点。

为解决掩膜版成本昂贵的问题，上游设备厂商通过不断研发升级直写光刻技术来满足下游应用厂商的需求。因此，近年来直写光刻技术应用领域开始不断向 IC 封装、FPD 制造等领域扩展。

B、直写光刻技术

在科研院所、产线试验、军工企业等特殊应用场景的应用在科研院所、产线试验、军工企业等特殊应用场景下，直写光刻设备体现了特定的优势。如科研院所、产线试验需要进行大量样本的试生产，不同批次样品间具有一定差异，每个批次需要单独开模，导致掩膜版的开模费用高，且掩膜版制版产能十分有限，生产交付周期较长；在军工等涉密应用场景下，由于目前掩膜光刻设备基本被外国企业垄断，使用具有自主核心技术的直写光刻设备，能够满足保密性需求。