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2023-2028年半導(dǎo)體掩模版行業(yè)行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 龍圖光罩    2023-10-16

1、邏輯工藝路線和特色工藝路線是半導(dǎo)體發(fā)展的兩大方向

邏輯工藝路線和特色工藝路線是當(dāng)今半導(dǎo)體工藝兩大方向，代表了兩種產(chǎn)品性能提升的方式（線寬縮小與功能集成）。兩者發(fā)展趨勢(shì)如下圖所示：

先進(jìn)邏輯工藝按照摩爾定律的規(guī)律，不斷追求工藝節(jié)點(diǎn)的縮小，從而滿足對(duì)于算力和速度提高的需求，以及功耗降低的需求；特色工藝路線是指以“超越摩爾定律（More than Moore）”為指導(dǎo)，不完全依賴縮小晶體管特征尺寸，而是通過聚焦新材料、新結(jié)構(gòu)、新器件的研發(fā)創(chuàng)新與運(yùn)用，強(qiáng)調(diào)定制化和技術(shù)品類多元性的半導(dǎo)體晶圓制造工藝。特色工藝通過持續(xù)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)與制造工藝，最大化發(fā)揮不同器件的物理特性來(lái)提升產(chǎn)品性能及可靠性。

先進(jìn)邏輯工藝與特色工藝并非是相互割裂、非此即彼的關(guān)系，隨著對(duì)半導(dǎo)體性能需求的不斷提升，先進(jìn)邏輯芯片也會(huì)采用優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)或集成其他工藝模塊的特色工藝技術(shù)來(lái)提升性能，如應(yīng)用于高性能 CPU 領(lǐng)域的 3D 封裝技術(shù)；特色工藝芯片也會(huì)通過適當(dāng)?shù)乜s小晶體管線寬來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的單位性能和能耗比。

以功率半導(dǎo)體為例，為了提高開關(guān)頻率和功率密度、降低功耗，功率半導(dǎo)體的制程工藝不斷進(jìn)步，從最初的 10μm 逐步縮小至目前主流的 0.5μm~130nm 左右；同時(shí)，在器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，功率器件經(jīng)歷了平面、溝槽、超級(jí)結(jié)等器件結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步提高了器件的功率密度和工作頻率；而在材料方面，新興的第三代半導(dǎo)體功率器件采用了碳化硅、氮化鎵材料，進(jìn)一步提升了器件的開關(guān)特性、降低了功耗，也優(yōu)化了其耐高溫、耐高壓特性。

功率半導(dǎo)體在多年的發(fā)展中，將線寬縮小與結(jié)構(gòu)、材料優(yōu)化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了性能的飛躍。由于摩爾定律不可避免地趨向物理極限，IC 制造成本的不斷飆升使工藝尺寸的縮小變得愈發(fā)艱難。與開支大、折舊多、功能較為單一的邏輯工藝相比，特色工藝有著更強(qiáng)的盈利穩(wěn)定性和功能多樣性。因此，特色工藝路線是未來(lái)半導(dǎo)體制造發(fā)展的重要方向之一。

以臺(tái)積電為代表的先進(jìn)制程巨頭也在加快特色工藝布局，根據(jù)臺(tái)積電 2022年技術(shù)論壇，臺(tái)積電特色工藝產(chǎn)能占臺(tái)積電成熟制程產(chǎn)能的比重將會(huì)從 2018 年的 45%提升至 2022 年的 63%，與 2021 年相比，2022 年 12 寸晶圓的特色工藝產(chǎn)能會(huì)增長(zhǎng) 14% ；中芯國(guó)際也大力布局特色工藝，2018 年中芯國(guó)際和紹興國(guó)資委等資本共同成立紹興中芯集成電路制造股份有限公司，專門面向 MEMS、MOSFET 和 IGBT 等特色工藝領(lǐng)域，致力于打造綜合性特色工藝基地。

2、半導(dǎo)體掩模版最小線寬及精度隨著半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步而不斷提升半導(dǎo)體產(chǎn)品

隨著工藝技術(shù)進(jìn)步和性能提升，線寬越來(lái)越窄，對(duì)上游掩模版的工藝水平和精度控制能力提出了更高要求。為了解決掩模版制作過程中由于線寬逐步縮小帶來(lái)的諸多難題，以 OPC 光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)、PSM 相移掩模版技術(shù)、電子束光刻技術(shù)為代表的一系列圖形分辨率增強(qiáng)技術(shù)興起并快速發(fā)展。

3、特色工藝半導(dǎo)體快速發(fā)展，對(duì)掩模版定制化要求越來(lái)越高

特色工藝半導(dǎo)體主要包括功率半導(dǎo)體（含第三代半導(dǎo)體）、MEMS 傳感器、先進(jìn)封裝、電源管理芯片、模擬芯片等工藝平臺(tái)，近年來(lái)隨著新能源汽車、光伏發(fā)電、自動(dòng)駕駛、新一代移動(dòng)通信、人工智能等新技術(shù)的不斷成熟，工業(yè)控制、汽車電子等半導(dǎo)體主要下游制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)進(jìn)程加快，特色工藝半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅速。

特色工藝不完全依賴縮小晶體管特征尺寸，而是聚焦于新材料、新結(jié)構(gòu)、新器件的研發(fā)創(chuàng)新與運(yùn)用，強(qiáng)調(diào)定制化和技術(shù)品類多元性。由于下游特色工藝半導(dǎo)體高度定制化，平臺(tái)繁多、種類龐雜、領(lǐng)域眾多，且通常會(huì)集成多種功能，這對(duì)于第三方掩模版廠商的定制化服務(wù)能力提出了更高的要求，掩模版廠商需要有足夠的技術(shù)儲(chǔ)備才能滿足快速發(fā)展的特色工藝半導(dǎo)體的定制化要求。

4、芯片光刻層數(shù)增加，導(dǎo)致掩模版的張數(shù)增加，數(shù)據(jù)處理難度加大，套刻精度控制要求更高

思瀚《2023-2028年中國(guó)半導(dǎo)體掩模版行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀與投資前景分析報(bào)告》顯示隨著終端產(chǎn)品的功能日趨復(fù)雜，半導(dǎo)體產(chǎn)品的集成度持續(xù)提高，晶圓制造的工藝不斷進(jìn)步。隨著芯片堆疊層數(shù)的增加，半導(dǎo)體器件與集成電路的電路圖也越發(fā)復(fù)雜，晶圓表面需要光刻的圖案由傳統(tǒng)的二維電路圖像發(fā)展成含有多層結(jié)構(gòu)的三維電路圖像，這也導(dǎo)致半導(dǎo)體掩模版的張數(shù)不斷增加，CAM 版圖處理的難度進(jìn)一步加大，掩模版的套刻精度控制也更加困難。