半导体系列深度报告：走向更高端，国产掩膜版厂商2.0时代开启
走向更高端，国产掩膜版厂商2.0时代开启 半导体系列深度报告 分析师：熊军SAC执业证书编号：S0910525050001分析师：王臣复SAC执业证书编号：S0910523020006报告日期：2025年08月20日 本报告仅供华金证券客户中的专业投资者参考请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 核心观点 u掩膜版是微电子制造过程中的图形转移母版，是平板显示、半导体、触控、电路板等行业生产制造过程中重要的关键材料。作为光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜版是连接工业设计和工艺制造的关键，掩膜版的精度和质量水平会直接影响最终下游制品的优品率。根据国际半导体产业协会（SEMI）的统计分析，2019年半导体晶圆制造材料的市场规模达322亿美元，其中，成本占比最高的是硅片，其次就是掩膜版和半导体气体，分别占比约13%。 u平板显示领域，中国大陆作为全球最大的面板生产制造基地和研发应用中心，根据Omdia2024年相关报告，其平板显示产能超过全球产能的60%，但上游核心材料之一的掩膜版目前仍然是美国和日韩的掩膜版厂商处于垄断地位，国内清溢光电、路维光电处于不断追赶渗透率持续提升到过程。 u半导体领域，根据路维光电2024年年报统计显示，根据多方机构预测需求综合研判，预计2025年国内半导体掩膜版市场规模在约为187亿人民币，其中晶圆制造用掩膜版预计为100亿元人民币，封装用掩膜版预计为26亿元人民币，其他器件用掩膜版为61亿元人民币。目前国内厂商掩膜版营收体量整体来说相对较低，各厂商正处于技术持续升级、新高端产能即将陆续释放、半导体掩膜版渗透率由1走向N的阶段。 u投资建议：清溢光电（重点推荐）、路维光电（建议关注）、龙图光罩（建议关注） u风险提示：市场竞争加剧的风险、下游需求不景气的风险、产品升级和客户导入不及预期、汇率波动风险、国际地缘风险。 目录 掩膜版生产具有较高的技术壁垒 掩膜版市场广阔且国产渗透率较低 高端掩膜版需要更先进设备和材料配套 投资建议 风险提示 1.1光刻工艺是半导体制造核心流程 Ø光刻工艺是半导体制造的核心流程，工艺流程包括：来料清洗，烘干，HDMS增粘，冷板，涂胶，前烘，冷板，去边，曝光，后烘，冷板，显影，清洗，坚膜。光刻工艺通过上述流程将具有细微几何图形结构的光刻胶留在衬底上，再通过刻蚀等工艺将该结构转移到衬底上。 1.2掩模版是光刻工艺中的关键耗材 Ø掩模版的作用是将承载的电路图形通过曝光的方式转移到硅晶圆等基体材料上，从而实现集成电路的批量化生产。Ø半导体器件和结构是通过生产工艺一层一层累计叠加形成的，芯片设计版图通常由十几层到数十层图案组成，芯片制造最关键的工序是将每层掩模版上的图案通过多次光刻工艺精准地转移到晶圆上。半导体光刻工艺需要一整套相互之间能准确套准的、具有特定图形的“光复印”掩模版，其功能类似于传统相机的“底片”。掩模版是半导体制造工艺中最关键的材料之一，其品质直接关系到最终产品的质量与良率。 1.3掩模版是半导体平面工艺不可缺少的材料 Ø光刻工艺是把掩模版上的IC图形通过曝光和显影等工序，转移到半导体基片表面的光刻胶上，再以所形成的抗蚀剂图形作为掩蔽层，在刻蚀工艺中可以阻挡对基片的刻蚀、在扩散工艺中可以阻挡杂志往基片内部扩散、在注入工艺中可以阻挡离子注入、在金属化工艺中可以阻挡金属膜的刻蚀形成铝引线，因此掩模版在半导体平面工艺中是不可缺少的。 Ø掩模版在设计时有着明场和暗场之分，在其与之光刻胶（正、负胶）曝光时可以根据工艺时的需要来选择设计。 1.4光掩膜版同时包含版图信息和代工工艺修正信息 1.5光刻技术不断发展以制造出更小线宽的集成电路 Ø为了更加高效地制造出具有更小线宽的高端集成电路，光刻技术和光刻机也经历了众多技术上的重大革新，分辨率的不断提高和产率的不断提升，成为光刻机不断演进的主线。 Ø瑞利判据（Raleigh criterion）是促进光刻机不断向前发展的重要理论依据，根据瑞利判据𝐀𝠀=k1∙λ𝐀𠐀,主要可以通过减小光源波长λ、降低工艺因子k1、提升投影物镜数值孔径NA这3种方式实现。 1.6掩模技术的发展与光刻技术的进步密切相关 Ø根据光刻技术所遵循瑞利准则可知，降低入射光源波长是提升光刻系统分辨率的有效方法之一，但光源波长并不是线性可选择的，以ASML为例，其从g-line光刻机发展到DUV光刻机和现在的EUV光刻机，在DUV光刻机中249nm和193nm是最常见的波长（λ），EUV光刻系统的光源波长为13.5nm。但随着时间推移，芯片的大小呈指数级缩小，会导致特定光源波长与要成像的晶体管尺寸的差距会持续扩大，物理衍射就会使图像模糊。当芯片的关键尺寸小于光源波长的时候，所需要的掩模版越来越复杂。 1.7光刻方式不同对掩模版要求不同 Ø光刻方式通常根据曝光方式分为接触式光刻、接近式光刻、投影式光刻三类。其中，对于曝光面积较大、分辨率要求相对较低的平板显示类产品，通常使用接近式光刻的方法，能够实现掩模图案与基底图案的1:1复制；对于曝光面积相对较小、精度与分辨率要求极为苛刻的半导体类产品，通常使用投影式光刻方法，能够实现掩模图案与基底图案的4:1或5:1复制。 1.8掩模版研发是一个不断探索光学物理极限的过程 Ø半导体生产工艺通常采用投影式光刻方法，在投影式光刻中，激光透过掩模版后，经过投影物镜成像到晶圆的光刻胶表面，通过掩模版对光线的遮挡或透过功能，实现掩模图案向晶圆线路图的图形转移。半导体掩模版的技术演进的过程，正是不断解决极限情况下光的干涉与衍射现象、克服物理极限的过程。 1.9光的干涉、衍射现象等会导致CD精度大幅下降 随着掩模版的线宽和线缝越来越小，当尺寸逐渐接近光刻机的波长时，曝光过程中就会出现严重的衍射现象。光的衍射现象是指光在传播过程中，遇到尺寸与波长大小相近的障碍物时，光会传到障碍物的阴影区并形成明暗变化的光强分布情况。这种情况在投影式光刻中尤为明显，激光通过掩模版的透光区和投影物镜后会出现显著的夫琅禾费衍射现象，导致曝光图形边缘的分辨率降低，图案边缘失真严重，CD精度大幅下降。 随着掩模版图形越来越复杂、线路密度越来越大，掩模版的透光区间距离便越来越短，此时曝光过程中就会出现显著的干涉现象。光的干涉是指两束相干光相遇而引起光的强度重新分布的现象。当掩模版的透光区间位置趋于接近时，从相邻两个透光区射出的光线频率相同、振动方向相近、相位差恒定，形成了相干光。两列或多列相干光在空间相遇时相互叠加，光强在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，出现了稳定的强弱分布现象。上述现象会造成晶圆感光时遮光区域仍有曝光、透光区域光强不足的情况，导致整体的对比度降低，CD精度大幅下降，从而严重影响了晶圆的电路图形质量。 这种由于光波衍射、干涉而使光刻图形与掩膜图形产生偏差的现象称为光学邻近效应。 1.10光刻增强技术（RET）是掩模版向前演进的核心技术 Ø光刻增强技术(RET: reticle enhancement technology)是为充分利用光波的基本物理特性，挖掘光学曝光技术巨大潜力，实现增强光刻分辨率的各种技术，是光刻中用来实现高分辩光刻成像质量的重要手段。随着该技术的不断突破，光刻技术得以从微米尺寸延伸至纳米尺寸。 Ø常见的光刻增强技术主要包括离轴照明（OAI）,光学邻近校正（OPC）,移相掩模（PSM）,次分辨率辅助图（SRAF）等方法。大多数RET都对掩模的形状和相位进行一定程度的改动,从而达到提高图形转移质量的目标。目前的研究和使用结果表明,分辨率增强技术中的掩模补偿技术最基本的是两种形式：改变掩模图形和改变掩模相位。两种技术的目的都是为在己有的集成电路生产工艺设备基础上制造出更小的特征尺寸,且制造出的电路和设计的电路在功能上保持一致 利用调整相位分布实现移相掩模（Phase-shifting masks，PSM）光刻技术 利用光的折射率实现浸没透镜（Immersion）光刻技术的应用 利用光的定位对准实现二次图形化（DPT）光刻技术的应用 利用软X射线反射镜和反射掩模片实现EUV光刻技术 1.11计算光刻技术引入以进一步应对更小的CD精度 随着光刻技术发展到90~45nm及以下工艺节点，集成电路的CD已经进入深亚波长量级，即CD远远小于曝光波长。此时，光波的干涉和衍射效应、厚掩膜的三维效应、光波的偏振特性、光学投影物镜像差、系统误差、光刻工艺中的变化因素（如离焦、曝光剂量变化等）都将严重影响光刻成像结果，导致光刻图形产生扭曲和失真，传统的RET技术已经无法满足光刻成像误差的补偿精度要求。为此，研究人员将RET技术原理与数学建模和数值算法相结合，提出并发展了计算光刻技术。 计算光刻技术是基于光学成像和光刻工艺模型，采用数学方法对光刻系统参数和工艺参数进行独立或综合优化设计，用于提高光刻成像精度和IC制造良率，缩短IC工艺研发周期，降低IC制造成本的一类技术的总称。90nm以下技术节点必须采用计算光刻技术来提升光刻系统的成像性能。计算光刻通常包括光学邻近效应修正（OPC）、光源-掩膜协同优化技术（SMO）、多重图形技术（MPT）、反演光刻技术（ILT）等四大技术。 1.12依照瑞利判据提升光刻分辨率的过程 1.13现代芯片制造过程中的计算光刻工具 1.14 OPC从250nm节点被引入光刻工艺中 光学邻近校正（OPC）就是使用计算方法对掩模版上的图形做修正，使得投影到光刻胶上的图形尽量符合设计要求。OPC是一种通过调整光刻掩模上透光区域图形的拓扑结构，或者在掩模上添加细小的亚分辨辅助图形，使得在光刻胶中的成像结果尽量接近掩模图形的技术。OPC技术也是一种通过改变掩模透射光的振幅，进而对光刻系统成像质量的下降进行补偿的一种技术。光学邻近效应矫正技术通常分为两大类:基于规则的技术和基于模型的技术 光学邻近效应校正首先于250nm技术节点被引入光刻工艺中。基于模型的光学邻近效应校正从90nm技术节点开始被广泛应用。它使用光学模型和光刻胶化学反应模型来计算出曝光后的图形。该方法的关键是建立精确的光刻模型，包括光学模型和光刻胶模型，为达到较高的计算速度，这些模型都采用近似模型，其中包含一系列参数，需要实验数据来进行拟合，以保证模型的精确度。 1.15光学邻近校正软件是该技术实现的抓手 ØOPC技术通过对掩模图形的边缘进行调整，如边缘偏移、细化或加粗，来补偿光学邻近效应。根据修正策略的不同，OPC主要可以分为两类：基于规则的OPC（RBOPC）和基于模型的OPC（MBOPC）。 Ø20世纪90年代开始，计算机辅助设计（CAD）技术的兴起使得自动的光学邻近效应校正成为可能。在分辨率增强技术发展过程中，OPC等计算光刻软件的重要性越来越突出。 1.16移相掩模技术引入以改善图形对比度 uPSM（Phase-Shift Mask，移相掩模）是IBM公司研究实验室于1982年提出来的一种新型掩模技术。其基本原理是利用通过不带相移层区的光线和通过带相移层区（移相器、光线相位产生180°的移动）光线之间因相位不同产生相消干涉，从而改变了空间的光强分布，实现了同一光学系统下的倍增分率的提高，提高的幅度近一倍。Ø随着移相掩模技术的发展，涌现出众多的种类，大体上可分为交替式移相掩膜技术、衰减式移相掩模技术；边缘增强型相移掩模，包括亚分辨率相移掩模和自对准相移掩模；无铬全透明移相掩模及复合移相方式(交替移相+全透明移相+衰减移相+二元铬掩模)几类。当半导体的最小线宽小于130nm后，由于光的干涉现象的存在，传统的二元掩膜版（Binary Mask）无法对晶圆进行有效曝光，因而需要采用移相掩膜（PSM）技术，在光刻中利用相位差产生的干涉来提高图像分辨率。 1.17 PSM掩模版制备工艺更复杂 相移掩模是在一般二元掩模中增加了一层相移材料，通过数据处理、电子束曝光、制作二次曝光对准用的可识别标记、二次曝光、显影、刻蚀，并对相移、缺陷等进行分析和检测，确保
