日本对于光刻和光刻相关的各种设备和材料长期以来都占据重要市场地位，某些领域甚至可以说是支配地位，例如我们常说的光刻胶。除此之外，日本的光罩基板，特别是先进光刻所使用的光罩基板，在全球市场也几乎处于*地位，与ASML的先进光刻机相仿，一骑绝尘。
光罩基板是何物？
光罩基板(mask blank)，又称为空白掩模，作为原材料生产带有图形的光罩，应用于光刻工艺中。根据光刻所需的不同要求，其结构和化学组成会有一定的区别。
一般情况下，光罩基板由高纯度石英基板(Quartz substrate)，铬(Cr)或钼硅材料(MoSi)为主要成分的遮光层(Absorber）所构成(如下图所示)，一些类别还带有纯铬所覆盖的硬掩模(Hard mask)。在基板的最上方，会涂覆100～300nm不等的光刻胶(Resist)，用以应对后续的电子束或激光直写曝光。
Source：Characterization of Binary and Attenuated Phase Shift Mask Blanks for 32nm Mask Fabrication, IBM & Toppan, 2008
通常，我们在许多自媒体和科普文章中都会见到铬板掩模的说法，这种说法并不完全错误，但不够完善。在早期的光刻工艺中，铬作为遮光层被广泛应用，直到进入248nm波长的KrF光刻时代，PSM光罩(Phase Shift Mask，相移光罩)开始大量使用。进入193nm的ArF时代，为了避免光罩的3D效应，铬作为遮光层的厚度明显减小，随着浸润式光刻时代的到来，铬作为遮光层的时代彻底过去，具有更高光学密度的OMOG光罩随之被大规模使用。为了在制作特殊图形，例如通孔结构时，光刻工艺能够拥有更好的聚焦深度(DoF)和更小的误差扩大因子(MEEF)，以此实现更精确和稳定的图形制作，HT PSM(高透光相移光罩)的概念被提出，并引入产线。同样的，为了在更高的光刻机曝光能量下拥有更好的耐久度与使用寿命，HD PSM(高耐久度相移光罩)也走入产线。
日本光罩知多少？
目前，全球市场上大规模使用的光罩主要来自于日本的豪雅(Hoya)和信越(Shinetsu)，AGC。而豪雅更是其中的佼佼者，在IC半导体用的光罩基板市场占据了*多数的市场份额，在豪雅官网的报告材料中亦有体现。
Source：Information Technology Business, Hoya Intergrated Report 2022, 豪雅官网
以目前国内市场来说，i line与KrF光刻所使用的光罩基板中，豪雅占据了超过一半以上的份额，而ArF光刻所使用的光罩基板几乎全部来自于豪雅与信越，EUV光罩基板尚处于禁运状态无法进入中国大陆市场。目前铬板光罩与KrF PSM光罩市场，韩国的S&ST可与豪雅在中国大陆市场展开角力，ArF PSM则渗透到55nm左右的节点，与豪雅和信越相比差距依旧巨大。值得一提的是，作为韩国半导体材料自主化的重要一环，S&ST在韩国本土影响力优势显著，包括EUV光罩基板在内的诸多类型的光罩基板皆有涉猎与技术路线图，是韩国半导体技术和长期战略的重要一环。
不过相较于全球市场上豪雅的*优势，信越在大陆高端基板市场表现出色。国内所使用的OMOG基板，几乎都来自于信越，各种先进PSM基板也以信越为主，这几类基板几乎很少有来自于豪雅和S&ST的竞争。
从光罩基板所需要的材料和技术的视角来看，作为光罩基板本身的高纯度合成石英(fused silica)基板也是日本的强项，光学巨匠豪雅和硅化学先锋信越在此领域的造诣深厚。前文所提及的光刻胶也是日本半导体工业的传统强项，故而从材料上日本基板厂可以说自己动手丰衣足食。
在制造过程中，作为光罩最重要的结构遮光层的镀膜采用了日本ULVAC的PVD设备，根据不同类型的光罩类型，分别溅射40～100nm的不通材质的金属薄膜。对于EUV这样结构甚为复杂的基板类型，超20层Mo/Si(钼与硅)复合层与Ru(钌)等镀层需要多次进行，材料的与晶格结构的均一性和严格的厚度控制要求严苛。在此基础上，设备的稳定运行与工艺的know how都是质量保证的关键。
作为光罩基板最终质量检测的重要一环，无图形检测技术也有日本的企业参与，Lasertec在业内的影响力和技术积累可以说与KLA的Flashscan不相上下。
综上所述，日本在光罩基板领域的技术积累深厚，产业链完备，*优势明显。
国产光罩基板路在何方？
作为光刻工艺中必备的材料，光罩基板国产化的重要性绝不亚于一台先进的光刻机。随着当前国际形势与地缘政治动荡风云变幻，从供应链安全和成本管理的角度，国产光罩基板的紧迫性不言而喻，也是箭在弦上。
高纯度的合成石英基板是一切的基础，国内也已经有多家厂商具备了这方面的能力。
从全球光罩基板发展的历程看，从铬板光罩到PSM，再到OMOG，跨度较大，而当前国产基板还在铬板光罩这一阶段。目前国产铬板光罩已经在许多用户这里开始了产线验证，取得了较好的结果，据悉年内国产KrF PSM也有望可以向一些客户送样开始验证。而更高端的ArF PSM和OMOG的研发和验证仍杳无音讯，而即使是成熟制程，这类光罩基板的需求也必不可少。从对应技术节点看，尽管国产有所突破，但还处于初期阶段，要应对高端市场的需求，还需较大投入与时间的积累。
前文提及的另一项光罩基板生产所需的技术：无图形基板的缺陷检测。日本有Lasertec，国内在近期也取得了一些突破。
除此之外，光罩基板的开发和制造除了镀膜工艺的研发，也涉及一些材料固有的光学性质和化学特性相关的研究。豪雅与信越与光罩厂设备供应商也保持良好关系，对图形写入的CDU(关键尺寸均一性)，刻蚀前驱体选择性以及化学清洗药剂的耐受度，都做了相当深入的研究。豪雅还建立了自己的光罩厂，实现自产自销的同时也更了解终端用户的需求。因此国产基板需要发展，也应当与光罩厂和设备厂商紧密合作，了解光罩厂的技术需求和工艺特点，进行对应的开发和改善。如能够通过国际大厂完成一些验证和开发，也是面向全球市场的一大机会。
Source：A New EUV Actinic Reticle Inspection Beamline at SSRF, IWAPS 2024
去年，IWAPS上也有一些较为前沿的成果公布。例如来自上海某公司的EUV光化缺陷检测和复检设备，不仅验证了EUV同步辐射光源的光学成像能力，还采用了由国产供应链和高校合作提供的EUV光罩进行实验。文中还鸣谢了某国产基板厂商提供的石英基板和某高校提供的Mo/Si复合层的镀膜，有兴趣的朋友可以参见IWAPS 2024的相关公开资料。
尽管国产先进基板尚需时日，但技术问题的解决也必然需要遵循其客观规律，从实验室到产线验证并非一日之功。笔者作为一线工程师也希望能够尽早用上国产光罩基板，更希望可以早日见到国产EUV光罩基板进入产线。
