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作者：暢秋
對于半導(dǎo)體行業(yè)而言，光刻技術(shù)和設(shè)備發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用，是必不可少的。
所謂光刻，就是將設(shè)計(jì)好的圖形從掩模版轉(zhuǎn)印到晶圓表面的光刻膠上所使用的技術(shù)。光刻技術(shù)最先應(yīng)用于印刷工業(yè)，之后長期用于制造印刷電路板（PCB），1950年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的興起，光刻技術(shù)開始用于制造晶體管和集成電路（IC）。目前，光刻是IC制造過程中最基礎(chǔ)，也是最重要的技術(shù)。
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上，光刻技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，接觸/接近式光刻、光學(xué)投影光刻、分步（重復(fù)）投影光刻出現(xiàn)時(shí)間較早，集成電路生產(chǎn)主要采用掃描式光刻、浸沒式掃描光刻、深紫外光刻（DUV）和極紫外光刻（EUV）工藝。
此外，X射線/電子束光刻、納米壓印、激光直寫等技術(shù)也在不斷發(fā)展當(dāng)中，有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)更多技術(shù)和應(yīng)用突破。
本文主要討論直寫光刻技術(shù)，它使用激光直接轟擊對象表面，在目標(biāo)基片上一次形成納米圖案構(gòu)造，無需制備價(jià)格昂貴的掩膜版，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較短。目前，該工藝技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于PCB、先進(jìn)封裝、FPD（顯示面板）和掩膜版制造。
在整個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域，主流光刻技術(shù)為掩膜光刻，其中最先進(jìn)的是投影式光刻，它可以通過投影的原理在使用相同尺寸掩膜版的前提下獲得更小比例的圖像，在最小線寬、對位精度等指標(biāo)上領(lǐng)先直寫光刻。但是，數(shù)字直寫無掩膜光刻（LDI）在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，主要原因在于LDI技術(shù)可以通過激光在印刷板上寫入圖案，不需要使用傳統(tǒng)的光阻膜，從而提高了生產(chǎn)效率和印刷精度，并降低了成本。而掩膜光刻中的掩膜需要更新且制作時(shí)間較長，在對準(zhǔn)靈活性、大尺寸封裝及自動(dòng)編碼等方面存在一定的局限。因此，近年來，激光直寫光刻技術(shù)在晶圓級(jí)封裝等先進(jìn)封裝領(lǐng)域的應(yīng)用如魚得水。
目前，光刻精度在5μm以下的，多采用掩膜光刻技術(shù)，而5μm以上，精度要求沒那么高的，多采用迭代更快、成本更低的直寫光刻技術(shù)。當(dāng)然，這些并不是絕對的，還要根據(jù)具體應(yīng)用情況而定。
?01直寫光刻技術(shù)的應(yīng)用
下面看一下直寫光刻技術(shù)在先進(jìn)封裝、FPD和掩膜版制造過程中的應(yīng)用情況。
首先看先進(jìn)封裝。
在先進(jìn)封裝中，光刻機(jī)主要用于倒裝（Flip Chip，F(xiàn)C）的凸塊（Bumping）、重分布層（Redistribution layer，簡稱RDL）、2.5D/3D封裝的TSV等的制作。與在前道制造過程中用于IC成型不同，光刻工藝在封裝中主要用于金屬電極接觸。在Bumping pitch、RDL L/S尺寸不斷減小的情況下，對封裝用光刻設(shè)備的更小線寬處理、工藝精度提出了更高要求。
在凸塊制作過程中，光刻主要應(yīng)用于互連和凸塊工藝流程。制作凸塊的方式有蒸發(fā)、印刷和電鍍?nèi)N，目前，業(yè)界廣泛采用印刷和電鍍方式，以電鍍?yōu)槔谱魍箟K的主要工藝流程包括：濺鍍金屬隔離層，光刻，電鍍凸塊，光阻去除，UBM蝕刻等。在凸塊的曝光過程中，需要將掩膜放在光阻層上，通過曝光機(jī)對光阻曝光，使其被照射區(qū)域發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，曝光結(jié)束后，通過顯影工藝去除未曝光部分。在此過程中，光刻的作用是通過掩膜模板將光刻膠（光阻）在光的作用下進(jìn)行曝光和顯影，形成需要的光刻圖形。
RDL是先進(jìn)封裝的關(guān)鍵技術(shù)，用于二維平面內(nèi)的電路連接和信號(hào)傳輸。凸塊用于連接die和基板，RDL則作為導(dǎo)線連接凸塊和芯片上的輸入/輸出墊（I/O Pad，一種電氣連接器件，用于建立芯片和基板間的電氣連接）。
RDL的制作流程與電鍍凸塊類似。首先，晶種層被堆積或?yàn)R射到晶圓表面，然后使用光刻設(shè)備曝光，再使用電鍍系統(tǒng)將銅金屬化層沉積其中，形成RDL線路層，去除光刻膠后再對球下金屬層（Under Bump Metallurgy，簡稱UBM，在晶圓上鍍膜，目的是使焊球具有良好的接合特性）進(jìn)行蝕刻。
引線框架對先進(jìn)封裝也很重要。引線框架是一種借助于鍵合材料（如金絲、鋁絲、銅絲等）實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部電路引出端和外引線的電氣連接、形成電氣回路的結(jié)構(gòu)器件，它是集成電路的載體，用于連通芯片內(nèi)部和外部導(dǎo)線。
引線框架的制造工藝主要包括傳統(tǒng)的沖壓法，以及應(yīng)用直寫光刻技術(shù)的蝕刻法。隨著智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等終端產(chǎn)品向小型化、高集成化方向發(fā)展，引線框架正在向超薄化方向演進(jìn)，對曝光的精度和靈活性要求不斷提升。相比于沖壓法，蝕刻法的精度更高，可生產(chǎn)多腳位、超薄產(chǎn)品，因此，蝕刻工藝成為引線框架未來發(fā)展的主要方向，對直寫光刻設(shè)備的需求量也在增長。
出于成本和實(shí)用性考量，目前，包含日月光、通富微電、華天科技、長電科技在內(nèi)的國內(nèi)外封測大廠都在積極嘗試使用直寫光刻代替掩膜光刻。
下面看一下直寫光刻在FPD領(lǐng)域的應(yīng)用。
FPD的工藝流程通常包括以下幾個(gè)步驟：襯底準(zhǔn)備，光刻，沉積，退火，組裝。其中，光刻是將電路圖案投影到襯底上。
在FPD制造過程中，在ITO陽極的圖形化和有機(jī)發(fā)光層的蒸鍍工藝中，都需要用到直寫光刻。以O(shè)LED顯示為例，其原理是有機(jī)發(fā)光材料在電場驅(qū)動(dòng)下，通過載流子注入和復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光，其中涉及兩個(gè)與直寫光刻有關(guān)的需求：1、ITO陽極的圖形化工藝，OLED的陽極為 ITO透明電極，制造的第一步是將ITO集成到玻璃基板上，工藝流程與IC制造類似，其中曝光部分使用直寫光刻或掩膜光刻；2、有機(jī)發(fā)光層蒸鍍工藝，為了將有機(jī)材料鍍在空穴傳輸/注入層上，可使用噴墨打印或蒸鍍工藝，后者為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的主流，需要高精度掩膜版將有機(jī)材料蒸鍍在指定位置，這就需要直寫光刻制版。
目前，全球范圍內(nèi)，特別是在中國大陸，正在大力開展AMOLED/LTPS生產(chǎn)線建設(shè)，京東方、華星光電、天馬、維信諾、和輝光電等企業(yè)在AMOLED/LTPS高分辨率、折疊屏、全面屏、高飽和度等新技術(shù)上不斷加大投入，未來，中國大陸面板廠商將進(jìn)一步加速更先進(jìn)一代AMOLED/LTPS產(chǎn)線建設(shè)。因此，平板顯示行業(yè)對掩膜版，特別是先進(jìn)、高精度產(chǎn)品的需求將持續(xù)增長。Omdia發(fā)布的2022年報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)2026年全球8.6代及以下平板顯示行業(yè)掩膜版銷售收入為1112億日元，占全球平板顯示行業(yè)掩膜版銷售額的92%，平板顯示行業(yè)用掩膜版需求保持穩(wěn)定增長態(tài)勢。
近年來，Mini-LED技術(shù)正在大規(guī)模應(yīng)用于高端消費(fèi)電子領(lǐng)域，蘋果公司不斷發(fā)布搭載了Mini-LED顯示面板的iPad Pro和MacBook Pro，三星、LG、TCL也先后推出了Mini-LED電視。Omdia發(fā)布的2022年報(bào)告顯示，未來Micro-LED 電視、智能手表和智能眼鏡等終端應(yīng)用的需求將帶動(dòng) Micro-LED顯示面板的發(fā)展，同時(shí)，電視顯示面板出貨量的增長將拉動(dòng)市場對Mini-LED顯示面板的需求。這些都在為直寫光刻設(shè)備創(chuàng)造著廣闊的市場應(yīng)用空間。
最后看一下直寫光刻在掩膜版制造過程中的應(yīng)用情況。
掩膜版的生產(chǎn)主要包括以下幾個(gè)流程：圖形光刻，顯影，蝕刻，脫膜，清洗。其中，圖形光刻是通過光刻機(jī)進(jìn)行激光光束直寫，以完成圖形曝光，掩膜版制造都是采用正性光刻膠，通過激光作用使需要曝光區(qū)域的光刻膠內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。
在光刻過程中，曝光機(jī)的核心是曝光光源，光源通常使用紫外線燈管，其波長一般在350nm~400nm之間。曝光機(jī)使用的紫外線燈管能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度的紫外線輻射，并具有均勻的光強(qiáng)度分布，以便在整個(gè)掩膜版上形成一致的曝光強(qiáng)度。
掩膜是制造出掩膜圖形的關(guān)鍵，掩膜通常是由透明或半透明材料制成，上面印有需要制造的電路板圖形。曝光機(jī)使用的掩膜必須具有高精度和高對比度，以確保最終制造出來的電路板符合規(guī)格要求。
隨著芯片制程工藝提升和成熟制程持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，亞太地區(qū)的掩膜版供需缺口在增大，預(yù)計(jì)低規(guī)格掩膜版的交貨時(shí)間將翻倍。掩膜版的供不應(yīng)求，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)擴(kuò)產(chǎn)，在這種情況下，直寫光刻曝光機(jī)作為掩膜版生產(chǎn)過程中不可或缺的設(shè)備，需求量也會(huì)隨之增加。
以中國大陸掩膜版生產(chǎn)為例，相關(guān)企業(yè)，如清溢光電、路維科技的資金募集計(jì)劃中就包含掩膜版擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目，清溢光電的合肥清溢光電有限公司8.5代及以下高精度掩膜版項(xiàng)目預(yù)計(jì)投資7.4億元人民幣，可以新增年產(chǎn)能1852個(gè)。路維科技的高精度半導(dǎo)體掩膜版與大尺寸平板顯示掩膜版擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目預(yù)計(jì)投資2.66億元，用于G11和AMOLED平板顯示掩膜版的生產(chǎn)。
2021年，清溢光電、路維光電的資本支出分別為3.05億元、1.35億元，清溢光電招股說明書顯示，該公司設(shè)備采購支出約占總投資的70%，光刻機(jī)約占設(shè)備投資的89%。
?02直寫光刻技術(shù)代表企業(yè)
如前文所述，整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)所采用的光刻技術(shù)可以分為兩大類：掩膜光刻和直寫光刻（以LDI為主）。不同廠商根據(jù)不同技術(shù)的特點(diǎn)，以及自身情況，選擇了不同的發(fā)展路徑。
走掩膜光刻技術(shù)路線的主要玩家有日本ORC、上海微電子和美國Rudolph等企業(yè)，走LDI技術(shù)路線的主要玩家有Orbotech（奧寶科技，KLA子公司）和日本的Screen。
這里主要介紹專注于直寫光刻技術(shù)的企業(yè)。
Orbotech涉足的領(lǐng)域包括PCB、FPD、半導(dǎo)體設(shè)備制造，早些年主要關(guān)注PCB和FPD專用的自動(dòng)光學(xué)檢測儀等，在2014年收購SPTS公司之后，進(jìn)入了半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域。經(jīng)過30多年的發(fā)展，Orbotech已成為全球最大的先進(jìn)精密制造解決方案廠商。2018年，美國半導(dǎo)體設(shè)備巨頭KLA-Tencor以34億美元收購了Orbotech。
在中國大陸，也有一家專注于直寫光刻技術(shù)的企業(yè)，它就是芯碁微裝，該公司專注于以微納直寫光刻為技術(shù)核心的直接成像設(shè)備及直寫光刻設(shè)備的研發(fā)和制造，主要產(chǎn)品功能涵蓋微米到納米的多領(lǐng)域光刻技術(shù)，具體包括：絲網(wǎng)印刷（最小線寬70μm -50μm），PCB（最小線寬 40μm -25μm），單層板、多層板、HDI 板、柔性板（最小線寬15μm -6μm），類載板（最小線寬3μm -1μm），低世代OLED顯示面板（最小線寬350nm），擬進(jìn)入OLED顯示面板高世代線。
?03結(jié)語
當(dāng)下，最為引人關(guān)注的光刻技術(shù)和設(shè)備是用于7nm及以下先進(jìn)制程芯片制造的EUV，以及用于10nm以上及老舊制程的DUV光刻機(jī)。但是，整個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域涉及范圍很廣，在很多產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)都需要用到光刻設(shè)備，且所采用的技術(shù)各有不同。
與制造芯片前道工序所用的EUV和DUV相比，直寫光刻技術(shù)的先進(jìn)性和精度沒那么高，但其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，憑借其靈活性和技術(shù)迭代速度快等特點(diǎn)，直寫光刻的應(yīng)用還有很大的拓展空間。
在大力發(fā)展本土半導(dǎo)體制造業(yè)的當(dāng)下，中國大陸需要在光刻這一基礎(chǔ)性制造領(lǐng)域取得突破，短時(shí)期內(nèi)，要想造出EUV難度很大，但類似于直寫光刻這樣的技術(shù)和設(shè)備，設(shè)計(jì)和制造難度沒那么高，又有廣闊的應(yīng)用市場空間，或許可以作為今后的重點(diǎn)研究對象。
下載ECAD模型
