掩膜版——高精度光刻的关键

掩膜版（Photomask），又称光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，是微电子制造中光刻工艺所使用的图形母版， 由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形，并通过曝光将图形转印到产品基板上。掩膜版是芯片制造过程中的图形“底片”，用于转移高精密电路设计，承载了图形设计和工艺技术等知识产权信息。掩模版用于芯片的批量生产，是下游生产流程衔接的关键部分，是芯片精度和质量的决定因素之一。

掩膜版的功能类似于传统照相机的底片。制造商通常根据客户所需要的图形，用光刻机在原材料上光刻出相应的图形，将不需要的金属层和胶层洗去，即得到掩膜版。掩膜版的原材料掩膜版基板是制作微细光掩膜图形的感光空白板。通过光刻制版工艺，将微米级和纳米级的精细图案刻制于基板上制作成掩膜版。掩膜版的作用主要体现为利用已设计好的图案，通过透光与非透光方式进行图像（电路图形）复制，从而实现批量生产。

掩膜版质量的优劣直接影响光刻的质量。在芯片制造过程中需要经过十几甚至几十次的光刻，每次光刻都需要一块光刻掩膜版，每块光刻掩膜版的质量都会影响光刻的质量。光刻过程中，通常通过一系列光学系统， 将掩膜版上的图形按照 4：1 的比例投影在晶圆上的光刻胶涂层上。由于在制作过程中存在一定的设备或工艺局 限，光掩膜上的图形并不可能与设计图像完全一致，即在后续的硅片制造过程中，掩膜板上的制造缺陷和误差也会伴随着光刻工艺被引入到芯片制造中。因此光掩膜的品质将直接影响到芯片的良率和稳定性。

光掩膜主要分两个组成部分，即基板和不透光材料，不同掩模版的不透光材料有所不同。基板通常是高纯度，低反射率，低热膨胀系数的石英玻璃。不同种类光掩膜使用的不透光材料不同。光掩膜分为铬版（苏打玻璃、石英玻璃、硼硅玻璃）、干版、菲林、凸版（APR）。铬版的不透光层是通过溅射方法镀在玻璃下方厚约 0.1um 的铬层。铬的硬度比玻璃略小，不易受损但有可能被玻璃所伤害。应用于芯片制造的光掩膜为高敏感度的铬版。干版涂附的乳胶，硬度小且易吸附灰尘，不过干版还有包膜和超微颗粒干版，后者可应用于芯片制造。

掩膜版根据基板材质的不同可分为石英掩膜版、苏打掩膜版和其他（包含凸版、菲林）。石英掩膜版使用石英玻璃作为基板材料，光学透过率高，热膨胀率低，相比苏打玻璃更为平整耐磨，使用寿命长，主要用于高精度掩膜版；苏打掩膜版则使用苏打玻璃作为基板材料，光学透过率较高，热膨胀率相对高于石英玻璃，平整度和耐磨性相对弱于石英玻璃，主要用于中低精度掩膜版；而凸版使用不饱和聚丁二烯树脂作为基板材料，主要用于液晶显示器（LCD）制造过程中的定向材料移印；菲林使用 PET 作为基板材料，主要用于电路板掩膜。

掩膜版诞生至今约 60 多年历史，技术演变节奏相对较慢。掩膜版下游运用广泛，且不同行业对掩膜版的性能、成本等要求不同，因此不同代别产品存续交叠期长。例如，第二代掩膜版诞生于二十世纪 60 年代初，但其至今仍在 PCB、FPC、TN/STN 等行业使用。另一方面，掩膜版产品的优势主要是其在转移电路图形过程中的精 确性和可靠性，未来潜在的替代风险是无掩膜技术的大规模使用，但现阶段无掩膜技术因仅能满足精度要求相对较低的行业（如 PCB）中图形转移的需求，且其生产效率低下，无法满足对图形转移精度要求高以及对生产效率有要求的行业运用，故掩膜版行业现阶段技术更迭仍然较慢，暂不存在技术快速迭代的风险。

从产业链来看，掩膜版是芯片制造的核心模具，起到桥梁和纽带的关键作用。光掩膜上游主要包括电路图形设计、光掩膜设备及材料行业，由于下游应用厂商自建光刻掩膜版生产线的投入产出比很低，且光刻掩膜版行业具有一定的技术壁垒，所以目前全球范围内光刻掩膜版主要以专业生产商为主。掩膜版的下游主要包括 IC 制造、IC 封装、平面显示和印制线路板等行业，与下游终端行业的主流消费电子（手机、平板、可穿戴设备）、 笔记本电脑、车载电子、网络通信、家用电器、LED 照明、物联网、医疗电子等产品的发展趋势密切相关。

掩膜版制造过程较为复杂，步骤繁多。掩膜版的制造基于原始设计图形，加入光学临近效应补偿，通过计 算机辅助系统处理，使用激光或电子束曝光的手法将经过修正后的设计图形移植到透光性能良好的石英基板上， 最后还要经过后续蚀刻和检验修补工艺。总的来看，掩膜版生产需要经过图形设计、图形转换等诸多步骤。

掩膜版两大趋势：精细化、大型化

掩膜版行业未来将向高精度、大尺寸方向发展。掩膜版行业的发展主要受下游芯片行业、平板显示行业、 触控行业和电路板行业的发展影响，与下游终端的消费电子（手机、平板、可穿戴）、笔记本电脑、车载电子、 网络通信、家用电器、医疗电子等产品的发展密切相关，因此未来几年掩膜版将向高精度、大尺寸方向发展。

掩膜版产品精度将趋向精细化。随着消费者对显示产品的要求提高，手机、平板电脑等移动终端向着更高清、色彩度更饱和、更轻薄化发展。IHS 预测，未来显示屏精度将从 450PPI（Pixel Per Inch，即每英寸像素） 逐步提高到 650PPI 以上，这对平板显示掩膜版的半导体层、光刻分辨率、最小过孔、CD 均匀性、套合精度、 缺陷大小、洁净度等指标均提出更高技术要求。在半导体方面，目前境内主流先进制造工艺为 28nm 工艺，境外主流为 14nm，三星已量产 7nm 工艺晶圆，而台积电已量产 5nm 工艺，未来集成电路的制造工艺将进一步精细化，朝 5nm-3nm 工艺发展，这对与之配套的掩膜版及芯片封装用掩膜版提出了更高要求，线缝精度要求越来越高。

掩膜版产品尺寸未来将继续趋向大型化。液晶电视自 2007 年开始占据主流市场后，平均尺寸按照每年增加 1 英寸的速度平稳增长。根据 IHS Markit 的统计和预测，43 英寸、55 英寸、65 英寸、70 英寸等大尺寸电视出货量逐年增长。而电视尺寸趋向大型化，导致国内面板基板趋向大型化，因此掩膜版尺寸趋向大型化。

本土需求稳步提升，国产替代正当其时

掩膜版本土需求与日俱增，市场空间稳步提升。近年来，平板显示、半导体芯片、触控和电路板等市场发展迅速，带来了巨大的掩膜版需求。中国作为全球电子生产基地，掩膜版需求与日俱增，市场空间稳步提升。全球平板显示产业保持平稳增长。受益于电视平均尺寸增加，大屏手机、车载显示和公共显示等需求拉动，平板显示发展呈现尺寸大型化、竞争白热化、转移加速化、产品定制化等特点。根据 IHS 预测，2016-2025 年全球新型显示面板需求面积的复合年增长率预计将达 4%，到 2025 年增长至 2.66 亿平方米。

大陆平板显示行业处于快速发展期，掩膜版需求持续增加。近年来我国集中建设高精度、高世代面板线， 全球平板显示产业加快向中国转移。我国平板显示产业集中度提高，京津唐、长三角、珠三角及成渝鄂等四大产业聚集区都拥有高精度、高世代线。IHS 统计，2019 至 2021 年，大陆已规划投产的 TFT-LCD 产线为 23 条， 其中高世代线为 15 条，占 65.22%；2019 至 2023 年大陆已规划投产的 AMOLED 产线为 21 条，其中 LTPS 线 为 17 条，占 80.95%。预计大陆平板显示行业对掩膜版尤其是高世代、高精度掩膜版的需求将持续增长。大陆掩膜版发展滞后于平板显示投资增长，特别在 AMOLED/LTPS 高精度掩膜版上严重依赖进口，替代空间巨大。

受益于晶圆制造的快速发展，大陆半导体掩膜版市场快速增长。根据 WSTS 数据，2019 年全球半导体产业短暂调整，市场规模为 4120 亿美元，整体虽下滑 12%，但主要是缘于内存产品的结构性调整，且自 2019 下半年以来，全球半导体行业已有所反弹，考虑到疫情对全球电子产业造成的冲击，预计 2020 年将出现温和增长。由于亚太地区继续保持全球最大半导体市场地位，未来半导体产能将进一步向中国转移。在 5G 通信、物联网、 人工智能、存储器等带动下，芯片产业迎来新一轮发展高潮。在国家集成电路产业投资基金第二期带动下，大陆芯片的投资布局将进一步加速，大陆 IC 制造和 IC 封装均有望实现突破，IC 掩膜版市场增量空间巨大。

触控行业处于成熟期，触控用掩膜版市场需求稳定。触控行业产品主要应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、车载显示、智能手表等领域。根据 IHS 统计，2017 年全球触摸屏出货量约 19.04 亿片。预计至 2021 年，全球触摸屏产品出货量将稳定在 19.75 亿片/年左右。中国触摸屏产业快速发展，产业规模不断增大，产业链构成日趋完善，关键技术水平持续提升，内嵌触控技术（In Cell、On Cell）正逐步替代外挂触控技术（OGS）， 产业转型升级逐渐加快，预计未来国内触控用掩膜版的需求将进一步提升。

全球 PCB 行业增速可观，国产掩膜版有望在产业转移浪潮中受益。根据 Prismark 预测，未来几年全球 PCB 行业产值将持续增长，到 2022 年全球 PCB 行业产值将达到 688.1 亿美元；2016 年至 2021 年亚洲将继续主导全球 PCB 市场的发展，而中国位居亚洲市场不可动摇的中心地位，中国大陆 PCB 行业将保持 3.7%的复合增长率， 预计 2022 年行业总产值将达到 356.86 亿美元；中国 PCB 产业各细分产品产值增速均高于全球平均水平，尤其在高多层板、HDI 板、柔性电路板和封装基板等各类高技术含量细分 PCB 领域，产业转移趋势明显。近年来， 日本、韩国和中国台湾面临生产成本持续攀升的问题，电路板制造商陆续在中国大陆投资设厂，中国作为电路板产业主要承接国，将在产业转移浪潮中受益，而柔性线路板用掩膜版领域也有望迎来新的发展机遇。

掩膜版市场寡头垄断严重，国内企业仍在加快追赶

掩膜版市场集中度高，整体被国外公司所主导。Photronics、日本 DNP、日本 Toppan 三家占据半导体掩膜版 80%以上的市场份额。我国光掩膜版行业仅能满足国内中低档产品市场需求，高档光掩膜版则由国外公司提供。据IHS Markit统计，2018年全球石英掩膜版销售金额排名中国内上榜企业仅国内掩膜版龙头清溢光电一家。在全球范围内，国内掩膜版企业与同行业公司相比，由于其起步时间较晚，其在国际市场影响力方面存在先天差距。但近年来，国内企业通过不断的技术研发和产品升级，已逐步缩小与国际竞争对手的市场地位差距。

掩膜版公司的核心竞争力体现在能利用核心技术高效生产高质量、高精度掩膜版产品。全球各大掩膜版厂商的高端产品代表了其技术实力。在 AMOLED 用高精度掩膜版领域，由于核心技术掌握在 HOYA、SKE、PKL 等境外厂商手中，而这些企业对关键技术进行严格封锁，导致境内厂商与境外相比仍存在一定技术差距。目前 国内公司在 10 代大尺寸掩膜版领域与 AMOLED 用高精度掩膜版领域的部分指标上与先进技术存在一定差距。

掩膜版公司将逐步向上游拓展。掩膜版主要原材料为掩膜版基板。同时，随着下游客户对其最终产品的品质要求不断提高，促使掩膜版企业不断追求产品品质上的突破，而掩膜版基板的质量，对掩膜版产品最终品质具有重大影响。因此，从降低原材料采购成本和控制产品质量角度出发，主产厂家陆续向上游延伸，部分企业已经具备了研磨、抛光、镀铬、涂胶等掩膜版基板全产业链的生产能力，这不仅可以有效降低原材料采购成本， 而且能够有效提升掩膜版产品质量。未来掩膜版行业内具有一定实力的企业，将逐步向上游产业链拓展。

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