我國(guó)光掩模玻璃基板的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

劉志海

1 光掩模玻璃基板的定義及種類

1.1 光學(xué)掩模板的定義及分類

1.1.1 光學(xué)掩模板的定義

光學(xué)掩模板，又稱光掩模板、掩模板、掩膜版、光掩膜、光刻掩膜版、光罩等，在薄膜、塑料或玻璃基體材料上制作各種功能圖形并精確定位，以便用于光致抗蝕劑涂層選擇性曝光的一種結(jié)構(gòu)，是微電子制造中光刻工藝所使用的圖形母版。光掩模板應(yīng)用十分廣泛，在涉及光刻工藝的領(lǐng)域都需要使用光掩模板，主要用于集成電路（IC）、平板顯示器（FPD）、印刷電路板（PCB）、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域。

光掩?；妫ɑ澹┦侵谱魑⒓?xì)光掩模圖形的感光性空白板，比如光掩模鉻版基板，是光掩模板基體材料上鍍鉻所得到的感光性空白板，再通過光刻制版等工序就可以獲得所需光掩模板。

1.1.2 光掩模板分類

按光掩模板基板材料可分為透明樹脂基板和透明玻璃基板。透明樹脂基板易于大型化，但是易變形，相較而言玻璃基板更為常用，按照玻璃材質(zhì)又可細(xì)分為合成石英光掩模板、硼硅玻璃光掩模板和蘇打（鈉鈣玻璃）光掩模板三類。

按光掩模板遮光膜材料可分為乳膠遮光膜與硬質(zhì)遮光膜兩大類。硬質(zhì)遮光膜又可細(xì)分為鉻、硅、硅化鉬、氧化鐵四類，其中鉻質(zhì)材料具有涂覆均一性好、刻蝕精度高、且無毒無污染的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。

按光掩模板的用途可分為鉻版、凸版、干版和液體凸版四類。其中，鉻版主要由鉻質(zhì)遮光膜與石英基板組成，由于其精度高、耐用性好，廣泛應(yīng)用于微電子制造領(lǐng)域。

常用光掩模板分類見表1。

表1 常用光掩模板分類

1.2 光掩模玻璃基板的定義及種類

1.2.1 光掩模玻璃基板的定義

光掩模玻璃基板是指用于制作光掩模板的空白玻璃，也被稱作制版玻璃。

1.2.2 光掩模玻璃基板種類

光掩模玻璃基板根據(jù)玻璃組分，分為合成石英掩模基板、硼硅玻璃掩模基板和蘇打玻璃（鈉鈣玻璃）掩?；宓?。

合成石英掩模基板，是指合成石英錠，經(jīng)熱改型、冷加工等加工后制作石英空白光掩?；?，也稱作石英白板。硼硅玻璃光掩?；?，是指在硼硅玻璃原片基礎(chǔ)上，經(jīng)過加工后制作硼硅玻璃空白掩?；?。蘇打玻璃基板，是指在鈉鈣玻璃原片基礎(chǔ)上，經(jīng)過加工后制作鈉鈣玻璃空白掩?；濉ＨN光掩模用玻璃基板的特點(diǎn)及主要用途如表2所示。

表2 三種光掩模用玻璃基板的比較

2 光掩模玻璃基板發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 光掩模玻璃基板發(fā)展概況

我國(guó)的光掩模制作始于60年代中期，比國(guó)外晚5～6年。當(dāng)年采用傳統(tǒng)的照相術(shù)及手搖光刻機(jī)開展工作，光掩模玻璃基板從日本和美國(guó)進(jìn)口，主要為美國(guó)柯達(dá)玻璃和日本“櫻花”玻璃。1978年3月，我國(guó)大連玻璃廠3機(jī)窯光掩模玻璃基板（當(dāng)時(shí)稱為制版玻璃）生產(chǎn)線投產(chǎn), 雖在一定程度上滿足了國(guó)內(nèi)制版玻璃的需要，但玻璃可選的成品率僅有10%左右，1984年2 月，在大連召開了制版玻璃科研攻關(guān)論證會(huì)。在上世紀(jì)80年代后期，隨著一些平拉工藝生產(chǎn)線的引進(jìn)，光掩模玻璃基板基本使用平拉玻璃。90年代后期，隨著浮法玻璃技術(shù)在我國(guó)不斷發(fā)展，光掩模玻璃基板開始使用浮法玻璃。2005年7月超白浮法玻璃生產(chǎn)線投產(chǎn)后，光掩模玻璃基板使用超白浮法玻璃，極少量使用合成石英玻璃。

2010年以來，我國(guó)加大了對(duì)光掩模玻璃基板研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。首先，中國(guó)建材總院項(xiàng)目組通過對(duì)精密加工技術(shù)的研發(fā)，引入或試制了多種精密加工設(shè)備，并開發(fā)、完善了集成開發(fā)光掩模板用高精度石英玻璃基片的精密加工技術(shù)與系統(tǒng)。中國(guó)建材總院建立的石英玻璃基板生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的批量加工、高精度加工，在保證產(chǎn)量的同時(shí)其質(zhì)量也能夠完全滿足IC產(chǎn)業(yè)光掩模板用玻璃基板的高精度要求。隨著中國(guó)建材總院與多家國(guó)內(nèi)外客戶達(dá)成了長(zhǎng)期合作的意向，我國(guó)企業(yè)已不再純粹依賴國(guó)外進(jìn)口，而是將其部分訂單逐步移交中國(guó)建材總院進(jìn)行加工和生產(chǎn)。

2011年，湖北菲利華石英玻璃股份有限公司的石英材料在通過日本TEL（東京電子）半導(dǎo)體材料認(rèn)證后，又陸續(xù)獲得Lam（泛林）和AMAT（應(yīng)用材料）的認(rèn)證，且認(rèn)證產(chǎn)品規(guī)格繼續(xù)增加，目前Lam 認(rèn)證的規(guī)格已達(dá)22 種，AMAT 認(rèn)證的規(guī)格有18 種。2016年11月07日，菲利華生產(chǎn)的光掩?；逡?guī)格可以做到1.4 m×1.2 m。2018年8月，湖北菲利華石英玻璃股份有限公司研發(fā)出G8代光掩模基板。菲利華形成了G4 到G8 代的完整產(chǎn)業(yè)鏈，打破了長(zhǎng)期以來國(guó)外壟斷。

2.2 我國(guó)光掩模玻璃基板需求分析

2.2.1 按應(yīng)用領(lǐng)域光掩模玻璃基板需求量情況

我國(guó)光掩模玻璃基板需求增長(zhǎng)穩(wěn)定，2019年光掩模玻璃基板需求量為9.98萬m2，同比增長(zhǎng)10.88%，占全球需求量的36.77%。其中集成電路（IC）領(lǐng)域需求量4.678萬m2，同比增長(zhǎng)16.42%，占總需求量的46.87%；平面顯示（FPD）領(lǐng)域需求量4.767萬m2，同比增長(zhǎng)8.33%，占總需求量的47.77%；其他領(lǐng)域需求量0.535萬m2，同比減少8.11%，占總需求量的5.36%。見表3。

表3 我國(guó)按應(yīng)用領(lǐng)域光掩模玻璃基板需求量 單位：萬m2

2.2.2 按基板產(chǎn)品光掩模玻璃基板需求量

2019年光掩模玻璃基板需求量為9.98萬m2。其中光掩模石英玻璃基板需求4.221萬m2，同比增長(zhǎng)23.86%，占總需求量的42.29%；光掩模蘇打玻璃基板需求量4.991萬m2，同比增長(zhǎng)5.86%，占總需求量的50.01%；其他光掩模玻璃基板需求量0.767萬m2，同比減少12.58%，占總需求量的7.69%。見表4。

表4 我國(guó)按基板品種光掩模玻璃基板需求量 單位：萬m2

2.3 與光掩模玻璃基板有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)情況

目前我國(guó)與光掩模玻璃基板有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有15項(xiàng)，其中國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)8項(xiàng)，國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)。見表5。

表5 與光掩模玻璃基板有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表5

2.4 與光掩模玻璃基板有關(guān)的產(chǎn)品進(jìn)出口情況

2.4.1 其他工業(yè)用玻璃制品

海關(guān)編號(hào)70200019的其他工業(yè)用玻璃制品中包含掩模板用玻璃。我國(guó)其他工業(yè)用玻璃制品進(jìn)出口情況見表6。

表6 我國(guó)其他工業(yè)用玻璃制品進(jìn)出口情況

由表6看出，我國(guó)其他工業(yè)用玻璃制品進(jìn)口量及金額遠(yuǎn)高于出口。

2.4.2 照相制版用其他硬片及平面軟片

海關(guān)編號(hào)37019920的照相制版用其他硬片及平面軟片中包含“石英玻璃基質(zhì)的未曝光感光硬片”。我國(guó)照相制版用其他硬片及平面軟片進(jìn)出口情況見表7。

由表7看出，我國(guó)照相制版用其他硬片及平面軟片進(jìn)口量及金額遠(yuǎn)高于出口，單位商品進(jìn)口價(jià)格也遠(yuǎn)高于出口價(jià)格。

表7 我國(guó)照相制版用其他硬片及平面軟片進(jìn)出口情況

2.4.3 主要用于或?qū)Ｓ糜谥谱骱托迯?fù)掩膜版或投影掩膜版的裝置

主要用于或?qū)Ｓ糜谥谱骱托迯?fù)掩膜版或投影掩膜版的裝置的進(jìn)出口情況如表8所示。

表8 我國(guó)主要用于或?qū)Ｓ糜谥谱骱托迯?fù)掩膜版或投影掩膜版的裝置進(jìn)出口情況

由表8看出，我國(guó)主要用于或?qū)Ｓ糜谥谱骱托迯?fù)掩膜版或投影掩膜版的裝置進(jìn)口金額遠(yuǎn)高于出口，表明我國(guó)我國(guó)光掩模板行業(yè)投資活躍，尤其是2017年—2019年表現(xiàn)更加突出，這將有力推動(dòng)我國(guó)光掩模玻璃基板行業(yè)的發(fā)展。

3 光掩模玻璃基板發(fā)展趨勢(shì)分析

3.1 國(guó)家主要法律法規(guī)政策引導(dǎo)和推動(dòng)行業(yè)發(fā)展

為提升我國(guó)平板顯示和半導(dǎo)體芯片等行業(yè)配套材料的國(guó)產(chǎn)化率，改善產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，促進(jìn)行業(yè)持續(xù)、健康發(fā)展，國(guó)家相關(guān)部門出臺(tái)了一系列法律法規(guī)及政策，為光掩模玻璃基板行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供了有力保障。

2018年11月7日，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類（2018）》中提出：新型電子元器件及設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)（代碼1.2.1）中，顯示器件制造（行業(yè)代碼3974）和光電子器件制造（行業(yè)代碼3976）全部納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，集成電路（代碼1.2.4）中，集成電路制造（行業(yè)代碼3973）亦納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

2019年10月30日，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)令第29號(hào)發(fā)布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年本）》，其中鼓勵(lì)類二十八、信息產(chǎn)業(yè)中有 “線寬0.8微米以下集成電路制造”、“薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體 管LCD（ TFT-LCD） 、 有 機(jī) 發(fā) 光 二 極 管（OLED）、電子紙顯示、激光顯示、3D顯示等新型平板顯示器件、液晶面板產(chǎn)業(yè)用玻璃基板、電子及信息產(chǎn)業(yè)用蓋板玻璃等關(guān)鍵部件及關(guān)鍵材料”。

3.2 光掩模玻璃基板產(chǎn)品尺寸趨向大型化

3.2.1 大直徑是硅片未來發(fā)展方向

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的變化，大尺寸硅片占比將逐漸提升。在圓形硅片上制造矩形的硅片會(huì)使硅片邊緣處的一些區(qū)域無法被利用，從而帶來部分浪費(fèi)，隨著晶圓尺寸的增大，損失比就會(huì)減小。目前8英寸（1英寸=25.4 mm）硅片主要用于生產(chǎn)功率半導(dǎo)體和微控制器，邏輯芯片和存儲(chǔ)芯片則需要 12英寸硅片。2019年12英寸硅片全球市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)為70.4%，見表9。

表9 12英寸硅片市場(chǎng)占比情況

3.2.2 顯示面板的大屏化發(fā)展決定了光掩模玻璃基板產(chǎn)品尺寸趨向大型化

顯示屏世代線代數(shù)是按照生產(chǎn)顯示屏使用的基板尺寸來界定的，基板尺寸越大，其世代線越高，而越高的世代線經(jīng)切割后所能產(chǎn)生的屏幕尺寸就越大。粗略區(qū)分，G1～G4代線主要針對(duì)筆記本電腦，G4～G5代主要針對(duì)電腦顯示屏幕，G6代線以上的生產(chǎn)線主要為電視屏幕所用。而隨著基板的大型化，為了提高生產(chǎn)效率需要更大的曝光面積，光掩模玻璃基板的尺寸也隨之增加。表10為顯示面板尺寸和掩模板玻璃基板尺寸趨勢(shì)。

表10 顯示面板尺寸和掩模板玻璃基板尺寸趨勢(shì)

續(xù)表10

3.3 應(yīng)加大力度消除發(fā)展短板

3.3.1 我國(guó)光掩模玻璃基板產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力有待提高

光掩模板主要由玻璃基板與遮光膜兩部分組成，其中玻璃基板成本占整體材料成本的90%。目前被用來制作光掩模板基本的材料包括合成石英、硼硅玻璃和蘇打玻璃等，其中合成石英最為化學(xué)穩(wěn)定，具有高硬度、低膨脹系數(shù)和透光性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用到具有較高精度要求的產(chǎn)品生產(chǎn)中?？紤]到成本和純度要求，目前廠商使用的主要材料為合成石英基板。我國(guó)僅有湖北菲利華石英玻璃股份有限公司、江蘇太平洋石英股份有限公司以及中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院等少數(shù)幾家企業(yè)具有生產(chǎn)光掩模石英基板初級(jí)產(chǎn)品能力。

3.3.2 光掩模玻璃基板產(chǎn)業(yè)鏈短板明顯

根據(jù) IHS 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018 年我國(guó)TFTLCD及AMOLED光掩模板的國(guó)產(chǎn)化率為9.70%，其中AMOLED/LTPS等高精度光掩模板的國(guó)產(chǎn)化率僅為2.50%。對(duì)于光掩模石英玻璃基板來說，由于產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)問題，其國(guó)產(chǎn)化能力幾乎為零。

目前國(guó)內(nèi)光掩模玻璃基板產(chǎn)業(yè)鏈沒有打通，光掩模石英玻璃基板產(chǎn)品仍需在日、韓精加工（精磨、鍍膜）后，才能返回國(guó)內(nèi)光掩模板廠商進(jìn)行光刻，雖然一些公司已與日、韓以及國(guó)內(nèi)掩模版廠商建立了良好的合作關(guān)系，但仍然在一定程度上制約光掩模玻璃基板的發(fā)展。

總之，隨著半導(dǎo)體集成電路（IC）、顯示面板（FPD）和PCB等產(chǎn)業(yè)重心向我國(guó)傾斜和轉(zhuǎn)移，必將帶動(dòng)我國(guó)光掩模板行業(yè)等迅速發(fā)展，作為光掩模板上游的光掩模玻璃基板產(chǎn)業(yè)必將受到強(qiáng)有力的拉動(dòng)，尤其是光掩模石英玻璃基板的發(fā)展將進(jìn)一步加快。