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作者：畅秋
对于半导体行业而言，光刻技术和设备发挥着基础性作用，是必不可少的。
所谓光刻，就是将设计好的图形从掩模版转印到晶圆表面的光刻胶上所使用的技术。光刻技术最先应用于印刷工业，之后长期用于制造印刷电路板（PCB），1950年代，随着半导体技术的兴起，光刻技术开始用于制造晶体管和集成电路（IC）。目前，光刻是IC制造过程中最基础，也是最重要的技术。
在半导体产业发展史上，光刻技术的发展经历了多个阶段，接触/接近式光刻、光学投影光刻、分步（重复）投影光刻出现时间较早，集成电路生产主要采用扫描式光刻、浸没式扫描光刻、深紫外光刻（DUV）和极紫外光刻（EUV）工艺。
此外，X射线/电子束光刻、纳米压印、激光直写等技术也在不断发展当中，有望在不久的将来实现更多技术和应用突破。
本文主要讨论直写光刻技术，它使用激光直接轰击对象表面，在目标基片上一次形成纳米图案构造，无需制备价格昂贵的掩膜版，生产准备周期较短。目前，该工艺技术已经被广泛应用于PCB、先进封装、FPD（显示面板）和掩膜版制造。
在整个半导体领域，主流光刻技术为掩膜光刻，其中最先进的是投影式光刻，它可以通过投影的原理在使用相同尺寸掩膜版的前提下获得更小比例的图像，在最小线宽、对位精度等指标上领先直写光刻。但是，数字直写无掩膜光刻（LDI）在先进封装领域的应用越来越广泛，主要原因在于LDI技术可以通过激光在印刷板上写入图案，不需要使用传统的光阻膜，从而提高了生产效率和印刷精度，并降低了成本。而掩膜光刻中的掩膜需要更新且制作时间较长，在对准灵活性、大尺寸封装及自动编码等方面存在一定的局限。因此，近年来，激光直写光刻技术在晶圆级封装等先进封装领域的应用如鱼得水。
目前，光刻精度在5μm以下的，多采用掩膜光刻技术，而5μm以上，精度要求没那么高的，多采用迭代更快、成本更低的直写光刻技术。当然，这些并不是绝对的，还要根据具体应用情况而定。
01直写光刻技术的应用
下面看一下直写光刻技术在先进封装、FPD和掩膜版制造过程中的应用情况。
首先看先进封装。
在先进封装中，光刻机主要用于倒装（Flip Chip，FC）的凸块（Bumping）、重分布层（Redistribution layer，简称RDL）、2.5D/3D封装的TSV等的制作。与在前道制造过程中用于IC成型不同，光刻工艺在封装中主要用于金属电极接触。在Bumping pitch、RDL L/S尺寸不断减小的情况下，对封装用光刻设备的更小线宽处理、工艺精度提出了更高要求。
在凸块制作过程中，光刻主要应用于互连和凸块工艺流程。制作凸块的方式有蒸发、印刷和电镀三种，目前，业界广泛采用印刷和电镀方式，以电镀为例，制作凸块的主要工艺流程包括：溅镀金属隔离层，光刻，电镀凸块，光阻去除，UBM蚀刻等。在凸块的曝光过程中，需要将掩膜放在光阻层上，通过曝光机对光阻曝光，使其被照射区域发生化学反应，曝光结束后，通过显影工艺去除未曝光部分。在此过程中，光刻的作用是通过掩膜模板将光刻胶（光阻）在光的作用下进行曝光和显影，形成需要的光刻图形。
RDL是先进封装的关键技术，用于二维平面内的电路连接和信号传输。凸块用于连接die和基板，RDL则作为导线连接凸块和芯片上的输入/输出垫（I/O Pad，一种电气连接器件，用于建立芯片和基板间的电气连接）。
RDL的制作流程与电镀凸块类似。首先，晶种层被堆积或溅射到晶圆表面，然后使用光刻设备曝光，再使用电镀系统将铜金属化层沉积其中，形成RDL线路层，去除光刻胶后再对球下金属层（Under Bump Metallurgy，简称UBM，在晶圆上镀膜，目的是使焊球具有良好的接合特性）进行蚀刻。
引线框架对先进封装也很重要。引线框架是一种借助于键合材料（如金丝、铝丝、铜丝等）实现芯片内部电路引出端和外引线的电气连接、形成电气回路的结构器件，它是集成电路的载体，用于连通芯片内部和外部导线。
引线框架的制造工艺主要包括传统的冲压法，以及应用直写光刻技术的蚀刻法。随着智能手机、可穿戴设备等终端产品向小型化、高集成化方向发展，引线框架正在向超薄化方向演进，对曝光的精度和灵活性要求不断提升。相比于冲压法，蚀刻法的精度更高，可生产多脚位、超薄产品，因此，蚀刻工艺成为引线框架未来发展的主要方向，对直写光刻设备的需求量也在增长。
出于成本和实用性考量，目前，包含日月光、通富微电、华天科技、长电科技在内的国内外封测大厂都在积极尝试使用直写光刻代替掩膜光刻。
下面看一下直写光刻在FPD领域的应用。
FPD的工艺流程通常包括以下几个步骤：衬底准备，光刻，沉积，退火，组装。其中，光刻是将电路图案投影到衬底上。
在FPD制造过程中，在ITO阳极的图形化和有机发光层的蒸镀工艺中，都需要用到直写光刻。以OLED显示为例，其原理是有机发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光，其中涉及两个与直写光刻有关的需求：1、ITO阳极的图形化工艺，OLED的阳极为 ITO透明电极，制造的第一步是将ITO集成到玻璃基板上，工艺流程与IC制造类似，其中曝光部分使用直写光刻或掩膜光刻；2、有机发光层蒸镀工艺，为了将有机材料镀在空穴传输/注入层上，可使用喷墨打印或蒸镀工艺，后者为产业化应用中的主流，需要高精度掩膜版将有机材料蒸镀在指定位置，这就需要直写光刻制版。
目前，全球范围内，特别是在中国大陆，正在大力开展AMOLED/LTPS生产线建设，京东方、华星光电、天马、维信诺、和辉光电等企业在AMOLED/LTPS高分辨率、折叠屏、全面屏、高饱和度等新技术上不断加大投入，未来，中国大陆面板厂商将进一步加速更先进一代AMOLED/LTPS产线建设。因此，平板显示行业对掩膜版，特别是先进、高精度产品的需求将持续增长。Omdia发布的2022年报告显示，预计2026年全球8.6代及以下平板显示行业掩膜版销售收入为1112亿日元，占全球平板显示行业掩膜版销售额的92%，平板显示行业用掩膜版需求保持稳定增长态势。
近年来，Mini-LED技术正在大规模应用于高端消费电子领域，苹果公司不断发布搭载了Mini-LED显示面板的iPad Pro和MacBook Pro，三星、LG、TCL也先后推出了Mini-LED电视。Omdia发布的2022年报告显示，未来Micro-LED 电视、智能手表和智能眼镜等终端应用的需求将带动 Micro-LED显示面板的发展，同时，电视显示面板出货量的增长将拉动市场对Mini-LED显示面板的需求。这些都在为直写光刻设备创造着广阔的市场应用空间。
最后看一下直写光刻在掩膜版制造过程中的应用情况。
掩膜版的生产主要包括以下几个流程：图形光刻，显影，蚀刻，脱膜，清洗。其中，图形光刻是通过光刻机进行激光光束直写，以完成图形曝光，掩膜版制造都是采用正性光刻胶，通过激光作用使需要曝光区域的光刻胶内部发生交联反应。
在光刻过程中，曝光机的核心是曝光光源，光源通常使用紫外线灯管，其波长一般在350nm~400nm之间。曝光机使用的紫外线灯管能够产生高强度的紫外线辐射，并具有均匀的光强度分布，以便在整个掩膜版上形成一致的曝光强度。
掩膜是制造出掩膜图形的关键，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电路板图形。曝光机使用的掩膜必须具有高精度和高对比度，以确保最终制造出来的电路板符合规格要求。
随着芯片制程工艺提升和成熟制程持续扩产，亚太地区的掩膜版供需缺口在增大，预计低规格掩膜版的交货时间将翻倍。掩膜版的供不应求，推动产业扩产，在这种情况下，直写光刻曝光机作为掩膜版生产过程中不可或缺的设备，需求量也会随之增加。
以中国大陆掩膜版生产为例，相关企业，如清溢光电、路维科技的资金募集计划中就包含掩膜版扩产项目，清溢光电的合肥清溢光电有限公司8.5代及以下高精度掩膜版项目预计投资7.4亿元人民币，可以新增年产能1852个。路维科技的高精度半导体掩膜版与大尺寸平板显示掩膜版扩产项目预计投资2.66亿元，用于G11和AMOLED平板显示掩膜版的生产。
2021年，清溢光电、路维光电的资本支出分别为3.05亿元、1.35亿元，清溢光电招股说明书显示，该公司设备采购支出约占总投资的70%，光刻机约占设备投资的89%。
02直写光刻技术代表企业
如前文所述，整个半导体行业所采用的光刻技术可以分为两大类：掩膜光刻和直写光刻（以LDI为主）。不同厂商根据不同技术的特点，以及自身情况，选择了不同的发展路径。
走掩膜光刻技术路线的主要玩家有日本ORC、上海微电子和美国Rudolph等企业，走LDI技术路线的主要玩家有Orbotech（奥宝科技，KLA子公司）和日本的Screen。
这里主要介绍专注于直写光刻技术的企业。
Orbotech涉足的领域包括PCB、FPD、半导体设备制造，早些年主要关注PCB和FPD专用的自动光学检测仪等，在2014年收购SPTS公司之后，进入了半导体设备领域。经过30多年的发展，Orbotech已成为全球最大的先进精密制造解决方案厂商。2018年，美国半导体设备巨头KLA-Tencor以34亿美元收购了Orbotech。
在中国大陆，也有一家专注于直写光刻技术的企业，它就是芯碁微装，该公司专注于以微纳直写光刻为技术核心的直接成像设备及直写光刻设备的研发和制造，主要产品功能涵盖微米到纳米的多领域光刻技术，具体包括：丝网印刷（最小线宽70μm -50μm），PCB（最小线宽 40μm -25μm），单层板、多层板、HDI 板、柔性板（最小线宽15μm -6μm），类载板（最小线宽3μm -1μm），低世代OLED显示面板（最小线宽350nm），拟进入OLED显示面板高世代线。
03结语
当下，最为引人关注的光刻技术和设备是用于7nm及以下先进制程芯片制造的EUV，以及用于10nm以上及老旧制程的DUV光刻机。但是，整个半导体领域涉及范围很广，在很多产业链环节都需要用到光刻设备，且所采用的技术各有不同。
与制造芯片前道工序所用的EUV和DUV相比，直写光刻技术的先进性和精度没那么高，但其应用领域更加广泛，凭借其灵活性和技术迭代速度快等特点，直写光刻的应用还有很大的拓展空间。
在大力发展本土半导体制造业的当下，中国大陆需要在光刻这一基础性制造领域取得突破，短时期内，要想造出EUV难度很大，但类似于直写光刻这样的技术和设备，设计和制造难度没那么高，又有广阔的应用市场空间，或许可以作为今后的重点研究对象。
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