第三章 晶圓代工產業分析與價值鏈
3.6 光罩產業特性與現況分析
光罩是 IC 製造過程中不可或缺的載具之一，具有類似底片的功能。其主要用途是將 積體電路的圖形轉印至矽晶圓所使用的介面模具。光罩材料本身是一非常平坦的玻璃，
主要材質為石英玻璃、蘇打石灰玻璃或是矽酸硼玻璃，在其上鍍上一層超薄的鉻金屬，
然後將積體電路所需要的電路圖案數位化，並利用圖形產生機(雷射或電子束曝光機)，將 電路圖案曝光至塗有感光材料的玻璃平板上，再經顯影、化學蝕刻等程序使圖案轉印在 平板玻璃上即完成光罩的製作。此製作完成的光罩在晶圓廠使用曝光機(Stepper &
Scanner)，再次將電路圖形複製在矽晶圓上。
在各個電子元件領域中，中央處理器與記憶體的光罩使用量遠低於晶圓代工廠所擅 長的邏輯產品，因前述兩種產品的世代交替頻率低於應用廣泛的邏輯產品線之故。自 1997 年東南亞金融風暴以來，動態隨機存取記憶體的需求波動起伏較大，但光罩使用量大的 晶圓代工產業卻穩定成長。但在 1998 年年底前，整個半導體產業仍舊處於低需求狀態，
許多 IC 製造廠商均獲利不佳。不可避免地，上游的 IC 光罩製造商的營業額及獲利率也 深受影響。有些新進廠商原為國外 IC 光罩製造業者，也因母公司之獲利不佳而縮減營運 及投資規模。市場轉機在 2000 年，晶圓代工市場在雙雄競逐、聯電公司五合一後開始蓬 勃發展。影響所及，光罩市場亦因供給有限呈現供不應求現象，使得眾多之國內投資者 和國外光罩製造業者，紛紛搭上世紀末熱門產業的列車。
在此同時，光罩產業卻正面臨著另一項難題。在 0.13 微米時代，半導體業者逐漸加 快產品的開發時程，製程世代間的間隔從 2 年縮短至 1.5 年。由於IC 製造對光罩技術之 要求日趨嚴謹，光罩生產也從一般的製造程序演變成關鍵技術，雖然光罩製造商能獲得 較高的利潤，但也付出高昂的研發及產能擴充支出。在 2000 年的那一個景氣高峰期，兩 家公開上市的光罩廠商平均毛利率約為 35%，資產報酬率為 6%。可是在景氣逐漸好轉之 際，獲利率卻隨之下降，在 2004 年會計年度中，多數廠商已呈現虧損狀態(DuPont Photomasks，TMC，Photronics) [67]。光罩製造商無法將較高的光罩價格轉化為更高的毛 利率是由許多因素造成，探究其主要原因為：
(1) 資本投資劇增：在 0.13 微米世代以後，光罩製造商的資本投資佔營收的比例由 15%
~20%逐步提高至 30%~ 40%。主要的轉變來自於生產工具變成昂貴的電子束(e-beam) 直寫及乾式蝕刻技術，由於寫入時間較長，這些工具的日產量因持續減少使成本不 斷攀升，ROE（Return of Equity）逐漸縮減。
(2) 製造技術複雜：在微影技術邁入次波長時代，光罩製造商必須以超越摩爾定律的速 度 縮 小 光 罩 線 寬 ， 許 多 的 成 像 增 進 技 術 如 光 學 近 距 修 正 (OPC) 及 相 位 移 光 罩 (Phase-Shift Mask)的廣泛採用，持續對光罩成本增加產生深遠的影響。
(3) 研發成本提高：持續加快的技術進展使光罩圖形趨於複雜，每個世代的光罩檔案大
（Hitachi, NEC, Mitsubishi）；(2) Micron（TI, Motorola, Toshiba）；(3) Hynix（Hyundai, LG Semicon）。策略聯盟有：(1)ST, Philip 與 Motorola；(2)AMD 與 IBM；(3)Samsung, Infineon 與 IBM。值得注意的是，以往規避自行生產光罩的廠商，也必需考量其光 罩生產的戰略地位。近年來 Micron 也興建一座新光罩廠及 STM 與 DNP 在義大利
為 65 奈米以下的元件複雜度大幅提升，使得各技術環結的相依性持續提高，半導體業界 業趨勢，業界已發展出許多新模式[67]，例如：Silicon Integration Initiative（SI2）與 SEMI 贊助的 OpenAccess- Universal Data Model (OA-UDM)，以及 Cadence 支持的 X Initiative。
後者充分證明各領域的產業廠商如何攜手開發新架構，以開闢出另一種途徑來達到 "更 罩廠 DNP 及美國杜邦、Photronics 專業光罩廠都已開始為下世代光罩生產作準備。在下 一個景氣循環，台灣 IC 產業對光罩需求的滿足(產能、技術)將是極大的挑戰。
鑑於 Merchant 光罩供應商在技術投資和產能擴充上，逐漸跟不上晶圓代工技術演進 的腳步，在激烈競爭的環境下，產業內如英特爾、三星、台積電與中芯…等 IDM 廠或半 導體製造商，近年來已逐漸增加自製光罩的比例。其中以光罩使用量最大的晶圓代工業 者影響最大，整個高階光罩產業生態正朝著︰(1)光罩自製，和(2)策略聯盟的方向發展：
(一) 整合元件製造廠商(IDM)逐年增加光罩自製之比例
高階光罩的生產成本高昂，以 65 奈米的光罩生產線而言，建置一條產線從前端到後 端大概就需花費 10~15 億新台幣。而每一世代技術的演進，其平均建置成本約以倍數增 加。尤其在進入 28 奈米世代以後，不僅所需投入的設備較以往昂貴許多，相對應的光罩 研發投資金額也十分驚人，漸非 Merchant 光罩業者所能負擔。
另外再加上高階製程中每套光罩組所含有的光罩數也較中低階產品來的高(以 65 奈 米製程為例，每套平均約含有 40~50 片光罩)，因此當製程越往下微縮，對於 IDM 廠與 半導體製造商而言光罩的成本將大幅增加，造成營運成本的上升。增加光罩自製之比例 乃兼顧技術、成本而不得不為的策略轉變。
除此之外，由於高階製程光罩晶片設計複雜，要求的精密度較高，採取光罩委外製 造需要較長的交期，若 IDM 廠或半導體製造商採取自製光罩，則較能夠精確掌握光罩生 產時程並且快速回應客戶的需求，且由於在同一公司體系下，光罩製造與晶圓製程等其 他部門能有較良好的溝通，有助於爭取客戶訂單。根據統計資料顯示，2006 年 IDM 廠與 半導體製造商自製光罩的比例占全球光罩市場約為 30%，至 2009 年已大幅成長至 39.4%(如圖所示)，在 2010 年甚至接近 45%的比重。
圖 3.24 IDM 與半導體製造商自製光罩占全球光罩市場之比例 資料來源：工研院 IEK，2010 年
(二) 光罩供應商以策略聯盟方式進行高階光罩之研發
對於 IDM 廠與半導體製造商在光罩自製的資源投入上，主要以先進的高階光罩為主。
中、低階光罩則委外由光罩供應商(Merchant Mask Shop)生產。由於 2009 年金融風暴的 影響，部分廠商關閉工廠或縮減產能，以減緩產業不景氣所造成的衝擊。2010 年雖然景 氣逐漸復甦，多數廠商仍保持相對保守的態度，並未有規模較大的投資計畫。在產能部 份也僅有台灣翔準先進在 2010 年有規劃進行產能的擴充，以及 DNP 台灣工廠的啟用(設 立於 2006 年 11 月)。
在 IDM 廠與半導體製造商逐年提升光罩自製比例後，Merchant 光罩供應商在資源與 資本投入的差距之下，不利於爭取高階光罩技術與市場。光罩供應商面臨到的難題為：
若進行高階製程光罩的投資，成本壓力並非每個廠商均可負擔，且因為下游客戶需求的 不確定性，投資風險將大幅增加。然而若不進行高階製程光罩技術的研發，則在未來高 階製程比重逐年提升的趨勢下，對於其在產業的市場競爭力將大幅衰減。
在此兩難的情況下，光罩供應商最後採取了共同研發的模式，與半導體製造商、設 備商或研究單位合作進行次世代的技術開發，除了可以分攤研發與投資成本之外，更能 夠針對下游客戶的需求，研發出最合適的光罩、設備與製程，提高解析度與良率，鞏固 在下游客戶供應鏈中的地位，進而降低其投資風險。全球四大光罩主要供應商(DNP、
Toppan、Photronics 與 HOYA)的合作夥伴如表所示，大部份均涵蓋了半導體製造商、設 備商與研究單位，另外也可以看到有 IDM 廠商與光罩供應商合作的現象，STM 與 DNP 在義大利 Agrate 合作興建新廠。其最主要是因為雙方均希望透過彼此的技術能力與資源，
整合後加速高階光罩的技術發展，並且可以共同分攤高昂的研發成本。
表 3.4 全球主要光罩供應商之技術合作夥伴
資料來源：SEMI, 2010; IEK, 2010
整體而言，由於 IDM 與半導體製造商光罩自製的比例增加，尤其是在高階光罩的部 分，此趨勢將影響光罩供應商的市場成長，以 2010 年來看，全球光罩市場將可成長約
10%，然而在扣除 IDM 一線廠商自製的光罩市場預估僅約 7%的成長。光罩供應商必須 加速與 IDM 與半導體製造商的合作，以符合客戶需求的高品質光罩產品，搭配較低的價 格、更迅速的交貨與售後服務，吸引 IDM 與半導體製造商提高光罩委外製造的比例。在 全球 Merchant 光罩供應商的部分[68]，2009 年大日本印刷(DNP)以 23.3%的市占率站穩第 一的寶座，第二名為市占率 21.7%的日本凸版印刷(Toppan)，美國 Photonics 以 8%排第 三，第 四、第五名則分別為日本保谷(HOYA)的 4.6%與台灣光罩(TMC)的 3%，產業前 三大廠商 合計擁有超過五成的市占率，若不算大廠自製光罩的部分，產業集中度很高，
屬於寡占市場。
圖 3.25 2009 年半導體光罩供應商之市場佔有率 資料來源：工研院 IEK，2010 年 04 月
高階製程光罩的研發成本較高，主要關鍵在於光罩與設備、晶圓製程的搭配，以提 升解析度與良率，所以光罩廠必須與半導體製造業者有密切的合作關係。但 Merchant 光 罩供應商在這一方面能夠投入的資源較少，且由於需求較不穩定，投資風險相對較高，
有礙於其高階光罩技術與市場的發展。在此高階製程比重逐年提升的情況下，未來半導 體光罩產業”大者恆大”的現象將會更為顯著，產業內較無新進廠商的可能性存在。