光刻機行業(yè)市場分析

光刻機行業(yè)市場分析光刻機：半導(dǎo)體制造中價值量占比、技術(shù)壁壘最高的設(shè)備之一芯片制造：精細度要求高，光刻機是決定制程工藝的關(guān)鍵設(shè)備一個指甲大小的芯片可以由上百億個晶體管組成，制造工藝的難度和精細度要求極高。這里我們以麒麟990為例，是華為于2019年推出的5G智能手機芯片，采用臺積電第二代7nm（EUV）工藝制造，面積為113平方毫米（約1厘米見方，小手指甲大?。Ｐ酒圃鞆S采用的12英寸硅片的面積為70659平方毫米，一個硅片大約可以生產(chǎn)500顆麒麟990芯片（按照面積算能切約700顆，但是需要考慮邊角料和良率的影響）。半導(dǎo)體制造過程是多層疊加的，上百億只晶體管由縱橫而不交錯的金屬線條連接起來，實現(xiàn)了芯片的功能。一顆990芯片上面集成了約103億只晶體管，其中一只晶體管在芯片中僅占頭發(fā)絲橫切面百分之一不到的面積，但它卻是由復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)組成。芯片制造完成后，硅片上的上百億只晶體管由縱橫而不交錯的金屬線條連接起來，實現(xiàn)了芯片的功能。芯片制造就是按照芯片布圖，在硅晶圓上逐層制做材料介質(zhì)層的過程，工藝的發(fā)展帶動材料介質(zhì)層的層數(shù)增加。芯片是由多層進行疊加制造的，芯片布圖上的每一層圖案，制造過程會在硅晶圓上做出一層由半導(dǎo)體材料或介質(zhì)構(gòu)成的圖形。圖形層也稱作材料介質(zhì)層，例如P型襯底層、N型擴散區(qū)層、氧化膜絕緣層、多晶硅層、金屬連線層等。芯片布圖有多少層，制造完成后的硅晶圓上基本就有多少材料介質(zhì)層。隨著工藝的發(fā)展，材料介質(zhì)層的層數(shù)逐漸增加。材料介質(zhì)層在硅晶圓上疊加在一起，就形成了整個芯片，乃至整個硅晶圓上所有的電路元器件。它們主要包括晶體管(三極管)、存儲單元、二極管、電阻、連線、引腳等。半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)及設(shè)備：半導(dǎo)體設(shè)備是芯片制造的核心，包括晶圓制造和封裝測試等環(huán)節(jié)。應(yīng)用于集成電路領(lǐng)域的設(shè)備通?？煞譃榍暗拦に囋O(shè)備（晶圓制造）和后道工藝設(shè)備（封裝測試）。其中，所涉及的設(shè)備主要包括氧化/擴散設(shè)備、光刻設(shè)備、刻蝕設(shè)備、清洗設(shè)備、離子注入設(shè)備、薄膜沉積設(shè)備、機械拋光設(shè)備以及先進封裝設(shè)備等。三大核心主設(shè)備——光刻機、刻蝕設(shè)備、薄膜沉積設(shè)備，占據(jù)晶圓制造產(chǎn)線設(shè)備總投資額超70%。光刻機是決定制程工藝的關(guān)鍵設(shè)備，光刻機分辨率就越高，制程工藝越先進。為了追求芯片更快的處理速度和更優(yōu)的能效，需要縮短晶體管內(nèi)部導(dǎo)電溝道的長度。根據(jù)摩爾定律，制程節(jié)點以約0.7倍（1/√2）遞減逼近物理極限。溝道長度即為制程節(jié)點，如FET的柵線條的寬度，它代表了光刻工藝所能實現(xiàn)的最小尺寸，整個器件沒有比它更小的尺寸，又叫FeatureSize。光刻設(shè)備的分辨率決定了IC的最小線寬，光刻機分辨率就越高，制程工藝越先進。因此，光刻機的升級勢必要往最小分辨率水平發(fā)展。光刻工藝為半導(dǎo)體制造過程中價值量、技術(shù)壁壘和時間占比最高的部分之一，是半導(dǎo)體制造的基石。光刻工藝是半導(dǎo)體制造的重要步驟之一，成本約為整個硅片制造工藝的1/3，耗費時間約占整個硅片工藝的40～60%。光刻實質(zhì)為光源通過掩膜版將其附有的臨時電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到硅片表面的光敏薄膜上，再通過一系列處理形成特定的電路結(jié)構(gòu)。光刻工藝包括硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等步驟，相關(guān)設(shè)備包括光刻機、涂膠顯影設(shè)備（Track）、清洗設(shè)備、量檢測設(shè)備等，其中實現(xiàn)對準曝光的光刻機是光刻工序的核心設(shè)備。工作原理：類似相機，通過光線透傳在晶圓表面成像，刻出超精細圖案光刻設(shè)備是一種投影曝光系統(tǒng)，其主要由光源（Source）、光罩（Reticle）、聚光鏡（Optics）和晶圓（Wafer）四大模組組成。在光刻工藝中，設(shè)備會從光源投射光束，穿過印著圖案的光掩膜版及光學(xué)鏡片，將線路圖曝光在帶有光感涂層的硅晶圓上；之后通過蝕刻曝光或未受曝光的部份來形成溝槽，然后再進行沉積、蝕刻、摻雜，構(gòu)造出不同材質(zhì)的線路。此工藝過程被一再重復(fù)，將數(shù)十億計的MOSFET或其他晶體管建構(gòu)在硅晶圓上，形成一般所稱的集成電路或芯片?！诩夹g(shù)方面，光刻機直接決定光刻工藝所使用的光源類型和光路的控制水平，進而決定光刻工藝的水平，最終體現(xiàn)為產(chǎn)出芯片的制程和性能水平；同時在中高端工藝中涂膠機、顯影機（Track）一般需與光刻機聯(lián)機作業(yè)，因此光刻機是光刻工藝的核心設(shè)備?！诋a(chǎn)業(yè)方面，光刻機直接決定晶圓制造產(chǎn)線的技術(shù)水平，同時在設(shè)備中是價值量和技術(shù)壁壘最高的設(shè)備之一，對晶圓制造影響頗深。綜合來看，光刻設(shè)備堪稱半導(dǎo)體制造的基石。工作原理：光刻機類似膠片照相機，通過光線透傳將電路圖形在晶圓表面成像，光刻機精度和光源波長呈負相關(guān)。我們對比相機和光刻機工作原理：1）相機原理：被攝物體被光線照射所反射的光線，透過相機的鏡頭，將影像投射并聚焦在相機的底片（感光元件）上，如此便可把被攝物體的影像復(fù)制到底片上。2）光刻原理：也被稱為微影制程，原理是將光源（Source）射出的高能鐳射光穿過光罩（Reticle），將光罩上的電路圖形透過聚光鏡（projectionlens），將影像縮小1/16后成像（影像復(fù)制）在預(yù)涂光阻層的晶圓（wafer）上。對比相機和光刻機，被拍攝的物體就等同于微影制程中的光罩，聚光鏡就是單反鏡頭，而底片（感光元件）就是預(yù)涂光阻層的晶圓。由于集成電路圖像分辨率和光刻機光源的波長呈負相關(guān)關(guān)系，波長越短、圖像分辨率越高，相對應(yīng)地光刻機的精度更高。光刻工序：實質(zhì)是IC芯片制造的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)（Patterntransfertechnology），把掩膜版上的芯片設(shè)計圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面抗蝕劑膜上，最后再把晶圓表面抗蝕劑圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上。典型光刻工藝流程包括8個步驟，依次為底膜準備、涂膠、軟烘、對準曝光、曝光后烘、顯影、堅膜、顯影檢測，后續(xù)處理工藝包括刻蝕、清洗等步驟。（1）晶圓首先經(jīng)過清洗，然后在表面均勻涂覆光刻膠，通過軟烘強化光刻膠的粘附性、均勻性等屬性；（2）隨后光源透過掩膜版與光刻膠中的光敏物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，經(jīng)曝光后烘處理后，使用顯影液與光刻膠可溶解部分反應(yīng)，從而使光刻結(jié)果可視化；堅膜則通過去除雜質(zhì)、溶液，強化光刻膠屬性以為后續(xù)刻蝕等環(huán)節(jié)做好準備；（3）最后通過顯影檢測確認電路圖形是否符合要求，合格的晶圓進入刻蝕等環(huán)節(jié)，不合格的晶片則視情況返工或報廢，值得注意的是，在半導(dǎo)體制造中，絕大多數(shù)工藝都是不可逆的，而光刻恰為極少數(shù)可以返工的工序。多次工藝：光刻機并不是只刻一次，對于芯片制造過程中每個掩模層都需要用到光刻工序，因此需要使用多次光刻工藝。電路設(shè)計就是通常所說的集成電路設(shè)計（芯片設(shè)計），電路設(shè)計的結(jié)果是芯片布圖（Layout）。芯片布圖在制造準備過程中被分離成多個掩膜圖案，并制成一套含有幾十～上百層的掩膜版。芯片制造廠商按照工藝順序安排，逐層把掩膜版上的圖案制作在硅片上，形成了一個立體的晶體管。假設(shè)一個芯片布圖拆分為n層光刻掩膜版，硅片上的電路制造流程各項工序就要循環(huán)n次。根據(jù)芯論語微信公眾號，在一個典型的130nmCMOS集成電路制造過程中，有4個金屬層，有超過30個掩模層，使用474個處理步驟，其中212個步驟與光刻曝光有關(guān)，105個步驟與使用抗蝕劑圖像的圖案轉(zhuǎn)移有關(guān)。對于7nmCMOS工藝，8個工藝節(jié)點之后，掩模層的數(shù)量更大，所需要的光刻工序更多。光刻機市場：全球市場規(guī)模約200億美元，ASML處于絕對領(lǐng)先市場規(guī)模：半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模超千億美元，其中光刻設(shè)備占比超22%2022年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模繼續(xù)超千億美元，2024年有望復(fù)蘇至1000億美元。半導(dǎo)體專用設(shè)備市場與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)景氣狀況緊密相關(guān)，2021年起，下游市場需求帶動全球晶圓產(chǎn)商持續(xù)擴建，半導(dǎo)體設(shè)備受益于晶圓廠商不斷拔高的資本支出，據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，2021/22年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模分別為1026/1074億美元，連續(xù)兩年創(chuàng)歷史新高。SEMI預(yù)測，由于宏觀經(jīng)濟形勢的挑戰(zhàn)和半導(dǎo)體需求的疲軟，2023年半導(dǎo)體制造設(shè)備全球銷售額將從2022年創(chuàng)紀錄的1074億美元減少18.6%，至874億美元；2024年將復(fù)蘇至1000億美元。——區(qū)域?qū)Ρ龋?022年中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模占全球26.3%，近5年增速領(lǐng)先全球。隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈不斷向中國大陸轉(zhuǎn)移，國內(nèi)技術(shù)進步及扶持政策持續(xù)推動中國集成電路產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，2022年中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額282.7億美元，市場規(guī)模在2017-2022年的年復(fù)合增長率為28%，增速明顯高于全球。中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模占全球比重26.3%，連續(xù)三年成為全球半導(dǎo)體設(shè)備的最大市場，其次為中國臺灣和韓國。SEMI預(yù)計2023年和2024年，中國大陸、中國臺灣和韓國仍將是設(shè)備支出的前三大目的地，其中預(yù)計中國臺灣地區(qū)將在2023年重新獲得領(lǐng)先地位，中國大陸將在2024年重返榜首?！愋蛯Ρ龋壕A制造設(shè)備占比約88%價值最高，光刻設(shè)備貢獻最大。根據(jù)SEMI的統(tǒng)計，2022年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模按類型劃分，封裝/測試/晶圓制造設(shè)備的銷售額分別為57.8/75.2/941億美元，占比分別為5.4%/7.0%/87.6%，其中晶圓制造中光刻、刻蝕及清洗、薄膜沉積為關(guān)鍵工藝設(shè)備，該等工藝設(shè)備價值在晶圓廠單條產(chǎn)線成本中占比較高，分別約占半導(dǎo)體設(shè)備市場的22%/21%/18%。光刻設(shè)備2022年全球市場規(guī)模約200億美元，是核心品類之一。半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模受到供需失衡與技術(shù)變革影響呈周期性上升趨勢，根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，2022年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模達到1074億美元，其中晶圓制造設(shè)備約為941億美元。晶圓制造設(shè)備從類別上可分為刻蝕、薄膜沉積、光刻、檢測、離子摻雜等十多類，根據(jù)Gartner預(yù)測，2022年全球晶圓制造設(shè)備市場中光刻設(shè)備占比21.3%，綜合計算2022年全球半導(dǎo)體光刻設(shè)備市場規(guī)模約為200億美元。銷量情況：2022年銷量超550臺，ASML獨占高端市場全球光刻機年銷量超550臺，市場規(guī)模超1000億元，2023年有望迎來新一輪快速增長。全球光刻機銷售主要來自于TOP3廠商，根據(jù)各廠商公告的數(shù)據(jù)，2021年光刻機銷量為478臺，同比增長15.74%，2021年光刻機相關(guān)營收達1076億元，同比增長8.9%，主要由EUV等高端機型出貨增加拉動。與半導(dǎo)體行業(yè)周期相似，光刻機銷售具有較強的周期性，2019年全球半導(dǎo)體進入下行周期，TOP3廠商光刻機銷量為354臺，同比下降3.8%，光刻機銷售與行業(yè)保持同步；2021年以來，半導(dǎo)體板塊需求反彈，伴隨各大晶圓廠先進工藝擴產(chǎn)加速，光刻機市場迎來新一輪快速增長，2021/22年銷量分別為478/551臺，分別同比+15.74%/+15.27%。隨著制程節(jié)點和工藝路線的升級，光刻機需求量不斷增加，機臺單價也不斷提升。隨著芯片制程不斷升級，所需光刻機種類發(fā)生變化：邏輯制程從5nm節(jié)點開始，必須使用EUV光刻機，光刻設(shè)備開支占比明顯提升；DRAM芯片從1A節(jié)點開始逐步采用EUV光刻機；3DNAND芯片由于多層疊堆技術(shù)的發(fā)明仍使用較老式的光刻機，光刻設(shè)備開支占比有所下降。整體上ArFi和EUV高端光刻機占比有所提升；單臺EUV光刻機售價超過1億美元，推高了平均售價。分品類來看，全球在售光刻機按照級別由高至低主要為EUV光刻機、ArFIm（ArFi）光刻機、ArFDry光刻機、KrF光刻機和i-line光刻機，ArFIm光刻機量價雙高且需求穩(wěn)定。其中：（1）低階的KrF光刻機和i-line光刻機銷量較高，2022年TOP3廠商銷量分別為209/185臺，占總量的37.93%/33.58%，但價值量相對較低，總價值量占比相對較低。（2）EUV和DUV光刻機價值量較高，EUV光刻機單價約為10-15億元，DUV光刻機單價約為5億元。DUV中ArFIm（浸沒式）光刻機面向高端工藝、先進制程節(jié)點等，出貨量較高，2022年TOP3廠商銷量為85臺，屬于量價雙高類別。目前7nm-90nm制程工藝已經(jīng)可以滿足大部分領(lǐng)域的芯片需求，而高端先進制程的芯片生產(chǎn)成本激增，故我們認為目前一定周期內(nèi)行業(yè)將普遍采用該區(qū)間工藝，對應(yīng)的ArFIm光刻機需求將保持穩(wěn)定增長。分品牌來看，全球主要光刻機市場被ASML、Canon、Nikon壟斷，ASML獨占高端市場，尼康致力追趕，佳能深耕低階市場。目前全球光刻機市場主要由TOP3廠商壟斷，根據(jù)芯思想數(shù)據(jù)，2022年ASML光刻機營收約161億美元，共出貨345臺光刻機，同比+12%；2022年，Canon光刻機營收約為20億美元，主要出貨機臺是i-line、KrF兩類，光刻機出貨量達176臺，同比+25%；2022年度，Nikon光刻機業(yè)務(wù)營收約15億美元，集成電路用光刻機出貨30臺，較2021年減少5臺。由此計算，2022年ASML、Canon、Nikon的銷售額市場份額分別達82%/10%/8%；出貨量市場份額分別為63%/32%/5%。從EUV、ArFi、ArF三個高端機型的出貨來看，ASML仍維持領(lǐng)先地位，出貨量分別占100%/95%/87%。因此，光刻機領(lǐng)域ASML處于絕對領(lǐng)先地位?！诟叨薊UV領(lǐng)域，ASML擁有100%份額，掌握絕對核心技術(shù)，目前為滿產(chǎn)滿銷狀態(tài)。2022年ASML的EUV光刻機營收占光刻機整體收入的44%，2022年單臺EUV平均售價超過1.7億歐元(約11億元)，同比+15%。這主要是由于2022年公司主要銷售TWINSCANNXE:3600D，相較TWINSCANNXE:3400C價格更高。從2011年出售第一臺EUV機臺以來，截止2022年第四季，公司出貨達183臺。2022年EUV光刻機共加工晶圓超過4000萬片?！贏rF領(lǐng)域，Nikon雖有少量出貨，但ASML掌握大量核心技術(shù)，尤其在ArFIm領(lǐng)域保持較大領(lǐng)先幅度，占據(jù)主要市場份額，不過Nikon正致力于在ArF尤其是ArFIm領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對ASML的追趕。2022年，Nikon集成電路用光刻機出貨30臺，同比減少5臺。其中ArFi光刻機出貨4臺，同比持平；ArF光刻機出貨4臺，同比增加1臺；KrF光刻機出貨7臺，同比增加2臺；i-line光刻機出貨15臺，同比減少8臺。——在低階的KrF和i-line領(lǐng)域，Canon占據(jù)較多份額，隨著低階產(chǎn)品銷量的持續(xù)增長，2022年在營收上實現(xiàn)了對尼康的超越。2022年Canon光刻機出貨量達176臺，同比增加36臺；其中i-line機臺是出貨的主力，出貨125臺。此外，據(jù)日經(jīng)新聞報道，Canon計劃在2023年開始新建光刻機工廠，到2025年投產(chǎn)，計劃產(chǎn)能為現(xiàn)在的兩倍；同時押注納米壓?。∟IL）技術(shù)，盡快實現(xiàn)5nm精度。ASML對比尼康在設(shè)計合理度、生產(chǎn)速度、良品率上領(lǐng)先，國產(chǎn)產(chǎn)品在套刻精度和生產(chǎn)效率上與國外同級別產(chǎn)品存在差距。2022年ASML共出貨345臺光刻機，同比+12%。其中EUV光刻機出貨40臺，同比減少2臺；ArFi光刻機出貨81臺，同比持平；ArF光刻機出貨28臺，同比增加6臺；KrF光刻機出貨151臺，同比增加20臺；i-line光刻機出貨45臺，同比增加12臺，在高端光刻機領(lǐng)域處于絕對領(lǐng)先的地位。尼康正致力于在中高端光刻機領(lǐng)域縮小與ASML的差距，在浸沒式DUV領(lǐng)域，尼康的NSR-S631E/NSR-S621D分別對標ASML的NXT2000i/NXT1950i，在干式DUV領(lǐng)域，尼康的NSR-S322F對標ASML的XT1460K，在KrF領(lǐng)域，尼康的NSR-S21OD對標ASML的XT860K，綜合來看，尼康產(chǎn)品在套刻精度上達到甚至超過ASML的水平，但在生產(chǎn)效率上尚存在差距，同時在設(shè)計合理度、良品率上亦落后于ASML。國產(chǎn)替代：光刻機國產(chǎn)化率僅為2.5%，上海微電子處于國內(nèi)領(lǐng)先光刻機國產(chǎn)化率僅2.5%，目前為設(shè)備領(lǐng)域國產(chǎn)化率最低，亟待突破。我們統(tǒng)計了2015-2022年國內(nèi)三家晶圓廠在中國國際招標網(wǎng)公布的采購數(shù)據(jù)，根據(jù)長江存儲、華力集成、華虹無錫累計招標數(shù)據(jù)，三家國內(nèi)晶圓廠共公開采購光刻設(shè)備157臺，光刻設(shè)備總體國產(chǎn)化率為2.5%。其中荷蘭的阿斯麥中標95臺，占比為60.5%；日本的佳能和尼康分別中標35/11臺，占比分別為22.3%/7.0%。光刻設(shè)備總體國產(chǎn)化率為2.5%，亟待國產(chǎn)突破。上海微電子目前實現(xiàn)低端光刻機的國產(chǎn)替代，共公開中標3臺，占國內(nèi)總市場約1.9%。根據(jù)中國國際招標網(wǎng)和上海微官網(wǎng)信息梳理，上海微電子裝備600系列光刻機已經(jīng)可以滿足0.28μm-90nm的IC前道制造，目前已共計中標3臺半導(dǎo)體用光刻機給晶圓制造廠商（后道封裝廠及部分科研單位不算在內(nèi)），分別供應(yīng)給上海積塔半導(dǎo)體、中芯紹興和長江存儲。此外，上海微電子的光刻機還進入了士蘭微等國內(nèi)其他芯片廠商。光刻機的發(fā)展：不同光源覆蓋相應(yīng)工藝區(qū)間，發(fā)展五代至EUV設(shè)備技術(shù)路徑：曝光波長縮短至13.5nm，對應(yīng)工藝節(jié)點降低至7nm及以下工藝節(jié)點不斷縮小至7nm及以下，曝光波長逐漸縮短至13.5nm，光刻技術(shù)逐步完善成熟。光刻機最早源于半導(dǎo)體光刻工藝，是通過人工或者自動對準和曝光的操作，把光刻掩模版上的半導(dǎo)體器件或者IC的版圖轉(zhuǎn)移到基片表面光致抗蝕劑上的曝光設(shè)備，故也稱為掩模對準曝光機（Maskaligner或者maskalignmentsystem）。光刻技術(shù)經(jīng)歷了接觸/接近式光刻、光學(xué)投影光刻、步進重復(fù)光刻、掃描光刻、浸沒式光刻到EUV光刻的發(fā)展歷程。1、按照有無掩膜：光刻機可分為有掩膜光刻機和無掩模光刻機，有掩膜光刻機目前為產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用，歷經(jīng)5代已發(fā)展至EUV光刻機。（1）無掩模光刻：又稱直寫光刻機，分為電子束直寫光刻、激光直寫光刻、離子束直寫光刻，靈活性高但生產(chǎn)效率較低，一般用于集成電路器件原型的研制驗證制作、光刻掩膜板的制作等。（2）有掩膜光刻機：使用預(yù)先定制的掩膜板轉(zhuǎn)移目標電路，分為接觸式光刻機、接近式光刻機和投影式光刻機，因其具有更高的精度和生產(chǎn)效率在產(chǎn)業(yè)中被廣泛應(yīng)用，一般產(chǎn)業(yè)中論及光刻機即指有掩膜光刻機。由于光源是光刻機最核心的組成部分，直接決定光刻機工藝層級，因此一般按照光源波長對光刻機進行分類，目前光刻機歷經(jīng)5代已發(fā)展至EUV光刻機。2、按照曝光方式劃分：光刻機可以分為接觸式曝光、接近式曝光和投影式曝光，操作方式分為手動、半自動和自動。目前主流產(chǎn)品是投影式光刻機。1）接觸式光刻機，掩膜版直接與光刻膠層接觸，是最簡單、經(jīng)濟的光刻設(shè)備。出現(xiàn)于20世紀60年代，為小規(guī)模集成電路（SSI）時代的主要光刻手段，目前仍應(yīng)用于小批量產(chǎn)品制造和實驗室研究，主要用于5μm以上工藝，其缺點為掩膜板使用壽命較短同時良品率較低。其工作原理為近場菲涅爾衍射(FresnelDiffraction)成像，其分辨率可以達到亞微米級，掩模版上的圖形與曝光在襯底上的圖形在尺寸上基本是1:1的關(guān)系，即掩模版與襯底的尺寸一樣大，可以一次曝光整個襯底。在接觸/接近式光刻機中，掩模版與襯底表面的光刻膠直接接觸，減小了光的衍射效應(yīng)，但在接觸過程中襯底與掩模版之間的摩擦會在二者表面形成劃痕，與此同時很容易產(chǎn)生顆粒沾污。這會降低襯底成品率以及掩模版的使用壽命，故接近式光刻技術(shù)得以引入。2）接近式光刻機，于20世紀70年代被廣泛應(yīng)用，與接觸式光刻相比，接近式光刻中的掩模版與襯底上的光刻膠并未直接接觸，而是掩膜版與光刻膠留有被氮氣填充的間隙（0-200μm）。掩模版浮在氮氣之上，減少了電路缺陷和掩膜版損傷。在接近式光刻中，最小分辨尺寸與間隙成正比，間隙越小，最小分辨尺寸越小，也即分辨率越高。一般來說，襯底的平整度在1~2μm，要使掩模版懸空在襯底上方而不碰到襯底，掩模版與襯底的最小間隙需控制在2~3μm，這使得接近式曝光機的空間分辨率極限約為2μm。3）投影式光刻機，自20世紀70年代中后期開始替代接觸/接近式光刻，基于遠場傅里葉光學(xué)成像原理，在掩模版和光刻膠之間采用了具有縮小倍率的投影成像物鏡，突破了衍射限制（接觸/接近式光刻機原理均為菲涅爾衍射），同時增加了掩膜版的使用壽命，可以有效提高分辨率。是目前主流的光刻機形態(tài)。3、按照迭代次序：投影式光刻機可分為步進重復(fù)投影式光刻機、步進掃描投影式光刻機、浸沒式步進掃描投影式光刻機、EUV一體式光刻機，目前均在產(chǎn)線中使用。早期，投影光刻技術(shù)中掩模版與襯底圖形尺寸比例為1：1，然而隨著集成電路特征尺寸的不斷縮小以及襯底尺寸的增大，縮小倍率的步進重復(fù)光刻技術(shù)問世，替代了圖形比例為1:1的掃描光刻方式。1）步進重復(fù)投影式光刻機：利用22mmx22mm的典型靜態(tài)曝光視場(FOV)和縮小比為5:1或4:1的光學(xué)投影物鏡，將掩模版上的圖形縮小轉(zhuǎn)印到襯底上。在光刻過程中，掩模版固定不動，襯底晶圓步進運動，以完成一片晶圓全部曝光工作。目前步進重復(fù)光刻主要應(yīng)用于0.25μm以上工藝，以及先進封裝領(lǐng)域，其優(yōu)點為生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)簡單。2）步進掃描投影式光刻機：單場曝光采用動態(tài)掃描方式，即掩模板相對襯底晶圓同步完成掃描運動；完成當前曝光后，晶圓由工作臺承載步進至下一步掃描場位置，繼續(xù)進行重復(fù)曝光；重復(fù)步進并掃描曝光多次直至整個晶圓所有場曝光完畢。步進掃描光刻的投影物鏡倍率通常為4:1，即掩模板圖形尺寸為晶圓圖形尺寸的四倍，掩模臺掃描速度也為工作臺的4倍。采用動態(tài)掃描曝光，視場更大，同時曝光精度、強度、均勻性更好。通過配置不同種類的光源(如i線、KrF、ArF)，步進掃描光刻或者基于步進掃描光刻改進的光刻技術(shù)可支撐半導(dǎo)體前道工藝所有的技術(shù)節(jié)點。對于典型的硅基底CMOS工藝，從0.18μm節(jié)點開始便大量采用步進掃描光刻；目前在7nm以下工藝節(jié)點使用的極紫外光刻機(EUV)也采用步進掃描方式。3）浸沒式光刻機：采用ArF的光源的掃描光刻機的極限就在于65nm的線寬，小于65nm的線寬，光射無法從物鏡中出來，即使再增大物鏡直徑也是徒勞。由于水的折射率和玻璃接近（在193nm波長的雷射中，折射率空氣=1，水=1.44，玻璃約為1.5），從投影物鏡射出的光進入水介質(zhì)后，折射角較小，由此折射光就可以正常從物鏡中折射出來。目前主流采用的純凈水的折射率為1.44，所以ArF光源加浸潤技術(shù)實際等效的波長為193nm/1.44=134nm。采用ArF的光源浸潤式光刻的最小分辨率可以達到38nm；為了實現(xiàn)更小工藝線寬的要求，通過采用多重圖形技術(shù)（多重曝光），可使光刻水平進一步提高，可支撐7nm節(jié)點工藝。4）EUV一體式光刻機：采用了全反射投影成像系統(tǒng)，用于支持EUV極短光源。其數(shù)值孔徑為0.33、光源波長為13.5nm、掃描視場為26mm×33mm、光學(xué)分辨率可以達到13nm半周期，臺積電已使用該設(shè)備實現(xiàn)了5nm邏輯芯片的量產(chǎn)。未來，對于更先進的節(jié)點，ASML計劃2024量產(chǎn)高數(shù)值孔徑（NA=0.55）極紫外光刻技術(shù)，其分辨率為8nm半周期，可以更快更好地曝光更復(fù)雜的集成電路圖案，同時密度增加2.9倍，全面支持3nm以下乃至埃米級工藝節(jié)點。臺積電于2022年6月份的技術(shù)論壇上表示，新一代HighNA光刻設(shè)備將于2024年用于生產(chǎn)納米片晶體管（GAAFET）架構(gòu)的2nm（N2）芯片，預(yù)計在2025年量產(chǎn)。4、根據(jù)所用光源分類：光刻機經(jīng)歷了5代產(chǎn)品發(fā)展，每次改進和創(chuàng)新都顯著提升了光刻機所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點。光刻設(shè)備光源的波長不斷縮短，由原來的e線、g線、h線、i線發(fā)展到深紫外、準分子激光、極紫外，X射線以及各種粒子束光源，如電子束、離子束。光刻設(shè)備的系統(tǒng)越來越復(fù)雜，光刻設(shè)備的范疇也不斷拓展。1）第一代為g線型，屬于可見光源，最初為接觸接近式光刻機，使用光源為436nm的g-line，對應(yīng)800-250nm工藝。2）第二代為i線型，屬于紫外光源（UV），最初為接觸接近式光刻機，使用光源為365nm的i-line，對應(yīng)800-250nm工藝。3）第三代為KrF型，屬于深紫外光源（DUV），初代為掃描投影式光刻機，采用248nm的KrF光源，對應(yīng)180-130nm工藝。4）第四代為ArF型，屬于深紫外光源（DUV），采用193nm的ArF光源，分為步進掃描投影式光刻機（干式）和浸沒式步進掃描投影式光刻機（濕式），分別對應(yīng)130-65nm和45-7nm工藝（38nm以下開始使用多重曝光工藝）。5）第五代為EUV型（極紫外），為步進掃描投影式光刻機，采用13.5nm的EUV光源，對應(yīng)7-3nm工藝。5、按照光源發(fā)生器劃分：光刻機的光源通常使用汞燈或激光器。最早的光刻機光源即為汞燈產(chǎn)生的紫外光源（UV）；之后行業(yè)內(nèi)采用準分子激光的深紫外光源（DUV），將波長進一步縮小到ArF的193nm；為了提供波長更短的光源，采用激發(fā)形式的極紫外光源（EUV）為業(yè)界采用，目前主要采用的辦法是將二氧化碳激光照射在錫等靶材上，激發(fā)出13.5nm的光子作為光刻機光源。1）高壓汞燈：即高壓弧光燈，最早的光刻機光源為汞燈產(chǎn)生的紫外光源（UV），高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的g線（436nm）或i線（365nm），其功率最早為1kW，后續(xù)發(fā)展至5kW。其特征尺寸在微米級別，可以滿足0.8-0.35微米制程芯片的生產(chǎn)。2）準分子激光器（laser）：主要用于產(chǎn)生深紫外光源，包括KrF準分子激光（248nm）、ArF準分子激光（193nm）和F2準分子激光（157nm），其中F2光源未被產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，最高功率可達500kw。隨著半導(dǎo)體集成度提升不斷提高對193nmArF準分子激光器技術(shù)水平也提出更高的要求，目前全球有能力供應(yīng)高端光刻機所需的準分子光刻光源激光器的廠商有兩家，美國的Cymer公司和日本的Gigaphoton公司。為了同時保證譜線寬度和功率的要求，目前先進的光刻機的準分子激光光源都是采用振蕩-放大技術(shù)的雙腔結(jié)構(gòu)。光譜帶寬衡量指標E95的大小及穩(wěn)定性是激光的一個重要參數(shù)，目前輸出激光的E95都控制在小于0.35pm，脈沖重復(fù)頻率可以達到6000Hz，激光輸出功率可以達到120W?？梢詽M足180-7nm制程芯片的生產(chǎn)。3）激發(fā)光源：主要用于生產(chǎn)極紫外光源（13.5nm），采用激光致等離子體（LPP）技術(shù)，通過將高功率二氧化碳激光脈沖照射在直徑為30微米的錫滴液靶材上發(fā)光，激發(fā)出高功率的13.5nm的等離子體，作為光刻機的光源，目前只有ASML掌握此項技術(shù)。EUV光刻機輸出功率約250W，不過其光源轉(zhuǎn)化效率僅0.02%，故實際功率高達1250kw，使得開發(fā)成本和使用成本大幅上升。目前可以滿足7-3nm制程芯片的生產(chǎn)。應(yīng)用需求：芯片生產(chǎn)中各種光刻機均有需求，各代光刻機并非絕對的升級和替代關(guān)系不同光源光刻機覆蓋不同制程區(qū)間，各代光刻機并非絕對的升級和替代關(guān)系。從光源的角度，雖然更高光刻精度的光刻機可以對制程工藝向下兼容，但并非最具經(jīng)濟效益的方案，因此目前各種光源的光刻機均廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)，支持不同制程區(qū)間的光刻工藝。在38nm及以上工藝中，光刻分辨率與工藝節(jié)點直接對應(yīng)，在38nm以下工藝中，一方面由于開始使用多重曝光技術(shù)，另一方面各Fab廠制造工藝命名開始基于不同工藝指標，因此為區(qū)間對應(yīng)，但通常滿足CD=MMP/2（MMP為最小金屬間距（MinimumMetalPitch））；從曝光方式角度，傳統(tǒng)的接近式和步進重復(fù)式在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上已基本被淘汰，目前主流方案為（浸沒式）步進掃描投影。集成電路制造是依靠平面工藝一層一層制備起來的，不同層對于光刻機的產(chǎn)品需求也不同。對于邏輯器件，前沿邏輯芯片的制造可以細分為三個獨立的部分：前道工序（FEOL）、中間工序（MOL）和后道工序（BEOL）。各個工序由于加工精度的要求不同，對于光刻機的產(chǎn)品需求也不同。1）用于集成電路關(guān)鍵層光刻工藝，28nm以上節(jié)點制造采用的是193nm波長干式DUV光刻機，28nm-10nm節(jié)點采用193nm波長浸沒式DUV光刻機；7nm及以下集成電路制造中，關(guān)鍵層光刻工藝則需要采用EUV光刻機；下一代產(chǎn)品high-NAEUV光刻機目前正在研發(fā)當中，ASML預(yù)計未來1-2年有可能被開發(fā)出來，其可以支持5nm、3nm及以下的工藝制造。2）非關(guān)鍵層使用的是248nm波長DUV光刻機和I-line光刻機(365nm波長)。（1）前道(frontendofline，F(xiàn)EOL)工藝：為了在Si襯底上實現(xiàn)N型和P型場效應(yīng)晶體管，涵蓋芯片有源部分的加工，即位于芯片底部的晶體管。首先是在Si襯底上劃分制備晶體管的區(qū)域(activearea)，然后是離子注入實現(xiàn)N型和P型區(qū)域，其次是做柵極，隨后又是離子注入，完成每一個晶體管的源極(source)和漏極(drain)。前道(FEOL)中的關(guān)鍵光刻層是FIN和柵極(gate)，芯片的制程節(jié)點的數(shù)值一般指MOS管柵極的最小長度(gatelength)，即最高端光刻機。（2）后道(backendofline，BEOL)工藝：是加工的最后階段，指的是位于芯片頂部的互連。實際上就是建立若干層的導(dǎo)電金屬線，不同層金屬線之間由柱狀金屬相連?；ミB是復(fù)雜的布線方案，BEOL由不同的金屬層、局部(Mx)、中間線、半全局線和全局線組成?？倢訑?shù)可以多達15層，而Mx層的典型數(shù)量在3~6層之間。這些層中的每層都包含（單向）金屬線（組織在規(guī)則的軌道中）和介電材料。它們通過填充有金屬的通孔結(jié)構(gòu)垂直互連。后道的關(guān)鍵光刻層是V0/M1/V1/M2，其中V0/V1是通孔層，M1/M2是金屬層，一般使用成熟制程節(jié)點即能滿足需求。（3）FEOL和BEOL由MOL聯(lián)系在一起。MOL通常由微小的金屬結(jié)構(gòu)組成，作為晶體管的源極、漏極和柵極的觸點。這些結(jié)構(gòu)連接到BEOL的局部互連層。雖然單元尺寸在微縮，但要連接到的引腳數(shù)量大致不變，意味著接觸它們的難度更大。我們根據(jù)上文北京集電的環(huán)評報告，對其芯片生產(chǎn)過程中光刻機的分層使用情況進行測算，先進制程產(chǎn)線依然對傳統(tǒng)機型有較高需求。根據(jù)北京集電報告信息，該芯片共使用了ArFi、ArF、KrF、i-line四種光刻機，分別對應(yīng)芯片層、下層、中層和上層，采購數(shù)量和最高吞吐量采用官方數(shù)據(jù)，以下為假設(shè)參數(shù)：實際生產(chǎn)乘數(shù)表示實際生產(chǎn)過程中對最高產(chǎn)能的發(fā)揮程度，低階機型需配合高階機型作業(yè)，因此利用率由低至高逐漸提升，假定為50%-90%；芯片層制造采用多重曝光技術(shù)，會產(chǎn)生較大比例的產(chǎn)能折損，假定為10%；每月假定工作25天，每日假定工作12小時，良品率假定為80%。根據(jù)以上信息，可以測算出不同層的月層產(chǎn)量，對比該項目2萬片/月的月產(chǎn)能，可估算出生產(chǎn)層數(shù)，其中使用ArFi光刻機的核心芯片層為單層，下層使用ArF光刻機生產(chǎn)5層，中層使用KrF光刻機生產(chǎn)20層，上層使用i-line光刻機生產(chǎn)5層，由此可見，先進制程產(chǎn)線依然對傳統(tǒng)機型有較高需求。他山之石：步入ArFi時代，ASML實現(xiàn)彎道超車ASML于1984年由ASMI與飛利浦合資成立，雙方各持股50%，得益于在多個技術(shù)節(jié)點的成功定卡位，ASML逐步實現(xiàn)對尼康、佳能的彎道超車，成為全球光刻機行業(yè)的絕對龍頭，其跨越趕超可分為如下四個階段：蟄伏儲備期（1984-1988年）：完成技術(shù)積累并轉(zhuǎn)向電控，同時日系廠商全面取代美系。初期的ASML基本承襲了飛利浦的光刻團隊，在全球經(jīng)濟危機創(chuàng)造的窗口期內(nèi)持續(xù)完成關(guān)鍵技術(shù)積累，并拋棄傳統(tǒng)油壓轉(zhuǎn)向電控，推出PAS2500取得對外出貨實績，為未來公司的跨越趕超奠定了基礎(chǔ)。20世紀80年代初期，以GCA為首的美系廠商一度壟斷全球光刻機市場，同期基于日本在精密制造領(lǐng)域的既有優(yōu)勢和日本通產(chǎn)省大力發(fā)展集成電路的產(chǎn)業(yè)政策，尼康、佳能相繼推出類似GCA的步進式光刻機，得益于更高的性價比和服務(wù)支持而迅速提升市占率，彼時GCA則受陷于蔡司鏡頭的產(chǎn)能和品質(zhì)問題，而后尼康通過對g線鏡頭的改進迅速實現(xiàn)了對GCA的市場淘汰，1988年GCA被迫出售，尼康、佳能成為光刻機行業(yè)的絕對龍頭?？焖侔l(fā)展期（1989-1999年）：堅持傳統(tǒng)技術(shù)迭代路徑，憑借韓系廠商迅速提升市占。在尼康、佳能選擇跨越式突破KrF而遇到諸多技術(shù)難題時，ASML選擇傳統(tǒng)路線，依次完成i線、KrF突破，進一步縮小了與日系廠商的差距。1991年ASML推出PAS5500，憑借高吞吐量帶來的生產(chǎn)效率優(yōu)勢、平臺化帶來的生產(chǎn)配置便利性，迅速獲得IBM、三星、海力士等廠商的訂單，其中韓系客戶開始大幅從日系廠商轉(zhuǎn)向ASML。另外憑借對鏡頭供應(yīng)商蔡司的成功改造和IPO帶來的充足資金支持，ASML的市場占有率快速提升?？缭节s超期（2000-2013年）：突破ArFi+雙晶圓系統(tǒng)，實現(xiàn)對尼康的全面超越。20世紀末，光刻行業(yè)開始探索ArF后提升精度的技術(shù)路線，尼康選擇押注157nmF2激光，ASML則仍選擇ArF光源，通過浸沒式方案提升光刻分辨率。2003年ASML推出與臺積電合作研發(fā)的全球首臺浸沒式132nm的ArFi光刻機TWINSCANXT:1150i，相比稍后尼康發(fā)布的157nm干式光刻機具有絕對生產(chǎn)優(yōu)勢，迅速取得市場突破。同期ASML發(fā)布全球首款雙工作臺光刻系統(tǒng)TWINSCAN，通過對兩個平臺的晶圓依次曝光/拆卸極大的提升生產(chǎn)效率，而ASML首款A(yù)rFi光刻機即搭載該光刻平臺。憑借ArFi+雙晶圓系統(tǒng)帶來的生產(chǎn)效率和精度優(yōu)勢，ASML迅速實現(xiàn)對尼康的超越，至2009年市場占有率已達7成。絕對統(tǒng)治期（2014年至今）：壟斷EUV市場，成為光刻機絕對龍頭。2000年ASML通過收購SVG獲得了EUV相關(guān)技術(shù)專利，同時取得了Intel的供應(yīng)商資格，而Intel則一直為EUV方案的堅定支持者。此后ASML開始投入重金研發(fā)EUV光刻機，2014年ASML正式發(fā)布EUV光刻機，2018年商用版EUV光刻機開始出貨，2019年臺積電發(fā)布采用EUV方案的7nm工藝。隨著尼康放棄EUV光刻機的研發(fā)，ASML成為了EUV光刻機的唯一供應(yīng)商，取得了光刻機行業(yè)的絕對壟斷地位。股價復(fù)盤：兩次關(guān)鍵技術(shù)突破推動市值快速爬升。1995年ASML上市，經(jīng)歷了20世紀末手機、通訊網(wǎng)絡(luò)拉動的需求擴張以及互聯(lián)網(wǎng)泡沫破滅帶來的股價波動，進入21世紀，ASML股價上行主要由數(shù)次關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品突破引領(lǐng)。2003年ASML發(fā)布搭載了雙工作臺系統(tǒng)的ArFi光刻機，隨后逐漸取得對尼康的追趕超越，公司股價進入上行期；2014年ASML發(fā)布EUV光刻機，再一次取得關(guān)鍵技術(shù)突破，公司股價開啟新一輪爬升；2019年EUV光刻技術(shù)正式商用，臺積電、三星等陸續(xù)成為重要客戶，公司股價快速攀升，目前ASML已成為全球市值最高的半導(dǎo)體廠商之一。ASML持續(xù)推動技術(shù)升級，在更高端的High-NA光刻機領(lǐng)域預(yù)計將保持領(lǐng)先優(yōu)勢。目前，EUV光刻機可以支持芯片制造商將芯片制程推進到3nm制程左右，但是如果要繼續(xù)推進到2nm制程甚至更小的尺寸，就需要更高數(shù)值孔徑（NA）的High-NA光刻機，ASML預(yù)計2023年年底將推出高數(shù)值孔徑版本的EUV光刻機，具備更高的光刻分辨率，晶圓制造工藝有望持續(xù)升級。根據(jù)全球半導(dǎo)體觀察報道，英特爾、臺積電、三星、美光等頭部客戶有望最早使用High-NAEUV設(shè)備，目前，Lam、KLA、HMI和JSR及TEL等正與ASML合作，開發(fā)High-NAEUV材料與特用化學(xué)品。我們預(yù)計將會推動整體半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)升級迭代。光刻機難在哪：光刻分辨率決定工藝區(qū)間，多重曝光技術(shù)拓展工藝邊界關(guān)鍵指標：光刻分辨率、套刻精度和產(chǎn)能，工藝節(jié)點發(fā)展帶來需求升級光刻機的精密技術(shù)分為三大部分：精密光學(xué)（光源、路徑）、精密運動控制（自動調(diào)焦/調(diào)平、掩膜版的輸送、自動對準）、精密的環(huán)境控制（溫控、濕控、真空、減振系統(tǒng)等）。光刻工藝的關(guān)鍵指標為光刻分辨率（CD）、套刻精度和產(chǎn)能，決定了產(chǎn)品的定位和應(yīng)用場景。其中：1）光刻分辨率：與光源波長、工藝系數(shù)因子和數(shù)值孔徑有關(guān)，光刻分辨率表示將硅片上兩個鄰近的特征圖形區(qū)分開來的能力，即可以清晰投影最小圖像的能力，一般光刻分辨率為MMP的一半，是決定光刻工藝水平的最關(guān)鍵指標，光刻分辨率滿足基本公式CD=K1*λ/NA（投影式光刻），λ為光源波長，K1為工藝系數(shù)因子，NA為投影光刻物鏡數(shù)值孔徑，由此提高光刻分辨率需要縮短光源波長、降低工藝系數(shù)因子和提高物鏡數(shù)值孔徑。在現(xiàn)代光刻工藝中，主要由光源波長決定光刻分辨率區(qū)間，數(shù)值孔徑?jīng)Q定光刻機能達到的最高工藝節(jié)點。根據(jù)衍射成像原理該系數(shù)的理論極限值為0.25，目前ASML的DUV光刻機最高K1已經(jīng)達到約0.25，而EUV光刻機則約為0.35；數(shù)值孔徑則與光源波長及光譜帶寬、成像視場、光學(xué)設(shè)計和光學(xué)加工水平等因素有關(guān)，目前非浸沒式DUV光刻機數(shù)值孔徑的上限一般為1.0，浸沒式DUV光刻機則一般為1.35，目前EUV光刻機數(shù)值孔徑為0.33。ASML公司CEOPeterWennink宣布2023年有望推出業(yè)界首款具有0.55數(shù)值孔徑（NA）的極紫外（EUV）光刻機，該款光刻機分辨率約為8nm，型號名為TwinscanEXE:5200，計劃在2025年用于芯片量產(chǎn)。2）套刻精度（Overlay）：影響光刻工藝的良率以及多重曝光工藝的水平，指前后兩道光刻工序之間圖形成像的對準精度，在中高階光刻工藝中，晶圓需經(jīng)過多次對不同區(qū)域的曝光形成最終的特定電路，如果對準的偏差過大，就會直接影響產(chǎn)品的良率，一般需要套刻精度小于等于光刻CD值的1/3；同時使用多個掩膜板疊加曝光圖形的多重曝光工藝可以實現(xiàn)對更高制程工藝的支持，但由于需要精準對齊曝光圖案，套刻精度一般須達到目標光刻CD值的1/10以上。隨著光刻機技術(shù)水平的提高，線寬的特征尺寸減小到納米級時，對光刻機對準系統(tǒng)提出了更高對準精度的性能指標。高階光刻機供應(yīng)商一般會就套刻精度提供兩個數(shù)值，一種是單機自身的兩次套刻誤差，另一種是兩臺設(shè)備（不同設(shè)備）間的套刻誤差。套刻精度主要與工作臺和掩模臺的定位精度、光學(xué)對準精度、同步掃描精度等因素有關(guān)，定位精度、對準精度和同步掃描精度分別約為套刻精度的1/5-1/3。3）產(chǎn)能：是光刻機實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必要條件。提升光刻機的生產(chǎn)效率與諸多因素相關(guān)，需要優(yōu)化光源強度、重復(fù)頻率、曝光能量控制、同步掃描方式等技術(shù)環(huán)節(jié)，同時需要減少換片、步進和光學(xué)對準等環(huán)節(jié)的時間，其中穩(wěn)定可靠的光源系統(tǒng)是提升光刻機產(chǎn)能的基礎(chǔ)。目前光刻機的產(chǎn)能一般為100-300wph。4）步進精度：步進掃描光刻機的單場曝光采用動態(tài)掃描方式，即掩模版相對圓片同步完成掃描運動；完成當前場曝光后，圓片由工件臺承載步進至下一掃描場位置，繼續(xù)進行重復(fù)曝光；重復(fù)步進并掃描曝光多次直至整個圓片所有場曝光完畢。步進掃描光刻機需要時刻保持掩模臺相對工件臺的高速、高精度同步運動。為滿足高產(chǎn)出率與高成品率的量產(chǎn)需要，通常要求運動臺具備較高的速度和加速度，以及超高相對運動控制精度。以浸沒式光刻機為例，其工件臺掃描速度高達80mm/s，對應(yīng)掩模臺速度達到3.2m/s同時相對運動控制精度達到m量級。步進掃描光刻機需要解決的核心技術(shù)包括整機架構(gòu)動態(tài)穩(wěn)定性控制技術(shù)、同步高精度運動控制技術(shù)等。5）工藝節(jié)點：工藝節(jié)點(nodes)是反映集成電路技術(shù)工藝水平最直接的參數(shù)。目前主流的節(jié)點為0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。傳統(tǒng)上(在28nm節(jié)點以前)，節(jié)點的數(shù)值一般指MOS管柵極的最小長度(gatelength)，也有用第二層金屬層(M2)走線的最小間距(pitch)作為節(jié)點指標的。突破路線：遠期自研EUV帶來更高分辨率，中短期DUV多重曝光搭建先進制程未來發(fā)展：目前隨著技術(shù)節(jié)點向90nm、65nm、40nm、28nm、16/14nm、10nm、7nm和5nm等逐漸縮放，無論它是否仍然是前一個節(jié)點的固定百分比，都需要提高分辨率和覆蓋精度，需要改進如下數(shù)據(jù)：數(shù)值孔徑(NA)增加、波長減少、更好的光刻膠、更好的掩膜版、更高精度的步進精度、更高精度的對準、更小的透鏡畸變、更好的晶圓平整度等。我們認為，國內(nèi)的先進光刻技術(shù)的發(fā)展有兩條可以路線同時在進行：一條是迭代浸沒式DUV光刻機，實現(xiàn)多重曝光功能，另一條是長期布局EUV光刻技術(shù)。1、EUV光源：ASML典型的沉浸式步進掃描光刻機工作方式，首先是激光器發(fā)光，經(jīng)過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之后進入光掩膜臺，上面放的就是設(shè)計公司做好的光掩膜，之后經(jīng)過物鏡投射到曝光臺，晶圓上涂抹了光刻膠，具有光敏感性，紫外光就會在晶圓上蝕刻出電路。激光器負責光源產(chǎn)生，而光源對制程工藝是決定性影響的，隨著半導(dǎo)體工業(yè)節(jié)點的不斷提升，光刻機縮激光波長也在不斷的縮小?，F(xiàn)在DUV光刻機是目前大量應(yīng)用的光刻機，波長是193nm，光源是ArF（氟化氬）準分子激光器，從45nm到10/7nm工藝都可以使用這種光刻機，但是7nm節(jié)點已經(jīng)是DUV光刻的極限，所以Intel、三星和臺積電都在7nm這個節(jié)點引入極紫外光（EUV）光刻技術(shù)，而GlobalFoundries當年也曾經(jīng)研究過7nmEUV工藝，目前已經(jīng)放棄。EUV的優(yōu)勢之一是減少了芯片處理步驟，而使用EUV代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多重曝光技術(shù)將大大減少沉積、蝕刻和測量的步驟。193nm光源DUV其實是2000年代就開始使用的，然而在更短波長光源技術(shù)上卡住了，157nm波長的光刻技術(shù)對比193nm波長的進步只有25%，但由于157nm的光波會被193nm所用的鏡片吸收，鏡片和光刻膠都要重新研制，再加上當時成本更低的浸入式193nm技術(shù)已經(jīng)出來，所以193nmDUV光刻一直用到現(xiàn)在。最初的浸入式光刻是在晶圓光刻膠上加1mm厚的水，水可以把193nm的光波長折射成134nm，后來不斷改進高NA鏡片、多光照、FinFET、Pitch-split以及光刻膠等技術(shù)，一直用到現(xiàn)在的7nm/10nm，但這已經(jīng)是193nm光刻機的極限了。2、多重曝光：10nm節(jié)點及以下工藝制造目前較為普遍采用的是193nm波長浸沒式光刻機+多重曝光(MultiplePatterning，MP)技術(shù)，也能實現(xiàn)10nm和7nm工藝生產(chǎn)。目前市場上已有多款EUV機型開始出貨，三星、臺積電均在7nm工藝中采用EUV光刻機。目前業(yè)內(nèi)最先進的是采用波長13.5nm極紫外光的第五代EUV光刻機，可實現(xiàn)7nm工藝制程，但是EUV的技術(shù)要求極高，單臺價值為1.2億歐元。通過使用多個掩膜板進行多次曝光，可以實現(xiàn)對更高制程工藝的支持。然而采用多重曝光會帶來兩大問題：一是光刻加掩膜的成本上升，而且影響良率，多一次工藝步驟就是多一次良率的降低；二是工藝的循環(huán)周期延長，多重曝光不但增加曝光次數(shù)，而且增加刻蝕和CMP工藝次數(shù)。在多重曝光技術(shù)中，最重要的是套刻精度，多套圖形必須非常精確地對準以避免電路錯誤。另外高對比度非線性光刻膠、合理的掩膜設(shè)計亦是該技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵。多重曝光工藝使得成本激增，隨著曝光次數(shù)的增加，光刻機的生產(chǎn)效率、良品率、耗電量等都會受到影響，故會帶來成本的激增，使得先進制程芯片的產(chǎn)業(yè)化效益降低，因此在對芯片性能沒有極高要求的領(lǐng)域，使用多重曝光的工藝具有最優(yōu)的性價比，預(yù)計其需求亦保持穩(wěn)定。未來技術(shù)：無掩模光刻及NIL壓印或為替代路徑，但技術(shù)發(fā)展仍存在較高不確定性下一代光刻機面臨諸多挑戰(zhàn)，無掩模光刻及NIL壓印或為潛在替代路徑，國產(chǎn)廠商存在彎道追趕機會，但技術(shù)發(fā)展仍存在較高不確定性。目前ASML已確認推出高數(shù)值孔徑版本的EUV光刻機，但由于激增的研發(fā)費用和耗電量，其是否會推出更高數(shù)值孔徑的機型仍存在不確定性。同時研發(fā)下一代更短波長的光刻機依然面臨諸多挑戰(zhàn)，首先是高昂的研發(fā)費用和造價，其次是耗電量激增會持續(xù)推高晶圓的生產(chǎn)成本，另外還會面臨量子極限的問題，由此無掩模光刻及NIL壓印等其他技術(shù)路徑逐漸進入行業(yè)視野。（1）無掩模光刻：指計算機控制的高精度光束聚焦投影至涂覆有感光材料的基材表面上，無需掩膜直接進行掃描曝光，分為帶電粒子直寫光刻（CPML）和激光直寫光刻（OML）。無掩模光刻首先可以解決光掩模成本不斷飛升的問題，根據(jù)IBS數(shù)據(jù)，16/14nm制程中掩膜成本約500萬美元，7nm制程中掩膜成本則迅速升至1500萬美元，成本占比由1.5%提升至2.5%，使用無掩模光刻有望優(yōu)化相關(guān)成本結(jié)構(gòu)。更重要的是，對于國內(nèi)廠商而言，無掩模光刻可以避開EUV光刻的技術(shù)和專利壁壘。其中電子束光刻為行業(yè)主要關(guān)注的技術(shù)路徑，美國納米技術(shù)公司ZyvexLabs已公告其已經(jīng)采用電子束光刻技術(shù)，實現(xiàn)0.7nm芯片的制造。不過在高端工藝大規(guī)模量產(chǎn)上，無掩模光刻技術(shù)仍存在不確定性：帶電粒子直寫光刻生產(chǎn)效率較低，單個晶圓掃描時間約10分鐘，顯著低于有掩膜光刻（普遍可以達到2片/分鐘以上），且在大規(guī)模生產(chǎn)中會發(fā)生較為嚴重的鄰近效應(yīng)，嚴重影響圖形的分辨率及精度；激光直寫光刻技術(shù)受限于激光波長，在光刻精度上不及電子束、離子束等帶電粒子直寫光刻技術(shù)，較難應(yīng)用于高端半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。此外，需要開發(fā)和處理大數(shù)據(jù)量（Tb級）的能力。（2）納米壓印光刻（NIL）：指先在模具上刻上納米電路圖案，再將電路圖案壓印在晶圓上。壓印本質(zhì)上本質(zhì)上是一種印刷復(fù)制技術(shù)，是將模板進行大量復(fù)制的技術(shù)，壓印技術(shù)加工技術(shù)根據(jù)圖形尺寸的大小可分為納米壓印技術(shù)和模壓技術(shù)。納米壓印技術(shù)是華裔科學(xué)家美國普林斯頓大學(xué)周郁在1995年首先提出的，目前這項技術(shù)最先進的程度已經(jīng)達到5nm以下的水平。納米壓印技術(shù)主要包括熱壓印（HEL）、極紫外壓?。║V-NIL）（包括步進-閃光壓印S-FIL）和微接觸印刷（μCP）。NIL有如下特點：1）超高分辨率：沒有光學(xué)曝光中的衍射現(xiàn)象和電子束曝光中的散射現(xiàn)象；2）高產(chǎn)量：可以像光學(xué)曝光那樣并行處理，同時制作成成百上千個器件；3）高保真度：幾乎無差別的將掩模板上的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上；4）低成本：不像光學(xué)曝光機那樣需要復(fù)制的光學(xué)系統(tǒng)或像電子束曝光機那樣需要復(fù)雜的電磁聚焦系統(tǒng)?！狽IL采用機械復(fù)制，可以排除光學(xué)衍射的影響，理論上可以實現(xiàn)比光刻更高的分辨率，且成本比EUV要低很多（NIL壓印研發(fā)成本約為EUV光刻的40%，耗電量約為EUV光刻的10%），此外無需先進鏡頭的支持。目前日本鎧俠在該技術(shù)上領(lǐng)先，已將NIL技術(shù)應(yīng)用到了15nmNAND閃存器上，并有望在2025年推出采用NIL技術(shù)的5nm芯片。鎧俠的NIL工藝為解決高端芯片自主化生產(chǎn)提供了新的思路?！贿^NIL壓印在實現(xiàn)高制程芯片制造中依然面臨諸多挑戰(zhàn)，首先是高精度印壓模具的加工，其次對模具與光刻膠接觸和脫離的過程控制要求較高，在10nm以下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備中實現(xiàn)零偏差的難度較高，因此尚存在諸多技術(shù)問題有待突破。在芯片制造領(lǐng)域，納米壓印光刻更擅長制造3DNAND、DRAM等存儲芯片。與微處理器等邏輯電路相比，存儲制造商具有嚴格的成本限制，且對缺陷要求放寬，納米壓印光刻技術(shù)與之較為契合。但是納米壓印也會有一些問題，包括光刻速度慢、良率低，對準難度高、模板壽命低等。據(jù)佳能納米壓印設(shè)備未來路線圖顯示，佳能目前量產(chǎn)的納米壓印設(shè)備，能用于生產(chǎn)15納米的芯片，公司預(yù)計到2025年，能進一步研發(fā)出生產(chǎn)5納米芯片的設(shè)備，初期將率先導(dǎo)入生產(chǎn)NAND、DRAM等，未來還有望導(dǎo)入應(yīng)用在PC和手機中的需要高階先進制程的邏輯IC生產(chǎn)。光刻機產(chǎn)業(yè)鏈：上萬個零部件，上千家供應(yīng)商，全球協(xié)作打造高端設(shè)備零部件：光刻機生產(chǎn)制造的技術(shù)要求極高，ASML一臺光刻機包含了10萬個零部件半導(dǎo)體制程越先進，光刻設(shè)備便需要越精密復(fù)雜，包括高頻率的激光光源、光掩模的對位精度、設(shè)備穩(wěn)定度等，集合了許多領(lǐng)域的最尖端技術(shù)。光刻機之所以被稱為集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，是因為集中了目前人類在電子、光學(xué)、精密機械和控制領(lǐng)域的最尖端知識，它的主要系統(tǒng)包括曝光光源、光學(xué)系統(tǒng)、電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，每個系統(tǒng)既要超高精密，又要完美配合，因此對制造和裝配技能有極高的要求。1）光學(xué)系統(tǒng)：紫外光從光源模組(Source)生成之后，被導(dǎo)入到照明模組(illuminationmodule，該系統(tǒng)要對光的能量、均勻度、形狀進行檢測和控制)，光穿過光罩后，聚光鏡模組(Optics)將影像聚焦成像在晶圓表面的光阻層上。2）傳輸系統(tǒng)：光罩模組可分為光罩傳送模組(ReticleHandler)及光罩平臺模組(ReticleStage)。光罩傳送模組負責將光罩由光罩盒一路傳送到光罩平臺模組，而光罩平臺模組負責承載及快速來回移動光罩；晶圓模組分為晶圓傳送模組(WaferHandler)及晶圓平臺模組(WaferStage)。3）曝光系統(tǒng)：晶圓傳送模組負責將晶圓由光阻涂布機一路傳送到晶圓平臺模組，而晶圓平臺模組（一般是雙平臺）負責承載晶圓及精準定位晶圓來曝光。光刻機生產(chǎn)制造的技術(shù)要求極高，ASML一臺光刻機包含了10萬個零部件。光刻機零部件涉及到上游5000多家供應(yīng)商，比如德國的光學(xué)設(shè)備與超精密儀器，美國的計量設(shè)備與光源等。一臺光刻機的主要部件包含測量臺與曝光臺、激光器、光束矯正器、能量控制器等11個模塊。其中比較重要的零部件包括：1）激光器（Laser）：也就是光源的發(fā)源地，光刻機核心設(shè)備之一。2）束流輸送（BeamDelivery）：設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光。束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性。矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。3）物鏡（ProjectionLens）：物鏡用來補償光學(xué)誤差，并將線路圖等比例縮小。4）操作控制單元（OperateControlUnit）：操作控制設(shè)備的運行控制電腦面板。5）光源（Illuminator）：是光刻的利刃。光源的要求：有適當?shù)牟ㄩL（波長越短，曝光的特征尺寸就越?。瑫r有足夠的能量，并且均勻地分布在曝光區(qū)。紫外光源的高壓弧光燈（高壓汞燈）的g線（436nm）或i線（365nm）；準分子激光（Excimerlaser）光源，比如KrF（248nm）、ArF（193nm）和F2（157nm），EUV光源（13.5nm）。6）硅片傳輸系統(tǒng)（WaferTransportSystem，WTS）：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，圓片尺寸越大，產(chǎn)率越高。曝光的特征尺寸越小，產(chǎn)率越高。7）隔震器（Airmounts）：將工作臺與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。光源系統(tǒng)：三大核心部件之一，光源波長決定了光刻機的工藝能力光源是高端光刻機核心部件之一，光源波長決定了光刻機的工藝能力。提高光刻分辨率的方法有三種：1）選用更小波長（??）的光源，2）通過增大投影入射角及折射率更高的界面材料來提高數(shù)值孔徑NA值，3）并通過分辨率增強技術(shù)以獲取更低的常數(shù)k1。光刻機需要體積小、功率高而穩(wěn)定的光源，更高輸出功率，意味著曝光時間縮短和光刻機產(chǎn)能提高。近三十年以來，光源系統(tǒng)推動著五代光刻機的發(fā)展，更小波長的光源讓光刻機分辨率提高了100倍。i線（365nm波長）及以上波長光刻機使用的光源是高壓汞燈；KrF（248nm）和ArF/ArFi（193nm）光刻機使用準分子激光器作為光源；美國Cymer和日本GIGAPHOTON的最新型光源，輸出功率已達到120W，脈沖的頻率是6000Hz，脈沖持續(xù)時間在100～150ns。對應(yīng)地，從g-Line光源（436nm）到激光激發(fā)等離子體光源（EUV=13.5nm），光刻分辨率提升100倍。從193nmArF到13.5nmEUV，光刻分辨率提升10倍以上。隨著成像系統(tǒng)越來越復(fù)雜，里面涉及的棱鏡與反射鏡越來越多，NA值在逐漸提高、sinθ接近理論極限值。從ArF到ArFi，由于引入水介質(zhì)（n=1.45）使得NA值提高了45%。EUV光源是目前最先進的光源，EUV光刻機采用的是CO2激發(fā)的LPP光源，主要由主脈沖激光器、預(yù)脈沖激光器、光束傳輸系統(tǒng)、錫液滴靶、錫回收器、收集鏡等構(gòu)成。EUV光源的主要工作方式為：在真空腔體中，將高溫熔融并加電磁場使其處于等離子體狀態(tài)的錫從噴槍中等間隔噴出，每個錫滴的大小保持在7.5-13微米左右。當錫滴經(jīng)過中心區(qū)域時，安裝在腔壁上的高分辨率相機捕捉到錫滴，反饋給計算機。計算機綜合定位控制、激光光束軸、定時控制器等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，控制激光槍連續(xù)發(fā)射兩個脈沖擊中該錫滴體。第一個激光脈沖可使錫滴壓扁為餅狀，第二個脈沖緊隨其后再次擊中該錫滴，兩次高能激光脈沖可將該錫滴瞬間加熱至50000K，從而使錫原子躍升至高能態(tài)，并回歸至基態(tài)釋放出13.5nm的紫外光,經(jīng)收集鏡導(dǎo)入到曝光系統(tǒng)當中。EUV光源的制造難度極大，精度要求很高，目前全球只有美日兩家公司可以生產(chǎn)。極紫外光的波長為13.5nm，這種光容易被包括鏡頭玻璃內(nèi)的材料吸收，需要使用反射鏡來代替透鏡；普通打磨鏡面的反射率還不夠高，必須使用布拉格反射器（BraggReflector，一種復(fù)式鏡面設(shè)計，可以將多層的反射集中成單一反射）。此外，氣體也會吸收EUV并影響折射率，所以腔體內(nèi)必須采用真空系統(tǒng)。EUV光的收集難度極大，因此轉(zhuǎn)化效率也很低，這也是EUV如此耗電的原因之一。這種光非常容易被吸收，連空氣都不透光，所以整個生產(chǎn)環(huán)境必須抽成真空；同時也無法以玻璃透鏡折射，必須以硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡來修正光的前進方向，而且每一次反射仍會損失3成能量，但一臺EUV機臺得經(jīng)過十幾面反射鏡，將光從光源一路導(dǎo)到晶圓，最后大概只能剩下不到2%的光線。反射鏡的制造難度非常大，精度以皮米計（萬億分之一米）。超導(dǎo)磁場系統(tǒng)位于EUV腔外部，并能在EUV腔內(nèi)產(chǎn)生高強度的磁場，從而保護收集器鏡面不受錫等離子體產(chǎn)生的高速錫離子的影響。光學(xué)系統(tǒng)：三大核心部件之一，決定光刻機的分辨率以及套刻精度光學(xué)鏡片是光刻機的核心部件之一，包括照明系統(tǒng)（光源加工）和投影物鏡（高分辨成像）。高數(shù)值孔徑的鏡頭決定了光刻機的分辨率以及套刻精度，其技術(shù)水平很大程度上代表了光刻機的技術(shù)水平。照明與投影物鏡系統(tǒng)的精確性與穩(wěn)定性，對于將掩膜版上的圖案準確轉(zhuǎn)移到晶圓上，起到?jīng)Q定性的作用，是光刻機的核心組件。ASML擁有不同數(shù)值孔徑NA的透鏡系統(tǒng)，理論極限值與材料折射率成正比，透鏡系統(tǒng)長1~2米，對工藝要求極高。目前市面上最高級別的單反相機鏡頭加工產(chǎn)生的像差在200nm以上，而ASMLDUV高端投影物鏡的像差則被控制在2nm內(nèi)。最高級別的單反鏡頭可支持全畫幅6千萬像素分辨率，而ASML的投影物鏡的分辨率則可支持1600億畫素。除了工藝加持，物鏡內(nèi)還有多片可動鏡片，它們可以用來消除鏡頭組裝及光刻生產(chǎn)等過程中所產(chǎn)生的各種像差，這些像差變形都是肉眼不可見的，但我們必須要把像差控制在2nm內(nèi)，所以要把所有的誤差都考慮進去并進行修正。因此，這些可動鏡片覆蓋了垂直修正、傾斜修正和多向修正。1、照明系統(tǒng)位于光源和掩模臺之間，是光源高質(zhì)量加工的關(guān)鍵。照明系統(tǒng)為投影物鏡成像提供特定光線角譜和強度分布的照明光場。照明系統(tǒng)位于光源與投影物鏡之間，這是復(fù)雜的非成像光學(xué)系統(tǒng)。照明系統(tǒng)的主要功能是為投影物鏡成像提供特定光線角譜和強度分布的照明光場。照明系統(tǒng)包括光束處理、光瞳整形、能量探測、光場勻化、中繼成像和偏振照明等單元。照明系統(tǒng)有幾個組成部件：（1）光束處理單元：與光源相連，主要實現(xiàn)光束擴束、光束傳輸、光束穩(wěn)定和透過率控制等功能，其中光束穩(wěn)定由光束監(jiān)測和光束轉(zhuǎn)向兩部分組成。（2）光瞳整形單元：光刻機需要針對不同的掩膜結(jié)構(gòu)采用不同的照明模式以增強光刻分辨力，提高成像對比度。光瞳整形單元通過光學(xué)元件調(diào)制激光束的強度或相位分布，實現(xiàn)多種照明模式。（3）光場勻化單元：用于生成特定強度分布的照明光場。引入透射式復(fù)眼微鏡片陣列，每個微鏡片將擴束準直后的光源分割成多個子光源，每個子光源經(jīng)過科勒照明鏡組后在掩膜面疊加，從而實現(xiàn)高均勻性的照明光場。（4）中繼鏡：在掩膜面上形成嚴格的