电子行业专题：芯片制造核心瓶颈环节，光刻机国产替代加速推进

光刻机是芯片制造核心设备，对制程升级发挥关键作用： 在芯片制造过程中，光刻工艺是最关键的一步，能够将图案从光掩模高精度地转移到衬底（通常是硅片）上。芯片工艺升级的主要目标之一是在半导体器件上实现更小的特征尺寸，具有先进技术的光刻机，如极紫外（EUV）光刻，允许更短的光波长，从而能够创建更小的图案并实现更高的分辨率，对芯片制程升级发挥关键作用。DUV光刻机通过多重曝光最高实现 7nm 制程，而波长更短的EUV光刻机可以实现 5nm 及以下制程。 全球光刻机市场超过200亿美元，ASML垄断高端市场： 2022年全球光刻机市场超过200亿美元，ASML、Canon、Nikon三大巨头垄断了大部分市场份额，光刻机营收分别达到了161亿美元、20亿美元、15亿美元，市场份额分别为82%、10%、8%。在超高端的EUV光刻机上，基本上ASML处于垄断地位。 国产 28nm immersion式光刻机实现突破： 国产光刻机在技术节点上与国际厂商相比仍有差距，其中上海微电子是国内光刻机龙头企业，其SSX600系列光刻机可满足IC前道制造 90nm 、 110nm 、 280nm 关键层和非关键层的光刻工艺需求，可用于8寸线或12寸线的大规模工业生产。在之前 90nm 的基础上，上海微电子即将量产28nm immersion式光刻机，在2023年交付国产第一台SSA/800-10W光刻机设备。 国内厂商在多个光刻机零部件环节实现突破： 全球光刻机零部件市场规模约124亿美元，在零部件市场上，国内厂商已经在多个环节实现突破。茂莱光学研发的DUV光学透镜已应用于SMEE国产光刻机中，公司半导体检测设备光学模组供货KLA，公司投影镜分辨率达到 30nm 以下，而国外的ZEISS分辨率小于 0.25nm ；目前针对EUV光源，国内也有研究机构取得一定进展。早在2017年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的“极紫外光刻关键技术研究”获得国家02专项的验收，从而推进了我国对EUV的技术研发；福光股份有望为光刻机等领域提供高精密光学镜头及光学系统；苏大维格向SMEE提供定位光栅部件，公司光栅尺周期精度小于 1nm ，且公司纳米压印技术国内领先；而 机潮有望带动消费电子复苏 光学晶体方面，福晶科技可供货LBO晶体、BBO晶体、Nd:YVO4晶体、磁光晶体；激光器方面，炬光科技提供的光源不均匀度控制在1%以下，国外FLSBA的光源不均匀度在3%~5%；晶方科技子公司控制的Anteryon为全球同时拥有混合镜头、晶圆级微型光学器件工艺技术设计、特性材料及量产能力的技术创新公司，其产品可广泛应用于半导体精密设备，目前为ASML持续供货。奥普光电为国内高端光栅编码器龙头，公司光栅编码器（用于测量对准精度）精度为 1um/m ，国外海德汉公司精准度为 3um/m 。 投资建议： 光刻机是“工业王冠上的宝石”,是芯片制造中最复杂、最昂贵的设备，国产替代势在必行，推荐炬光科技（688167）、晶方科技 （603005）;建议关注茂莱光学（688502）、福晶科技（002222）； 光刻机光学镜头关注福光股份（688010）；光刻机光源系统关注波长光电（301421），奥普光电（002338）；合分束器关注腾景科技 （688195）;温控设备推荐同飞股份（300990）;陶瓷零部件推荐中瓷电子（003031），建议关注旭光电子（600353）；直写光刻设备建议关注芯碁微装（688630）、苏大维格（300331）等。 风险提示： 研发技术风险、运营资金风险、市场价格变动风险、供应链存在的风险、政策风险。 1.光刻机：芯片制程升级的核心设备 1.1.光刻机将电路图案转移硅片上，是芯片制程升级的核心设备 光刻机是芯片制造的核心设备。光刻机的主要功能是将图案从光掩模高精度地转移到衬底（通常是硅片）上，它也被称为掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等，是制造芯片的核心装备。光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上。然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图（即芯片）。 光刻机在芯片制程升级中发挥关键作用。芯片工艺升级的主要目标之一是在半导体器件上实现更小的特征尺寸。具有先进技术的光刻机，如极紫外（EUV）光刻，允许更短的光波长，从而能够创建更小的图案并实现更高的分辨率。 图1.ASML旗下EUV光刻机 光刻是制造芯片的核心技术之一，是一种精密的微细加工技术。它采用类似照片冲印的技术，将电路图形转移到硅片或介质层上，以实现电路图形的刻画和复制。光刻机的工作原理是采用波长为2000～4500埃的紫外光作为图像信息载体，以光刻蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片（主要指硅片）或介质层上的一种工艺。光刻环节直接决定芯片的制成水平和性能水平，耗时占整个制造环节的一半，成本占据芯片生产的三分之一。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片，线路图的层数越多，也需要更精密的曝光控制过程。 图2.光刻工艺流程图 光刻机技术原理是基于光学投影技术，通过特殊设计的镜头系统和精密的光学系统，将掩模上的电路图形高精度地转移到硅片上的光刻胶上。光刻机需要采用高级镜头技术、高精度对准技术等，以实现更高的分辨率和更精确的图案转移。此外，光刻机还需要采用一系列关键技术来提高分辨率和图案转移的精度，如光学邻近效应修正（OPC）技术可以补偿邻近物镜像差和非线性效应，使实际投影图像与理想图像更加接近。 图3.光刻工艺技术图 图4.TWINSCAN NXT2100i光刻机内部结构 1.2.光刻机的主要技术指标包含分辨率、光刻机精度、产能 光刻机的性能是基于以下关键性能指标来评估，分别是光刻机的分辨率、光刻机精度（包含覆盖精度和对准精度）、产能。根据瑞利准则，分辨率公式为R=k1*λ/NA，λ代表光源波长，NA代表物镜的数值孔径，k1代表与光刻工艺因子。分辨率是光刻机精确定义精细特征和图案能力的关键指标。 对于EUV光刻，极紫外光源的波长是一个关键的性能参数。较短的波长允许更小的特征尺寸和更好的分辨率。高分辨率也要求物镜拥有更大的直径、更多的物镜组合以及更加先进的物镜工艺。 图5.可见光谱图 图6.物镜系统 精度：精度包括覆盖精度以及对准精度。覆盖精度测量机器在硅片上对齐和准确定位多个掩模层，对于半导体器件的不同层精确对齐至关重要。对准精度衡量光刻机对掩模和基板的对准精度。以光双工件台系统为例，工件台和掩模台只有同步运动才能保证良率。而其精度要通过激光干涉仪来测量以确保其误差在可控范围之内。通常激光干涉仪精度 10nm 能支撑 90nm 光刻机， 1nm 能支撑 7nm 光刻机。ASML的EUV光刻机的激光干涉仪的有效位移测量分辨力为38pm。 图7.双频激光干涉仪原理框图 图8.LIGO激光干涉仪 产能:产能通过处理量来体现。主要指光刻机处理晶圆的速度，以每小时(WPH)的晶圆来衡量，对于半导体制造的整体效率至关重要，更高的吞吐量允许更快的生产和更低的每芯片成本。 光刻机的晶圆需要按部就班进行测量、对准、曝光程序，因此在一定程度上限制了光刻机的产能。自21世纪初，ASML推出双工件台光刻机的产能实现跨越式的提升。系统可以通过双工件台实现各个程序同步进行。 图9.Nikon基于Tandem Stage的双工件台光刻机 1.3.光刻机演进历程:从接触式到EUV 光刻机最早的历史要追溯到上世纪。1955年，贝尔实验室将制造印刷电路板的光刻技术应用到矽片上。3年后，仙童半导体制造了第一台“步进重复”光刻照相机。20世纪60年代，GCA公司制造出第一台接触式光刻机。在此之后，尼康和佳能加入光刻机行业研究。随后，尼康推出了第一台步进式光刻机。1984年ASML成立，并于21世纪初推出双工件台光刻机。2003年ASML推出浸没式光刻机，至此ASML奠定光刻机统治地位。十年后，世界上第一台EUV量产产品由ASML推出，其垄断地位进一步加强。 接触光刻（1950年代）：最早的光刻技术，它是一种通过直接物理接触将图案从光掩模(具有所需图案的掩模)转移到衬底(如硅片)的方法。在接触光刻机中，光掩膜和承印物彼此直接物理接触。掩模直接放在基板的顶部，紫外线通过掩模照射，将图案转移到基板上。该工艺通常用于较小特征的图案，并且通常与较旧的半导体制造工艺相关联。由于光的衍射以及在不损坏掩模或晶片的情况下进行直接接触的挑战，它在实现精细分辨率方面存在局限性。 图10.接触式光刻示意图 接近光刻机：接近光刻技术将图案从光掩模转移到硅片，掩模和衬底之间具有小间隙。在近距离光刻机中，光掩膜靠近基板而不是直接接触基板。与接触式光刻相比，邻近光刻具有一些优势，例如降低掩模和基板损坏的风险，以及与接触式光刻相比能够实现更小的特征尺寸。 这种方法在接触光刻后不久出现，增加了掩模和晶片之间的距离以防止损坏，但面临类似的分辨率限制。 图11.接近式光刻示意图 步进扫描光学光刻（1980年代至1990年代）：扫描投影光刻技术是一种高分辨率、高通量的工艺，该技术使用扫描过程，其中掩模和基板保持静止，投影系统扫描基板上的图案。扫描投影光刻机通过以步进重复的方式扫描光掩模图案在基板上进行操作，其中基板逐渐移动以暴露不同区域。 深紫外（DUV）光刻术（20世纪90年代至2010年代）：随着对更小特征的需求，光刻术进入了深紫外光谱，最初在 248nm 左右，然后逐渐发展到 193nm 等更短的波长。这些进步允许更精细的细节，但需要复杂的光学系统来处理更短的波长。 2000年8月，阿斯麦尔的首台TWINSCAN系统光刻机出货，这是光刻机行业的一大进步。此前的光刻机都只有一个工件台，而阿斯麦尔创新为双工件台，在一个工件台进行12英寸晶圆曝光的同时，另外一个工件台进行曝光之前的预对准工作，生产效率可惊人地提高大约35%。 图12.深紫外（DUV）光刻术 浸没式光刻：为了进一步提高分辨率，引入了浸没式光刻。在透镜和晶片之间使用液体（通常是水）代替空气，从而可以有效地使用更短的波长。2004年，光刻机厂商阿斯麦尔率先研制出浸没式光刻机改进成熟并顺利投入使用。 双重图案化和多重图案化：作为一种突破分辨率限制的解决方案，这些方法包括将图案分割为多次曝光，以实现比单次曝光更精细的特征。 图13.浸没式光刻的技术原理及系统结构 极紫外（EUV）光刻（2010年代至今）：EUV光刻利用了约 13.5nm 的极短波长，在不依赖复杂的多重图案化的情况下实现了更小的特征。依靠EUV光刻机，已经能实现 7nm 及以下更加精细制程。 图14.EUV光刻机原理 2.光刻机市场达200多亿美元，ASML垄断高端市场 2.1.光刻机约占半导体设备市场24% 据SEMI发布的数据显示，2013-2022年全球半导体设备市场规模由318亿美元增长至1074亿美元，CAGR为14.5%；同期中国大陆半导体设备规模由34亿美元增长至283亿美元，CAGR为26.5%，显著高于全球水平。随着消费电子、PC等下游市场的繁荣和5G、AI、云计算等新应用领域的拓展，全球半导体需求持续增长，进而推动了半导体厂商的资本开支进入上升周期，半导体设备市场规模也随之提升。 2022年全球光刻机市场规模约为258亿美元。半导体设备=制造设备+封测设备，根据SEMI数据，2022年全球半导体设备市场中，晶圆制造设备市场规模占比超过85%，在晶圆制造的所有设备中，市场投资占比最高的是光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备，占整个半导体设备比重分别为24%、20%和20%，这三种设备合计市场规模占整个半导体设备比重为64%。结合此前SEMI给出的2022年半导体设备市场1074亿美元的数据