光刻：自主可控核心环节，国产替代迫在眉睫

分辨率、套刻精度、产能为光刻机核心参数。光刻工艺是芯片制造流程中技术难度最大、成本最高、周期最长的环节，直接决定了芯片的最小线宽，定义了半导体器件的特征尺寸，先进技术节点的芯片制造需要60-90步光刻工艺，光刻成本占比约为30%，耗费时间占比约为40-50%。光刻中的核心工具包括光掩膜、光刻机和光刻胶，分辨率、套刻精度、产能为光刻工艺中的关键参数，分辨率是指光刻机能清晰地在晶圆上投影出的最小特征尺寸，可通过缩短波长、提高数值孔径、降低K1工艺因子提高。套刻精度是曝光显影后存留在光刻胶上的图形（当前层）与晶圆上已有图形（参考层）对准时能容忍的最大误差，可通过设备优化及材料与工艺协同提升，产能为衡量光刻机生产效率的核心指标，可通过技术改进。 光源、照明系统、投影物镜为光刻机核心组件。光刻机是芯片制造的核心设备，光源系统、照明系统、曝光物镜系统为核心组件，光源为光刻提供能量，不同制程和芯片类型需匹配特定光源，常见光源包括汞灯、准分子激光和极紫外光。当前先进光刻机光源供应商为ASML、日本Gigaphoton公司。照明系统对光源发出的激光进行扩束，确保光照的均匀性和强度，同时提供特定的照明模式以适应不同的工艺需求。 投影物镜为精准成像的关键，将经过掩模版图案后的衍射光收集并聚焦至晶圆表面的光刻胶上，全球来看，蔡司为投影物镜镜头龙头供应商，ASML镜头多由蔡司供应。 全球光刻机市场由ASML、Nikon、佳能垄断。ASML、Nikon、Canon三大供应商高度垄断全球光刻机市场，根据中商情报网数据，2024年全球光刻机市场规模达315亿美元，ASML在高端光刻机绝对领先，佳能聚焦中低端光刻机领域。根据ASML 2024年财报数据，各类光刻机收入占比中，EUV机型贡献了39.4%，ArFi机型占比45.8%，从产品单价来看，EUV（（NXE）为1.87亿欧元，Arfi产品ASP为0.75亿欧元。 国产高端光刻机亟待突破，产业链齐发力加速替代。国产光刻机空间国内需求大于国产供给，据智研咨询数据，2023年我国光刻机产量为124台，需求量为727台，供需关系严重不匹配，本土厂商供给能力有待加强。上海微电子是国内目前唯一前道晶圆制造光刻机整机制造商，光刻机产品主要对标CANON。公司自主研发600系列前道制造光刻机已实现 90nm 工艺芯片的量产。但高端光刻机方面仍处于研发阶段，尚未实现大规模量产。在海外制裁持续缩紧下，国产光刻机产业链齐发力，上海微电子、国科精密、科益虹源、茂莱光学等厂商加速进行相关组件研发，替代空间广阔。 风险提示：产品进展不及预期、客户导入不及预期、地缘政治风险。 1、光刻工艺：芯片制造技术难度最大环节 光刻工艺是芯片制造流程中技术难度最大、成本最高、周期最长的环节。芯片制造流程可分为芯片设计、前道工序（芯片制造）和后道工序（封测）三个环节。前道工序是芯片产业链的核心环节，包括扩散、薄膜、光刻、刻蚀、离子注入、化学机械抛光（（CMP）、金属化、量测等工序，通过层层往上叠的芯片制造流程，最终将芯片设计公司设计好的电路图移植到晶圆上，并实现预定的芯片电学功能。其中光刻工艺是芯片制造流程中技术难度最大、成本最高、周期最长的环节，光刻技术水平直接决定了芯片的最小线宽，定义了半导体器件的特征尺寸，直接决定芯片的制程水平和性能水平，先进技术节点的芯片制造需要60-90步光刻工艺，光刻成本占比约为30%，耗费时间占比约为40-50%。 图表1：半导体制造八大步骤 光刻的核心工具包括光掩膜、光刻机和光刻胶。光刻工艺是指利用光刻机发出的光通过具有图形的光罩（掩模版）对涂有光刻胶的薄片曝光，光刻胶见光后会发生性质变化，从而将光罩上得图形复印到晶圆上，使晶圆具有电子线路图的作用。光刻的核心工具包括光掩膜（（如同芯片的蓝图，上面印有每一层结构的图案）、光刻机（（像一把精确的画笔，能够引导光线在光刻胶上刻画出图案）和光刻胶（一种特殊的感光材料，通过光刻过程在光刻胶上形成图案，进而构建出三维结构）。 图表2：光刻示意图 光刻工艺一般需要经历表面处理、旋转涂胶、前烘、对准曝光、后烘、显影、坚膜烘焙和检测八道工序： 表面处理：1）清洁：硅片需要经过湿法清洗以去除表面的颗粒和有机物污染。2）冲洗：使用去离子水进行彻底冲洗，确保所有杂质都被清除。3）增粘处理：硅片会被暴露于六甲基二硅烷（HMDS）气体中，这种气体可以使硅片表面脱水并形成一层疏水性的表面，从而提高光刻胶的附着力。 旋转涂胶：采用旋转涂胶法，将光刻胶滴在硅片中心，随着硅片的缓慢旋转，光刻胶会被均匀涂抹，并达到稳定的厚度。硅片边缘通常需要倒角处理，以避免光刻胶在边缘堆积。 前烘：涂抹好光刻胶的硅片会放置在专门的烘箱中进行前烘处理，以加速光刻胶的固化，使其变得更加坚固，同时提高光刻胶与硅片之间的粘附力。 对准曝光：硅片会被装载到光刻机中进行对准和曝光，对准：光掩膜和硅片工件台需要进行精密对准和平整调整。曝光：光源开始发光，通过移动工件台的方式，确保硅片上的每个区域都能得到精确的曝光。 后烘：为了确保光刻胶中的光化学反应能够充分完成。通过加热，可以弥补曝光强度不足的问题，确保图案转移的质量。 显影：硅片会接触显影液，正性胶的曝光区和负性胶的非曝光区则会在显影中溶解。 显影后，使用去离子水彻底清洗硅片，以去除残留的显影液和溶解的光刻胶，最终在光刻胶上重现光掩膜上的图案，以此呈现出三维的图形。（正性光刻胶使用更为普遍，占到总量的80%以上） 坚膜烘培：经过显影后的晶片，需要一个高温处理过程，成为坚膜，主要作用为进一步增强光刻胶对衬底的附着力，同时减少光刻胶中的溶剂含量，防止多余的水分影响后续的刻蚀沉积与离子注入。 检测：验证光刻胶薄膜的厚度、套刻精度等指标，只有当达到所需的精度标准后，硅片才能进行刻蚀或者沉积等后续工艺。 图表3：光刻工艺基本步骤 分辨率、套刻精度（Overlay）为光刻工艺中的关键参数。分辨率是指光刻机能清晰地在晶圆上投影出的最小特征尺寸，可理解为两个相邻的点能被区分的最小距离，根据瑞利准则，当一个艾里斑中心与另一个艾里斑的第一级暗环重合时，达到极限点，此时两个光斑刚好可被分辨，能区分两个光斑的最小距离，就是分辨率。套刻精度是曝光显影后存留在光刻胶上的图形（当前层）与晶圆上已有图形（参考层）对准时能容忍的最大误差。除分辨率与套刻精度外，光刻机重要性能参数还包括产率（曝光速度）、视场、调控传递函数、掩膜版误差因子（硅片上曝出的线宽对掩膜版线宽的偏导数）、焦深等。 图表4：瑞利准则对分辨率定义 光刻分辨率由光源波长、数值孔径、光刻工艺因子决定。根据瑞利准则，分辨率公式为R=k1*λ/NA（（分辨率与数值孔径成反比，与光源波长和工艺参数成正比）。其中，NA为光学器件的数值孔径，衡量系统所能收集光的角度范围，计算公式为NA=n*sinθ（n为介质折射率，θ为孔径角（物镜光轴上点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度）的一半），孔径角越大，透镜的光通量越大。K1为光刻工艺因子，理论上单次曝光k1的最小极限约为0.25。 图表5：光线通过透镜系统聚焦成像示意图，n为介质折射率，θ为镜头的聚光角度 根据分辨率公式可以看出，改善分辨率核心在于缩短光源波长、增大数值孔径、降低工艺因子。 （1）光源波长：光刻机历经五代，波长从 436nm 缩小约30倍，达到 13.5nm ，对应节点从μm级升级到最先进的 3nm ，光源波长的缩短支撑了摩尔定律的发展。 20世纪六七十年代，集成电路产业制造初期采用接触式光刻技术，以可见光作为光源；80年代广泛应用接近式光刻技术，并改用高压汞灯产生的紫外光（UV），g线和i线是紫外光中能量较高的谱线， 365nm 的i-line可将最高分辨率推动至220nm ；80年代中期，IBM/Cymer等公司开始研发深紫外（DUV）准分子激光，最高分辨率降低至KrF（ 110nm ）和ArF（ 65nm ），采用ArF光源的第四代光刻机是目前应用最广泛的一代。随着工艺节点发展到 7nm 及以下，20世纪初期产业联合研发第五代EUV光刻机，使用 13.5nm 的极紫外光，比DUV短14倍以上。 图表6：光刻光源世代演变 （2）数值孔径：NA=n（折射率）（ sinα，可以通过增加投影物镜的直径（影响sinα） 来提高NA。理论上限接近1，但不可能无限大，同时可以通过提升介质折射率提高数值孔径。 图表7：投影物镜NA发展路径 图表8：物镜的焦距越短则孔径角越宽，从而获得更高的NA和分辨率 （3）降低工艺因子K1：在波长特定，NA有上限情况下，降低工艺因子是降低分辨率的重要措施，主要通过OPC、相移掩膜、离轴照明、添加亚分辨率辅助图、多重曝光、ILT、SMO等技术。 OPC（光学邻近正正）（ ：对因邻近效应产生的图形缺陷和变形，在掩膜版制作时进行补偿，建立补偿规则库或模型。包括基于规则的OPC（RB-OPC），通过建立掩模修正规则表格，查表修正掩模局部结构；基于模型的OPC（（MB-OPC），利用光刻成像模型，将OPC问题转化为数学优化问题来求解。 添加亚分辨率的辅助图形（SRAF）：掩膜上添加一些尺寸小于光刻系统分辨率的辅助图形，通过影响光的衍射和干涉，改善主图形成像质量、减少光学邻近效应影响。 相移掩膜（PSM）：在传统光罩的相邻缝隙上覆盖相移层，使电场反相，让相邻缝隙的电场因相位相差180°而互相抵消，从而提高分辨率（使用厚度为特定值的透明材料作为相移层，厚度d=λ/2（n-1），其中n为相移材料的折射率，λ为波长）。 离轴照明（Off-AxisIllumination）：将照明光线由正入射改为倾斜入射，与物镜主光轴形成一定夹角，使得同等NA下可容纳光量提升，以提升分辨率。 多重曝光技术：通过多次曝光和图形叠加的方式，将复杂的图形分解为多个简单的图形进行光刻，每次曝光使用不同的掩模和光刻条件，最终将多次曝光的图形组合在一起，实现更高分辨率的图形制作。该方式对套刻精度要求极高，包括LELE、SADP（自对准双重曝光）、SAQP（自对准四重曝光）等。 光源-掩膜协同优化（SMO）：采用类似光线追踪算法思路，从成型目标图像反推计算，获得最佳掩膜版图形和光源配置方案。利用精确成像模型，计算不同光瞳填充参数及掩膜版图修正量下的光刻成像效果，通过优化调整光瞳填充参数及掩膜版图，增大光刻工艺窗口。 逆光刻技术（ILT）：以晶圆上要实现的图形为目标，反演计算出掩膜版上所需要的图形。不仅对设计图形修正，还能根据目标图形反演计算掩膜图形，通过复杂数学计算得到理想掩膜图形，曝光时可提供较高成像对比度。 偏振照明：通过起偏器可以将自然光转换为偏振光，起偏器只允许特定方向振动的光通过，而吸收或阻挡其他方向振动的光。检偏器则用于检测光的偏振状态，通过偏振照明，以减少反射眩光，提高对比度。 图表9：OPC处理前后的图形及其曝光结果 图表10：二元掩模版VS相移掩模版 图表11：光源掩模协同优化的计算结果 套刻通常指光刻过程中每一层图形都需要精确转移到硅片面上的正确位置，使其相对于上一层图形的位置误差在容限范围之内。对于投影光刻机而言，不同层之间的误差主要取决于系统的对准精度，因此对准系统的在线测量精度是影响套刻性能的关键因素。一般来说，套刻误差只允许在光刻分辨力的1/3~1/5范围以内，而对准误差只允许在套刻误差的1/3以内。 图表12：套刻误差原因 产能（Throughput）：通常用WPH（（Wafer per hour）表示，是衡量光刻机生产效率的核心指标。当前ASML的NXT系列高端浸入式光刻机NXT2150i产能≥310WpH，NXT：2100i≥295WpH。 图表13：ASML DUV产品矩阵 图表14：ASML DUV产品战略 图表15：ASML NXT：2100i与2150i产品情况 2、光刻机部件：光源、照明系统、投影物镜为核心组件 光刻机是芯片制造的核心设备，主要由光源系统