光刻：自主可控核心环节，国产替代迫在眉睫

光刻：自主可控核心环节，国产替代迫在眉睫

光刻工艺

• 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：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（Overlay）：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。
  • 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。

光刻机部件

• 光刻机是芯片制造的核心设备，主要由光源系统、照明系统、曝光物镜系统、对准系统、硅片传输系统、环境控制系统、计算机控制系统等部分组成。
• 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。
  • 汞灯（g/i线）：通过汞蒸气放电产生特定波长的光。
  • 准分子激光（KrF、ArF）：通过放电使氪（Kr）和氟（F）混合气体形成激发态的KrF准分子和ArF准分子，发射出特定波长的激光。
  • 极紫外光（EUV）：目前主流的EUV光源产生方法是激光等离子体（LPP）技术，通过高功率脉冲激光聚焦在锡液滴靶上产生高温高密度等离子体，等离子体中的电子在复合过程中会辐射出13.5nm的极紫外光。
• 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：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，是影响数值孔径的关键。
  • 根据NA=n*sinα，物镜直径越大，sinα越大，数值孔径越大。
  • 投影物镜结构类型主要包括全折射型、折反射型、全反射型。
• 双工作台：高效曝光，提升产能核心部件，在同一设备中集成两个独立的工作台，每个工作台都具备完整的光刻曝光系统和自动化处理装置，可同时处理两个硅片或掩模，显著提高生产效率和设备利用率。
• 测量系统：工件台精准定位之基，直接影响着工件台位置测量精度、工件台定位精度，是影响光刻机的套刻精度的重要因素。
  • 目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种。
• 对准系统：套刻精度的核心保障，光刻作为集成电路制造中的核心工艺，其对准精度直接决定了芯片的性能与良率。
  • 对准标识是位于光刻掩膜和基片上高精度的特殊图案，用于帮助确认掩膜版和晶圆的相对位置。
  • 完成掩膜及晶圆的预对准和二者工件台的对准后，进一步实现掩膜版与晶圆的精确对准。

光刻机市场

• 全球光刻机市场由ASML、Nikon、佳能垄断。
  • ASML在高端光刻机绝对领先，佳能聚焦中低端光刻机领域。
  • ASML在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。
• 2024年全球光刻机市场规模达315亿美元，ASML在高端光刻机市场占据主导地位。
• 中国为半导体设备最大市场，光刻机需求量较大，但国产光刻机空间国内需求大于国产供给，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。
• 美日荷加强对华先进制程出口限制，光刻机国产化势在必行。

国内供应链厂商

• 上海微电子：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，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。
• 国科精密：专注高端曝光光学系统制造，承担了多项国家级科研项目，取得了显著的科研成果。
• 科益虹源：DUV光源制造商，中国唯一、全球第三家具备光刻准分子激光技术全链条研发和产业化能力的公司。
• 华卓精科：双工作台制造商，国内首家自主研发并实现光刻机双工件台商业化生产的企业。
• 福晶科技：全球头部LBO晶体、BBO晶体供应商，产品体系完备，涵盖晶体元器件、精密光学元件及激光器件。
• 茂莱光学：先进光学镜头供应商，专注于精密光学器件、光学镜头及光学系统的研发、设计、制造和销售。
• 福光股份：光学元件供应商，覆盖特种与民用光学，广泛布局高端光学市场。
• 汇成真空：国内镀膜设备供应商，主要产品为以真空镀膜技术及成膜工艺为核心的真空镀膜设备以及配套的工艺服务。
• 腾景科技：深耕精密光学与光通信，专注精密光学元组件与光纤器件，助力前沿科技发展。
• 炬光科技：聚焦光子技术全链布局，深耕光子产业链，覆盖从核心元器件到系统解决方案。
• 永新光学：全球领先光学显微镜厂商，专注于科学仪器和核心光学元组件业务的科技型制造企业。
• 波长光电：国内精密光学元件、组件的主要供应商，长期专注于服务工业激光加工和红外热成像领域。
• 菲利华：深耕石英玻璃赛道，专注开发气熔石英玻璃、合成石英玻璃、电熔石英玻璃与石英玻璃纤维及制品。

研究结论

• 光刻机作为芯片制造的核心设备，其技术水平和产能对芯片制造至关重要。
• 全球光刻机市场由ASML、Nikon、佳能垄断，ASML在高端光刻机市场占据绝对主导地位。
• 中国光刻机国产化率低，整机技术仍与海外存在差距较大，但国内企业加速研发突破光刻机制造技术，取得了重要进展。
• 国产光刻机产业链齐发力，加速替代进程，替代空间广阔。