半导体行业深度分析报告：光刻为半导体设备之巅，冰山峰顶待国产曙光

光刻是半导体生产中最重要的工艺步骤：光刻是半导体器件制造的最核心步骤，直接决定集成电路的性能和良率。光刻机的核心工艺指标包括：分辨率、聚焦深度、套刻精度、曝光功率及单位时间产能等。主流的光刻机均采用浸没系统、可编程光照、畸变修正、热效应修正、对准与表面测量等高难度技术。 光刻设备均具有高技术附加值,毛利率超过50%。 成熟工艺领域为主，国内光刻设备市场广阔：中国大陆以成熟制程为主的半导体产线不断扩产，产生了大量光刻设备的需求。2021年ASML有高达27.4亿欧元的营收来自中国大陆（其全球第三大市场）；全球光刻设备市场规模超180亿美元，显影涂胶设备市场超30亿美元。国产光刻曝光设备尚处于实验阶段；显影涂胶设备已覆盖浸没式ArFi工艺节点，突破动能强劲。 光刻机上游零部件市场有待发掘：光刻机的运行需光源、照明、掩膜台、物镜、工件台等多个精密系统组合工作，全球光刻零件市场至少约70亿美元（按50%毛利率推算）。相比其他半导体零件，光刻机零件单个价值量高，技术难度大。贸易限制导致海外供应链风险剧增，国内光学企业成为不二之选，技术能力与对应产品的盈利能力有望加速成长。 投资建议：在光刻配套设备与零件方面，建议关注苏大维格（300311.SZ）、茂莱光学(688502.SH)、芯源微（688037.SH）、精测电子（300567.SZ）、盛美上海（688082.SH）、美埃科技（688376.SH）、炬光科技（688167.SH）、福晶科技（002222.SZ）等。 风险提示：半导体行业景气度下滑，光刻设备需求不及预期；贸易保护主义因素导致国内晶圆厂扩产放缓；光刻设备与组件技术难度大，相关研发进度可 表1：重点公司投资评级: 图1.光刻产业链格局图 1光刻设备：半导体制造的核心装备 1.1光刻：决定芯片性能最关键工艺 自1958年第一块集成电路诞生以来，其工艺技术持续高速发展。随着集成电路工艺制程的不断升级，晶体管集成度不断提高；观察到这一行业发展态势，英特尔创始人之一的戈登.摩尔（Gordon Moore）提出：当价格不变时，芯片容纳的晶体管数大约每18个月到24个月翻倍，这就是著名的摩尔定律。芯片集成密度与可靠性的不断提升，推动了从大型机到个人电脑，再到移动终端、物联网、人工智能的电子工业的革命。 图2.芯片性能的发展整体遵循摩尔定律 自1960年代以来，芯片性能的发展整体遵循摩尔定律。但高速持续发展并非自然而然的，而是蕴含着集成电路设计、芯片生产、电子材料、半导体设备行业长期的研发积累与不断改进。改进分为两大类：工艺和结构。工艺的改进以更小的尺寸来制造器件和电路，并使之具有更高的密度、更多的元器件数量和更高的可靠性；器件结构设计上的创新使电路的性能更好，实现更佳的能耗控制和更高的可靠性。无论是缩小尺寸还是构造创新，均需要以光刻机为核心的半导体设备支持； 作为芯片制造的工业母机，光刻机等设备历经了数次重大升级革新。 图3.光刻的基本原理 光刻、刻蚀、薄膜沉积，同为集成电路制造的三大工艺；其他的步骤则包括清洗、热处理、离子注入、化学机械抛光、量测等。 光刻是将设计好的图形从掩模版或倍缩掩模版，转印到晶圆表面的光刻胶上所使用的技术。光刻技术最先应用于印刷工业,并长期用于制造印刷电路板。半导体产业在1950年代开始采用光刻技术制造晶体管和集成电路。集成电路制造都是利用刻蚀、沉积、离子注入将描绘在光刻胶上的图形转移到晶圆表面，故晶圆表面的光刻胶图案是最基础的电路图案。描绘在晶圆上的最基本电路结构由光刻产生,因此光刻是集成电路生产中最重要的技术。 图4.芯片生产的工艺步骤 完整的光刻工艺包括多个细分步骤：1.气相成底膜和增粘：对原始硅片清洗、脱水，并涂抹增粘剂。2.旋转涂胶：对晶圆表面做光刻胶涂覆，实现指定的厚度和均匀性，并把边缘和背面多余的光刻胶清洗掉。3.软烘：去除光刻胶中的溶剂。 4.对准和曝光：将掩膜版和晶圆精确对准后进行曝光。5.曝光后烘焙：通过一定温度激发曝光产生的酸，使部分光刻胶溶于显影液并提高显影的分辨率。6.显影：喷涂显影液，溶解光刻胶上被光照射过的区域，形成电路图形。7.坚膜烘焙：热烘进一步去除残留的光刻胶溶剂，并提高光刻胶的粘性。8.显影检查：检测显影后的电路图案，如果不符合要求需重新进行光刻步骤。 现代集成电路一般由多层结构组成，在芯片的生产中，需多次重复光刻、刻蚀、沉积等步骤，层层成形并最终形成完整的集成电路结构。 图5.ASML光刻机的全球供应链 光刻机是光刻步骤的核心设备，也是技术难度和单价最高的半导体设备。荷兰ASML公司的光刻机供应链包括全球各地5000家供应商，应用到了光学、电磁学、材料学、流体力学、化学等领域最尖端的研究成果。同时，光刻机集成了精密自动化机械、高性能仿真软件、高灵敏度传感器、图像识别算法等多个子模块， 光刻技术是集成电路制造的核心。从原始的硅片起到键合垫片的刻蚀和去光刻胶为止,即使最简单的MOS IC芯片都需要5道光刻工艺,先进的集成电路芯片可能需要30道光刻工艺步骤。集成电路制造非常耗时,即使一天24小时无间断地工作,都需要6 ~ 8周时间完成芯片，光刻工艺技术就耗费了整个晶圆制造时间的40% ~50%。 图6.多类设备与光刻密切相关 此外在光刻工艺中，涂胶显影设备、量测设备、光刻计算软件系统与光刻机配套运行。 涂胶显影设备具备增粘处理、光刻胶（也包括抗反射层和抗水涂层）涂布、烘烤、显影液喷涂、晶圆背面清洗和去边、浸没式光刻工艺中晶圆表面去离子水冲洗（水渍消除）等功能。涂胶显影设备的工作性能和工艺质量，直接影响到光刻的良率。 图7.光刻配套的量测设备/部件 图8.光刻计算系统 量测设备对光刻后电路图形的套刻误差（若干次光刻之间）、关键尺寸进行测量，并扫描识别图案缺陷，监控工艺质量并，将信息反馈给光刻计算系统以改善工艺。 光刻计算系统是光刻步骤的神经控制中枢：它能够依据给定的部分参数，对光刻的工艺流程、材料、环境进行高精度仿真，预测光刻的结果，节省大量试错的成本。同时，光刻计算系统也会根据量测设备反馈的测量参数，调整光刻设备的光照、聚焦、掩膜系统的各项设置参数。 图9.光刻机描绘电路的图纸：掩模版 图10.光刻机绘图的底板：涂布中的光刻胶 除了各类设备之外，光刻工艺中所使用到的光刻胶、掩膜版、电子特气等也具有较高的技术壁垒。 光刻胶（Photoresist）是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等照射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。由感光树脂、增感剂和溶剂3种主要成分组成的对光敏感的混合液体。曝光后的光刻胶经过显影液处理后，会留下所需要的电路图案。 光刻掩膜版（光罩Mask Reticle），是光刻工艺所使用的图形母版。由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形结构，通过曝光过程将掩膜版上图形信息转移到光刻胶图形上。 光刻用电子特气主要包括Ar/Ne/Xe、Kr/Ne、F2/Kr/Ne、F2/Ar/Ne。光刻气中的惰性气体和卤素气体在受到电子束激发后所形成的准分子发生电子跃迁后可产生特定波长的光，即可产生准分子激光。 1.2光刻图谱：多种路线并存，扫描式光刻为主流 半导体生产中，光刻技术的发展经历了多个阶段。接触/接近式光刻、光学投影光刻、分步（重复）投影光刻出现时间较早。集成电路生产主要采用扫描式光刻、浸没式扫描光刻、极紫外光刻的工艺。此外，X射线/电子束光刻、纳米压印、激光直写技术可能是未来的技术突破方向。 图11.光刻技术的发展图谱 1.2.1接触/接近式光刻机（Aligner）：光刻设备鼻祖 1961年美国GCA公司制造出了第一台接触式光刻机，掩模盖与光刻胶图层直接接触，光线透过掩膜进行曝光时可以避免衍射。接触式光刻机的工作方式，对光刻胶和掩模版都存在损坏和污染，生产良率低，掩模版寿命短。为解决上述问题，产生了接近式光刻机，掩膜和表面光刻胶之间存在微小空隙。这些新设计提高了良率和使用寿命，但是光在微小间隙中的衍射现象，使得最高分辨率只有3微米左右。这一时期的光刻机厂商有Siemens、GCA、Kasper Instruments和Kulick＆Soffa等，典型的芯片产品有英特尔4004/3101。接近/接触式光刻厂家，目前还有德国苏斯和奥地利EVG,其设备主要服务于MEMS、先进封装、三维封装、化合物半导体、功率器件、太阳能领域。 图12.接触/接近式光刻机 图13.德国苏斯公司的光刻机 1.2.2扫描投影/重复步进光刻机（Stepper）：仍满足大线宽工艺 Perkin Elmer在1973年推出了Micralign100，世界首台投影式光刻机，采用汞灯光源，孔径数值0.17，分辨率2微米。工作过程中，扫描台承载硅片与掩膜版同步移动，汞灯发出的光线经过狭缝后成为均匀的照明光，透过掩膜将图案投影在光刻胶上。其对称的光路设计可以消除球面镜产生的大部分像差，Micralign让芯片生产的良率，从10%提升到了70%。 图14.初代投影光刻机的工作原理 图15.三种投影光刻机的成像方式 为了满足更高的进度要求，1978年,美国GCA公司推出了首台步进重复投影光刻机。其工作原理如上右图中第二小图所示，硅片表面存在若干个曝光场（22mmx 22mm），分步重复投影光刻机每次整体曝光一个场。 步进重复光刻机不需要实现掩模和圆片同步反向扫描，在结构上不需要扫描掩模台和同步扫描控制系统，因而结构相对简单，成本相对较低，性能更加稳定。同时，由于其采用缩小倍率的物镜（4:1或5:1或10：1），降低了掩膜版的制作难度，能够满足0.25微米以上线宽制程的工艺要求。目前，步进重复光刻机仍然广泛应用在非关键层、封装等领域，采用g线或i线光源，少数高端设备采用KrF光源。 图16.上海微电子步进重复光刻机 上海微电子装备公司于2009年开发SSB500系列步进重复光刻机，2015年在封装领域市占率已达40%。 1.2.3步进扫描光刻机（Scanner）：主流光刻设备通用 集成电路工艺制程达到0.25微米后，步进扫描式光刻机的扫描曝光视场尺寸与曝光均匀性更具优势，逐步成为主流光刻设备。其利用26mmx8mm的狭缝，采用动态扫描的方式（掩膜版与晶圆片同步运动），已经可以实现26mmx33mm的曝光场。当前曝光场扫描完毕后，转移至下一曝光场，直至整个晶圆片曝光完毕。 图17.步进扫描式光刻双工件台 图18.步进扫描光刻机运动原理 通过配置不同类型的光源（I线、KrF、ArF，EUV），步进扫描光刻机可以支持所有集成电路工艺节点；但为满足高端工艺节点的性能要求，每一代步进扫描光刻机都历经了重大技术升级。例如：步进扫描式光刻机26mm x 8mm的静态曝光场相对较小，降低了物镜系统制造的难度；但其工件台与掩膜台反向运动的动态扫描方式，提升了对运动系统的性能要求。对此，荷兰ASML公司于2001年首次推出了双工件台，满足先进工艺的的速度、精度、稳定性要求。 1.3各项革新推向光刻性能巅峰 自1990年美国SVGL公司推出Micrascan I步进扫描光刻机以来，全球主流光刻机厂商均采用步进扫描光刻原理。这其中，DUV步进扫描光刻机包揽7纳米及之前的全部工艺制程。在1990到之后的这近30年时间里，集成电路制造工艺水平已经发生翻天覆地的变化。而为了满足先进制程的各项要求，光刻机除了之前提到的双工件台外，还采用了多项其他重大革新。 图19.7纳米（含）前制程均用DUV光刻机完成 更高端的工艺制程的集成电路，具有更小的线宽，这就需要光刻机具有更高的曝光分辨率。此时就需提到决定光刻分辨率的公式R=K1・λ/Na。其中，K1为工艺因子常数，与照明方式、掩膜类型、光刻胶显影性能等参数相关;λ为光源波长； Na为物镜的孔径数值。光刻机不断提高物镜的孔径数值，并采用波长更短的光源来提高分辨率水平。 图20.ASML光刻机性能参数不断进步 SVGL公司于1993年推出的Micrascan