科技主题研究：光刻技术背后的投资机遇-另辟蹊径探索国产半导体产业链

此报告最后部分的分析师披露、商业关系披露和免责声明为报告的一部分，必须阅读。下载本公司之研究报告，可从彭博信息：BOCM或https://research.bocomgroup.com 交银国际研究 行业剖析 2023年11月29日 科技主题研究 光刻技术背后的投资机遇——另辟蹊径探索国产半导体产业链 国产半导体技术突破，未来可期。华为Mate60Pro手机发行受到市场的广泛关注。TechInsights的拆机实验发现华为或在此款新手机或搭载了国产7 纳米制程工艺的逻辑芯片。我们认为，华为使用国产7纳米制程逻辑芯片技术主要归功于国产半导体产业链突破了DUV光刻机从两次曝光到多次曝光条件下良品率和生产率的瓶颈问题。相较于境外半导体产业链目前普遍使用EUV光刻机制造7纳米工艺制程芯片，国产半导体产业链另辟蹊径，成功取得技术上的进步。我们看好半导体产业链国产化的趋势，但是有别于市场上部分着重看好光刻机或是半导体制造公司的观点，我们通过深挖不同半导体制造技术原理，强调半导体沉积和刻蚀设备在多次曝光中的重要作用。我们认为，国产7纳米制程工艺的突破或将增加包括刻蚀和沉积在内的半导体设备的需求。 国产半导体制程升级技术路线利好刻蚀和沉积厂商，关注国产替代半导体设备龙头。我们认为，相比较境外厂商的技术路线，国产半导体产业链或在一段时间内依赖DUV配合多次曝光的技术路线。相较14/16纳米制程工 艺，7纳米制程工艺所需要的沉积和刻蚀工序数量或将增长50%-67%。我们预测全球沉积和刻蚀设备在半导体设备价值量的占比将从2022年的43%增加到2026年的54%，并预测内地半导体设备销售额或将继续增长。我们对比了内地和境外半导体技术路线在7纳米制程之后的区别，并通过参考历史上半导体制程的技术分布变化，预测国产半导体制造公司就工艺制程一项在3年时间或对沉积和刻蚀的需求(2025年相对2022年)增长66%，对应18.3%的CAGR。我们建议投资者关注半导体设备国产替代背景下，国产刻蚀和沉积设备厂商中微公司（688012CH）和北方华创（002371CH）。 短期内形成产业闭环是关键。与大部分研究展望推算国产更先进半导体工艺制程不同，我们强调国产半导体产业链拓展下游7纳米应用市场和客户，从而形成产业生态闭环的重要现实意义。我们认为多次曝光理论上可以继续推进国产半导体产业的制程工艺。但随之而来的良品率和生产率的挑战或影响国产更先进制程的经济效益，产能爬升尚需时间。对比境外半导体产业经验，我们认为，国产7纳米制程尚未形成有效规模。我们建议投资 者关注7纳米在不同下游应用的扩展情况。 刻蚀和沉积设备在EUV时代或依然有较高需求。长期看，我们认为多次曝光作为光刻机升级换代之间提升半导体工艺的关键技术，其所需的刻蚀和沉积设备的需求或将长期保持高位。国产EUV光刻机的研发可见度还较低，从长期看，考虑到成本、生产率和良品率等因素，我们认为EUV或仍将是国产产业链挑战先进制程的重要环节。EUV加多次曝光已是境外半导体产业链3纳米制程工艺的主要技术。我们因此认为即便国产EUV研发成功，也不应该是刻蚀和沉积设备的需求长期向好的风险。 王大卫,PhD,CFA Dawei.wang@bocomgroup.com (852)37661867 童钰枫 Carrie.Tong@bocomgroup.com (852)37661804 此报告最后部分的分析师披露、商业关系披露和免责声明为报告的一部分，必须阅读。下载本公司之研究报告，可从彭博信息：BOCM或https://research.bocomgroup.com 目录 执行摘要4 投资者为什么要读这个报告4 多次曝光推进国产半导体产业链技术进步6 DUV光刻机的极限6 7/10纳米工艺或使用至少三次曝光技术7 刻蚀和沉积设备商或是最大受益者8 刻蚀和沉积加工次数或随着工艺进化而增加8 LELE/LELELE8 SADP/SAQP9 沉积刻蚀设备资本开支增加11 内地半导体设备资本开支持续上升12 国产刻蚀和沉积设备商成为焦点13 国产半导体设备上下游或利好，但可见度不高14 下一步：短期内形成产业闭环是关键15 EUV时代沉积和刻蚀或长期保持较高水平17 多次曝光在EUV情况下依然被广泛应用17 国产EUV光刻机的追赶脚步18 附录20 半导体晶圆制造流程20 半导体设备产业链21 瑞利判据27 半导体产业升级的历史背景28 名词解释29 风险提示30 执行摘要 华为Mate60Pro手机的发行或意味着国产半导体产业链突破了7纳米制程工艺。我们通过对半导体设备和制造流程上的不同技术路线进行深入对比认为，国产7纳米制程逻辑芯片技术主要归功于国产半导体产业链突破了DUV光刻机 从两次曝光到多次曝光条件下良品率和生产率的瓶颈问题。我们认为DUV光刻机多次曝光技术或催生对刻蚀和沉积设备的更多需求。 投资者为什么要读这个报告 1)观点上，这个报告强调刻蚀和沉积设备在国产7纳米制程突破后的结构性机会。我们同意市场对国产半导体产业链利好的一致预期，但与大部分看好光刻和半导体制造厂商机会的观点不同，我们认为刻蚀和沉积设备的机 会确定性或更强。我们强调，由于国产半导体产业链使用EUV光刻机的可见度不高，现有的7纳米制程工艺或使用DUV多次曝光的技术，故涉及更多次的刻蚀和沉积工序； 2)与市场上大部分研究不同，这个报告从技术原理出发，通过对不同半导体制程工艺技术上的深挖，量化地测算了刻蚀和沉积在7纳米制程工艺突破后的刻蚀和沉积的需求增量。我们认为14/16纳米使用的二次曝光技术相对于成熟制程（28纳米及以上）的单次曝光其刻蚀和沉积步骤次数或增加 100%-200%。而7纳米使用的多次曝光技术相对二次曝光技术或有50%-67%的刻蚀和沉积步骤次数的增加。我们同时对比了内地和境外半导体技术路线在7纳米制程之后的区别，并通过参考历史上半导体制程的技术分布变 化，预测国产半导体就工艺制程一项在3年时间或对沉积和刻蚀的需求 (2025年相对2022年)增长66%，对应18.3%的CAGR； 3)我们通过对境外先进半导体制造厂产能爬升历史的回顾认为，国产半导体产业链在当前情况下当务之急是拓展下游市场并形成产业链闭环。与市场上大部分研究展望国产产业链更先进制程的论调不同，我们强调因半导体产业链市场反哺技术的现实意义，并测算认为华为Mate60Pro系列智能手机的芯片需求相对于半导体产线的投入还相对较小，建议投资者关注7纳 米芯片对不同下游应用的拓展情况； 4)从长期看，我们同意市场一致的观点，即EUV光刻机是国产半导体产业链追求更先进制程的最重要环节之一。但我们认为，多次曝光作为光刻机换代革命间提升半导体制造工艺的有效手段或将长期大量被使用，因此利好刻蚀和沉积设备的需求的长期趋势不变。国产EUV光刻机的可见度较低，但即便国产EUV投入商业化，在长期也不应该是刻蚀和沉积设备的风险。 我们认为国产半导体制程工艺升级催生更多对刻蚀和沉积设备的需求增加，叠加半导体国产化的大趋势。投资者可关注国产半导体刻蚀和沉积设备商中微公司(688012CH)和北方华创(002371CH)。报告还详细梳理了半导体晶圆制造流程，半导体设备产业链，决定半导体制程工艺的瑞利判据，以及半导体产业在海内外产业升级的历史。 图表1:深挖多次曝光技术原理和流程工艺，我们发现刻蚀和沉积的加工次数相较于单次曝光显著增加 资料来源:交银国际 要点：市场关注华为最新近期发布的智能手机Mate60Pro。Bloomberg委托TechInsights发现Mate60Pro手机或已搭载了7纳米制程逻辑芯片，较之前市场普遍认为的国产半导体产业链（其中主要包括华为及其产业伙伴中芯国际等）可以规模量产的14纳米芯片有较大幅度的产品升级。 虽然国产7纳米制程技术的规模效应、技术表现和投资回报还需一个较长时间的市场检验，我们认为，华为及其国产半导体产业链在这个时候发布新款手机，或预示着其有信心在自身现有技术条件下进入14纳米以下制程工艺的国际市场竞争。我们认为国产半导体产业链或已在多次（超过两次）曝光的技术上取得进步，可以做到大规模量产。相较于境外半导体产业链目前普遍使用EUV光刻机制造7纳米工艺制程芯片，国产半导体产业链另辟蹊径，成功取得技术上的进步。 多次曝光推进国产半导体产业链技术进步 DUV光刻机的极限 在国产供应链无法获得EUV光刻设备的背景下，我们认为国产半导体产业链近年来一直在尝试利用DUV光刻设备加多次曝光的技术推进工艺制程向前发展。在对半导体材料仅进行一次光刻曝光的前提下，DUV光刻设备由于发射光源的技术限制，其物理极限一般只能做到CD（CriticalDimension）值接近38纳米 （通过瑞利判定λ=193纳米，k1=0.25，NA=1.35，CD=38纳米，见附录）。在实际工业生产中，最先进DUV单次曝光一般可以对应28纳米制程工艺。 这里要指出的是我们所说的CD值和各个半导体制造厂所用的纳米制程工艺意义不完全相同。CD值一般是指电路制造过程光刻机所能刻画的最小线宽（见附录），而半导体制造厂商宣传的纳米制程工艺往往是只代表了工艺的进度和 发展进程。由于摩尔定律的约定俗成，半导体制造厂商在推出下一代产品时，追求其性能为上一代的两倍，例如10纳米制程一般较14/16纳米晶体管面积缩小一半，或者说性能上升1倍。本文以台积电/中芯国际的宣传口径定义不同的纳米制程(附录图表36)。中芯国际14纳米制程对应台积电16纳米制程。 DUV：深紫外光，一种光的波长。准分子激光器在芯片生产中用于产生DUV激光，248纳米（氪氟化物激光） 和193纳米（氟化氩激光）是最常见的波长。 EUV：极紫外光，常见的光源波长为13.5纳米 CD：Criticaldimension，是指半导体电路加工过程中光源通过掩膜版照射在芯片上的最小曝光线宽。 多次曝光：通过反复使用光刻，刻蚀和沉积的技术进行半导体加工的工序流程。 瑞利判据公式： CD=k1•λ/NA 图表2:多次曝光减小CD 资料来源:TokyoElectron，交银国际 图表3:光刻过程中的出现的瑕疵 资料来源:AppliedMaterials，交银国际 多次曝光技术可以在不改变光刻机自身精度的情况下在单位面积上部署更加密集的晶体管。多次曝光通过巧妙布局每次曝光的图形从而到达更加精密的电路设计图案。如图表2所示，通过多次曝光CD值可以将之前一次曝光时44纳米降低到22纳米甚至11纳米。在更小波长的EUV光刻机尚未成熟之前，DUV加多次曝光的技术曾经是台积电和三星等境外半导体企业从28纳米制程进步到7纳米制程的主要技术手段之一。 理论上说，如果每次曝光都能做到精确和无误差，晶圆制造商可以反复应用多次曝光的技术达到无限小。但在实际的工业生产中，由于每次曝光都可能存在图案的缺陷（图表3），而每次曝光都可能在上次曝光流程中积累并放大缺陷，多次曝光后缺陷或影响最后出厂产品的良品率。多次曝光在技术上的另外一个缺点在于其多次曝光的过程增加了半导体加工的工序次数，从而直接降低了芯片的生产率。 7/10纳米工艺或使用至少三次曝光技术 从历史上看从28纳米到14/16纳米（台积电16纳米制程对应中芯国际14纳米制程）的制程工艺都可以通过两次曝光所达成，两次曝光的主要技术包括LELE和SADP。 我们对境外芯片代工厂14/16纳米以下的制程工艺（主要是10纳米和7纳米）的观察分析发现认为14/16纳米以下制程工艺一般需要三次或以上的曝光技术。三次或以上的曝光技术常见的做法有：1）LELELE，即更多次的光刻-刻蚀的组合；2）SAQP，即在同一块硅片上连续两次使用SADP技术。3）通过组合光刻-刻蚀和SADP从而达到减小芯片的CD。 我们认为，国产半导体产业链之前停滞在14纳米制程附近或是未能解决从两次曝光到三次甚至更高次数曝光下工艺良品率和生产效率的问题。之前国产产业链在1