半导体行业系列专题（四）光刻机：现代工业集大成者，亟待国产破局

证券研究报告 半导体行业系列专题（四） 光刻机：现代工业集大成者，亟待国产破局 半导体行业强于大市（维持） 证券分析师 付强投资咨询资格编号：S1060520070001 徐勇投资咨询资格编号：S1060519090004 徐碧云投资咨询资格编号：S1060523070002 研究助理 陈福栋一般证券从业资格编号：S1060122100007 2024年2月28日 请务必阅读正文后免责条款 1 投资要点 光刻是半导体核心工艺，开发难度大，性能指标要求高。光刻机是半导体制造的核心设备，其性能直接决定了芯片的工艺水平，开发难度 大，价值量高，市场规模可观，目前市场主流光刻设备有i-line、KrF、ArF、ArFi、EUV五大类；分辨率、套刻精度、产率是光刻机的核心指标，其中，分辨率直接决定制程，极致的分辨率水平是光刻机产业不懈的追求，是光刻机最重要的指标，而套刻精度影响良率，产率影响光刻机的产能及经济性，此外，多重曝光技术可在光刻机分辨率不变的情况下进一步提高芯片制程，应用较为广泛。 光刻机是现代工业的集大成者，核心为光源/照明/投影/双工作台四大子系统。1）光源系统经历了高压汞灯→DUV→EUV的发展历程，为追 求更极致的分辨率，光源波长需要不断缩短，光源的演进历程很大程度上代表了光刻机的发展历程，DUV、EUV光刻机便是以光源命名的，其中DUV光源是准分子激光器，EUV光则是高能激光轰击金属锡滴产生；2）照明系统是对光进行扩束、传输、整形、匀化、准直、汇聚后照射至掩膜，DUV采用反射式光路，EUV采用折射式光路；3）投影系统是将掩膜图形按一定比例投射至晶圆，浸没式投影可增加光刻机NA值，进一步提升光刻机分辨率；4）双工作台系统主要作用为提高产能，改善光刻机的经济性。 光刻机产业呈现强垄断特性，国产突破是唯一选择。ASML、Nikon、Canon是全球光刻机产业三大龙头，占据绝大部分市场份额，其中ASML 在高端浸没式DUV及EUV方面绝对领先，Nikon在浸没式DUV方面也有少量出货，Canon则聚焦中低端领域。国内来看，上海微电子是领航者，在“02专项”支持以及产业链公司的共同努力下，国产光刻机产业链不断完善：科益虹源已实现准分子激光光源的出货，炬光科技的光刻机用匀化器取得规模可观的营收，茂莱光学已掌握“光刻机曝光物镜超精密光学元件加工”核心技术且其精密光学器件已应用于国产光刻机中，华卓精科则在双工作台方面取得突破。在当前海外对华制裁的背景下，光刻机是被限制的重点，国产化是唯一选择，亟待突破。 投资建议：光刻机是半导体产业的核心设备，直接决定芯片制程的先进程度，重要性不言而喻，在全球半导体产业持续扩张的趋势下，光刻机市场规模长期可观；此外，光刻机开发难度大，产业垄断性强，是海外对华半导体制裁的重灾区，直接影响国内半导体产业先进制程 的发展，因此光刻机自主突破的重要性尤为凸显，光刻机国产产业链颇具潜力，建议关注炬光科技、茂莱光学、晶方科技、福晶科技、波长光电、腾景科技等。 风险提示：（1）国内技术产品开发不及预期的风险。（2）海外制裁加剧的风险。（3）下游需求不及预期的风险。 目录CONTENTS 一、光刻工艺：半导体产业链核心，决定制程水平 二、光刻机：四大核心子系统，现代工业集大成者 三、光刻产业：垄断性强，国产突破是唯一选项 四、投资建议与风险提示 光刻机是半导体制造的核心设备，直接决定了半导体制程的先进程度。光刻、刻蚀、薄膜沉积被视为半导体制造的三大核心设备，其 中，光刻是核心，集成电路更新迭代很大程度上直接依赖于光刻设备的进步；光刻机极为精密，对设备本身及各子系统的精密度要求极高，制造难度大，稀缺性极强。 半导体制造工艺流程 氧化 氧化炉 AMAT 日本日立TEL 北方华创屹唐半导体 涂胶 涂胶显影设备 TELDNS 芯源微 光刻 光刻机 ASML 尼康佳能 上海微电子 刻蚀刻蚀机 LAMTELAMAT 北方华创中微公司 离子注入离子注入机 AMATACLS 凯世通中科信 多次清洗 清洗设备 DNSTELLAM 北方华创盛美上海芯源微 检测 检测设备 KLAAMAT 精测电子中科飞测华峰测控 抛光CMP设备 AMAT 日本荏原 华海清科电科装备45所 薄膜沉积 薄膜沉积设备 AMATLAMTEL 北方华创拓荆科技中微公司 数据来源：各公司官网，平安证券研究所 光刻设备是半导体设备市场的重要组成部分，2022年，光刻设备价值量占半导体前道设备价值总量的17%，市场地位举足轻重。 根据《半导体制造光刻机发展分析》数据预测，2017-2026年，全球光刻机市场规模将从约83亿美元增长到约310亿美元，总体呈现稳 定的上升趋势，期间CAGR约为15.8%。 半导体前道设备价值量分布（%）@2022年全球光刻机市场规模预测（亿美 元） 光刻刻蚀薄膜沉积量测涂胶显影热处理离子注入清洗CMP其它 350 300 250 200 150 100 50 0 2017201820192020202120222023（E）2024（E）2025（E）2026（E） 数据来源：Gartner，《半导体制造光刻机发展分析》，平安证券研究所 光刻设备总体上可划分为有掩膜和无掩膜两种技术路径，目前绝大部分应用均为有掩膜光刻机，无掩膜光刻机在精细掩膜版制造、半 导体封测等方面有所应用，本报告重心为有掩膜光刻机（后续简称为光刻机）。 按成像方式划分，有掩膜光刻机经历了接触式、接近式和投影式的发展路径，目前主流的光刻机为投影式光刻机；按照光源类型划分， 光刻机经历了紫外、深紫外、极紫外的技术演进路径，半导体先进制程的快速发展很大程度上可归因于光源波长的不断缩短。 光刻机 无掩膜光刻机 光刻机分类及演进历程 接触式光刻机 有掩膜光刻机 UV 掩膜不动 硅片动 电子束直写光刻机 接近式光刻机 投影式光刻机步进式光刻机 掩膜、硅片 同时移动 扫描式光刻机干式光刻机 浸没式光刻机 DUV 激光直写光刻机 离子束直写光刻机 EUV 数据来源：华经产业研究院，平安证券研究所 分辨率是光刻机最重要的性能指标，其描述了光刻机对线宽的极限分辨能力，直接决定了半导体工艺制程的先进程度。 根据瑞利公式，光刻机的分辨率由k1、λ、NA三参数决定，其中，k1为常数，受芯片制造工艺等诸多因素影响，被称为工艺因子，λ为光源波长，NA为数值孔径。高分辨率是光刻机发展历程中的核心诉求，缩短光源波长、提高数值孔径是主要的发展方向，UV→DUV→EUV、干式→浸没式的发展趋势便是通过改善光源波长和数值孔径的方式提高光刻机分辨率。 年份 分辨率/nm(hp) 波长/nm 数值孔径/NA 1986 1200 436 0.39 1988 800 436/365 0.44 1991 500 365 0.50 1994 350 365/248 0.56 1997 250 248 0.62 1999 180 248 0.67 2001 130 248 0.70 2003 90 248/193 0.75/0.85 2005 65 193 0.93 2007 45 193 1.20 2009 38 193 1.35 2010 27 13.5 0.25 2012 22 13.5 0.33 2013 16 13.5 0.33 瑞利公式光刻机光源波长减小和数值孔径增大的历史数据 注释： K1:工艺因子λ：波长NA：数值孔径 曝光分辨率示意图 数据来源：《超大规模集成电路先进光刻理论与应用》，平安证券研究所 多重曝光技术赋予低分辨率光刻机制造先进制程产品的能力。分辨率的提升通常意味着光刻机的一次重大迭代升级，周期长、难度大， 如何在现有光刻机分辨率水平不变的情况下实现更窄的线宽、更高的晶体管密度备受关注，在此背景下，多重曝光技术应运而生，其可在低分辨率设备基础上实现更先进的制程，在先进制程中得到广泛应用。 多重曝光技术可实现晶体管密度翻倍或4倍效果。SADP和SAQP技术是目前常用的多重曝光技术，其中，SADP可实现晶体管密度双倍效果， SAQP可实现4倍效果。具体实现方式如下图所示，SADP技术利用心轴图案侧壁图形作为掩膜，图形密度实现翻倍效果，SAQP技术则是采用两次SADP技术，实现图形密度4倍效果。 SADP技术示意图SAQP技术示意图 数据来源：芯片公众号，平安证券研究所 套刻误差（Overlay）描述的是光刻上一层图案与下一层图案之间的对齐精度，对晶体管性能、集成电路良率等具有重大影响。半导体 制造是数十上百层薄膜堆叠的过程，需要多次光刻实现不同层的图案化，因此每一层的光刻都需要与其前一层进行精准的对齐，以保证上下层薄膜图案的相对位置与设计位置相吻合，套刻精度就是描述光刻设备这一性能的参数指标。 制程越先进，对套刻精度的要求越高。随着特征尺寸越来越小，所允许的套刻误差也将随之缩小，以保证良好的相对对齐精度；此外，随着制程越发先进，薄膜层数也随之提升，套刻误差累计更加严重，对套刻精度的要求更高。 半导体制造中套刻误差示意图国际半导体技术路线图对套刻误差的要求 数据来源：Tom聊芯片智造公众号，《超大规模集成电路先进光刻理论与应用》，国际半导体技术路线图，平安证券研究所 光刻机的产率是描述其生产制造效率的性能指标，能在很大程度上影响光刻机的经济性，通常用Wafer/天或Wafer/小时来描述。 产率提升是光刻设备的重要发展方向,关键点主要集中在缩短单次曝光时间和缩短曝光前对位测量时间两方面。首先，光刻的原理是光 刻胶在紫外环境下发生化学键断裂或交联反应（对应光刻正胶和负胶），理论上，在维持曝光剂量不变的情况下，若要缩短曝光时间，需提高照度，因此拥有足够功率的光源较为关键；此外，光刻工艺极为精细，曝光前的对位测量精度要求极高，因此在曝光前的对位测量操作上也会花费大量时间，双工作台很好的解决了该问题，其可以实现Wafer在一个工作台上曝光的同时，另一片Wafer在另一个工作台上对位，两者互不干扰，从而大幅缩短Wafer曝光前的准备时间。 曝光剂量 = 照度 × 时间 （J/cm2） (lm/cm2) (s) 曝光剂量计算方式TWINSCAN双工作台结构示意图 数据来源：Tom聊芯片智造公众号，《ArF浸没光刻双工件台运动模型研究》，平安证券研究所 目录CONTENTS 一、光刻工艺：半导体产业链核心，决定制程水平 二、光刻机：四大核心子系统，现代工业集大成者 三、光刻产业：垄断性强，国产突破是唯一选项 四、投资建议与风险提示 0 DUV是目前应用极为广泛的光刻机类型，主要包括光源系统、光学系统（照明+投影）、双工作台、掩膜版、晶圆传送系统等子系统，技术相对较为成熟。DUV光刻机工作原理为：激光光源产生深紫外光，经过照明系统的均化、成型等照射至掩膜，最后经物镜投影至Wafer，目前投影系统4:1的掩膜图像转移比例较为常见。 按照光源波长划分，DUV主要有248nm和193nm两种，对应KrF和ArF准分子激光光源；按照物镜的出射介质划分，DUV可分为干式和浸没式 两种，浸没式是将投影物镜出射处采用水介质，可增加光刻机NA值，提高分辨率。 Raticle 照明系统 投影系统 光源系统 晶圆传送系统 双工作台 DUV光刻机结构示意图（浸没 式） 照明系统 Raticle 投影系统 晶圆传送系统 浸没控制系统光源系统 双工作台 DUV光刻机结构示意图（干式） EUV整体结构与DUV类似，也是由光源系统、照明系统、投影系统、双工作台以及掩膜版、晶圆传送台等子系统构成。EUV是目前最先进的 光刻设备，对各子系统的精密度要求极高，目前EUV市场被ASML公司垄断。 光源系统、光学系统是EUV区别于DUV的主要差异所在，High-NA是EUV设备未来的重要