光刻机动态跟踪：国产ArF光刻机首台套突破，解读设备工艺参数

工信部推广国产“首台套”ArF光刻机。9月2日，工信部印发《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》，其中在“电子专用装备”类目中包含氟化氪（KrF）光刻机、氟化氩（ArF）光刻机两类产品。本次入选意味着国产KrF、ArF光刻机均已实现技术突破，可用于市场推广。其中，较为先进的ArF光刻机可实现≤ 65nm 分辨率，≤ 8nm 套刻精度。 解读光刻机参数与制程节点的对应关系： 1）分制程节点如何命名？ 制程节点的命名早期来自晶体管的关键尺寸。例如 500nm 制程节点的晶体管Half-Pitch与Gate Length均为 500nm 。但随着制程演进，实际的晶体管尺寸已经与命名产生差异，需要考虑的是光刻机分辨率与实际尺寸之间的关系。 2）光刻机分辨率 光刻机分辨率很大程度上取决于光源波长，波长越短，分辨率越高。当前主流的i-line光刻机可实现 350nm 的分辨率，KrF光刻机可实现 150nm 分辨率，ArF光刻机可实现 65nm 分辨率，ArF浸没式光刻机可实现 38nm 分辨率。 3）光刻机的套刻精度 套刻精度指的是每一层光刻图案与上一层光刻图案对准的平面误差范围，与光刻机的分辨率共同决定了能加工的制程节点。 对比海外龙头的性能参数，本次实现首台套突破的国产ArF光刻机在分辨率上与ASML的ArF光刻机1460K相同，但套刻精度上仍有差距。 三大关键子系统是国产化的核心难点。光源、光学系统、工件台是光刻机的三大关键子系统，也是国产替代的核心难点。当前，光源主要由ASML旗下Cymer垄断市场，光学系统由德光光学巨头蔡司领衔，工件台则为各家光刻机整机厂商自主设计制造。 投资建议：先进光刻机是国产晶圆厂发展先进工艺制造的关键瓶颈，国产光刻机的技术突破有利于未来国内晶圆厂的扩产提速，从而带动整个国产半导体设备行业需求增量。建议关注： 半导体设备：北方华创、中微公司、拓荆科技、中科飞测、精测电子、芯源微、华海清科等； 光刻机零部件：波长光电、茂莱光学、晶方科技、腾景科技、炬光科技、美埃科技等。 风险提示：光刻机研发不及预期；国产替代导入不及预期；半导体行业周期性波动。 重点公司盈利预测、估值与评级 1引言：工信部推广国产“首台套”ArF光刻机 9月2日，工信部印发《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》，旨在促进首台（套）重大技术装备创新发展和推广应用。其中在“电子专用装备”类目中包含氟化氪（KrF）光刻机、氟化氩（ArF）光刻机两类产品。 据市场监管总局和发改委相关文件，首台（套）重大技术装备，是指国内实现重大技术突破、拥有知识产权、尚未取得明显市场业绩的装备产品，包括整机设备、核心系统和关键零部件等。本次入选意味着国产KrF、ArF光刻机均已实现技术突破，可用于市场推广。其中，较为先进的ArF光刻机可实现≤ 65nm 分辨率，≤8nm 套刻精度。 对比海外龙头产品参数，我们认为该国产光刻机从参数指标上看有望满足90/ 65nm 成熟制程制造。具体光刻设备的参数如何对应工艺制程节点，以及光刻机国产替代难点，我们将在后文展开讨论。 图1：《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录》相关内容 2光刻机参数与制程节点的对应关系 2.1制程节点如何命名？ 制程节点的命名早期来自晶体管的关键尺寸。晶体管在尺度上有几个重要指标：栅极长度（Gate Length）、接触层间距（Contacted Gate Pitch）、最小金属间距（Minimum Metal Pitch）。其中又常以Contact间距的一半，即半间距（Half-Pitch），取代Pitch作为主要衡量指标。 图2：工艺制程的特征尺寸 图3：不同工艺节点的晶体管关键尺寸 产业发展早期，同一制程节点的Half-Pitch与Gate Length通常是相等的，例如1992年当时最新的制程节点Half-Pitch与Gate Length均为 500nm ，因此该制程被命名为“ 500nm ”。并且，关键尺寸每缩小70%为半个代际，每缩小50%为一个完整的代际，例如 500nm 迭代半个代际为 350nm 节点，迭代一个完整代际后则为 250nm 节点。 图4：制程节点命名规则 但随着技术发展，晶体管尺寸逐渐逼近物理极限，每一次迭代不再能缩小50%的晶体管尺寸，但是在命名上，行业仍就遵循原有规律。例如Intel所制造的 45nm 的下一代被命名为 22nm ，但其Contacted Gate Pitch为 90nm ，Minimum Metal Pitch为 80nm ，Gate Length为 26nm ，已经与其命名“ 22nm ”相去甚远。 图5： Intel 22nm 及 14nm 节点的晶体管尺寸 因此在考虑光刻机与其所能加工的制程节点时，我们要具体考虑该制程节点的关键尺寸，并考虑光刻机的分辨率和套刻精度能否达到该制程的需求。我们将在下文展开介绍光刻机的类型与性能参数。 2.2光刻机核心参数解析 如前所述，每一个工艺节点都有其对应的晶体管关键尺寸，需要光刻机的分辨率达到对应水平，而光刻机的分辨率则受到光源波长的限制，光源波长又取决于发光介质的种类。因此光刻机的光源类型决定了其单次曝光的图案分辨率，决定了其能加工的晶体管尺寸，最终决定其能应用的制程。 此外，考虑到一颗芯片从最下层到最顶层有多层不同的结构，需要经历多次光刻工艺，多次光刻的图案之间的对准精度成为套刻精度（Overlay），同样制约光刻机能实现的制程节点。 图6：光刻机参数如何影响工艺制程 2.2.1分辨率 光刻机分辨率为曝光后能清晰分辨的最小图案尺寸。其遵循以下公式： 𝑘𝜆𝑁𝐴 分辨率𝑅= 其中k为工艺因子，NA为光学系统的孔径数值，λ则为光源波长。可见，在其他参数不变的情况下，光源波长越短能曝光的图案最小尺寸越小。 光刻机光源通常包括采用高压汞灯的g-line、i-line光源，采用准分子激光器的KrF、ArF光源，以及EUV光源。其区别在于不同的发光材料所产生的光波长不同。G-line波长为 436nm ，i-line波长为 365nm ，KrF波长为 248nm ，ArF波长为 193nm ，EUV光源波长则为 13.5nm 。 图7：不同光源对应的波长 对应到分辨率上，以光刻机厂商佳能数据为例，主流的i-line光刻机可实现350nm 的分辨率，KrF光刻机可实现 150nm 分辨率，ArF光刻机可实现 65nm 分辨率，ArF浸没式光刻机可实现 38nm 分辨率。 图8：不同光源波长对应的分辨率 结合前文所述的不同工艺制程节点的关键尺寸，则有以下对应关系： 通常KrF光刻机用于 130nm 以上制程节点，ArF光刻机用于90nm~ 65nm 制程节点，ArF浸没式光刻机用于45 nm~7nm 制程节点，EUV光刻机则用于7nm 以下的制程节点。 前文所述的国产ArF光刻机，可实现 65nm 分辨率，与业界主流产品性能水平相当。 图9：不同光源对应的波长 2.2.2套刻精度 套刻精度指的是每一层光刻图案与上一层光刻图案对准的精度。由于芯片从底层到顶层涉及多次光刻工艺，理想情况下相邻的两次光刻应当完全对齐，否则将导致两次光刻图案的错位，如下图所示，带来套刻误差。 由于晶圆在一次光刻后需要经历多道工艺，再进入光刻机进行下一次光刻，两次光刻之间的误差不可避免。套刻误差的计算方法为两次曝光图案中心的平面距离，若套刻误差为 5nm 则意味着两次曝光的图案在水平方向上有 5nm 的错位。 承载晶圆运动的光刻机工件台精度对于套刻精度起到决定性作用。 图10：套刻误差示意 对于光刻机而言，套刻精度亦分为DCO（dedicated chuck overlay）和MMO（matched-machine overlay）两种，即同一台设备两次曝光的套刻精度和不同的两台设备加工同一片晶圆两次曝光的套刻精度 。以ASML TWINSCAN NXT:2100i型号为例，其标称 DCO=0.9nm ， MMO=1.3nm ，则意味着其单台设备两次曝光的套刻误差不大于 0.9nm ，两台设备先后加工同一片晶圆的套刻误差不大于 1.3nm 。 套刻精度是光刻机的重要指标，即便分辨率达到相应制程标准，若套刻精度不高，将会严重影响加工效果。 2.3ASML主要光刻机参数梳理 我们梳理了光刻机龙头厂商的主要产品系列，参数如下。 可看到，从分辨率和套刻精度两个指标上看，ASML的ArF浸没式光刻机可实现≤ 38nm 的分辨率，MMO为 2.5nm 左右；ArF干式光刻机XT:1460K型号可实现 65nm 分辨率，MMO为 5nm 。作为对比，前文提到的首台套国产ArF光刻机分辨率为 65nm ，与ASML的ArF光刻机1460K相当；套刻精度为 8nm ，相较ASML对应型号仍有差距。 表1：ASML主要光刻机型号及其参数 3三大关键子系统是国产化的核心难点 如前所述，国产ArF光刻机已经实现首台套技术突破，但在性能参数上较海外龙头ASML的对应产品仍有差距。在国产化进程中，光刻机的三大关键子系统仍是技术核心，亦为国产化的关键难点。 3.1光源系统 如前所述，光源波长是影响光刻机工艺水平的决定性因素。为了突破更先进的芯片制程，需要不断减少光源波长。光刻设备光源波长的演进大致可以划分为紫外光源UV、深紫外光源DUV、极紫外光源EUV三个阶段，分别产自高压汞灯、准分子激光和𝐶𝑂激光。 （1）DUV光源-准分子激光 准分子激光器的原理在于惰性气体和卤素气体结合产生的混合气体在高电压放电下产生激发态的准分子，如ArF和KrF，准分子跃迁至基态的过程中发生自发或受激辐射，产生所需波段的光子。其在输出能量、波长、线宽、稳定性等方面都超过前期的高压汞灯光源。 在技术难度方面，DUV准分子激光光源的高压脉冲功率系统、气动放电腔设计、深紫外光学设计、紫外/深紫外精密检测、复杂系统控制理论与设计、精密光学机械设计、高纯度高刚度金属合金材料的加工制造、高纯度陶瓷材料的加工制造都带来挑战。 行业层面，美国Cymer为光刻光源的行业龙头，当前据了光刻机光源80%以上的市场，在浸没式及以上的高端光源领域更是占据90%以上的市场。而Cymer亦于2012年被光刻机龙头厂商ASML收购，为后进入厂商带来了更高的技术壁垒。 （2）EUV光源-激光等离子体 EUV光源则较DUV光源难度更大，考虑到ASML为当前业界唯一的EUV光刻机制造商，其收购Cymer后采用的激光等离子体方案（LPP）为主流技术。该方案通过二氧化碳激光器产生高强度激光，照射到液态锡靶材，使得液态锡气化并产生等离子体，并经过激光再次轰击产生极紫外光。从技术难度上看，提升二氧化碳激光器的功率、液态锡滴装置的稳定性、收集镜的镀膜等都是难点。 从产业层面 ， 当前除了ASML及其旗下Cymer以外 ， 还有日本厂商Gigaphoton生产基于LPP技术的EUV光源，但当前ASML作为全球唯一的EUV整机制造商占据全部市场份额。 图11：EUV光源系统结构示意图 3.2光学系统 光刻机的光学系统包括照明系统和投影物镜两大部分。照明系统位于光源与投影物镜之间，用于实现掩模面特定形状的均匀照明；投影物镜则位于掩膜版和晶圆之间，主要作用是将掩模图形按照一定缩放比例成像到硅片上。如前文所述，光学系统的孔径数值NA亦为决定光刻机分辨率的重要指标。 图12：EUV光刻机光学系统结构示意图 从技术难度上，光学系统的难点在于镜片的精密加工、光学镀膜、像差调节等。 尤其EUV光学系统难度更大，不同于DUV采用光学透镜，EUV采用反射镜，德国蔡司（Zeiss）公司生产的EUV光刻机反射镜达到了原子级别的平坦度，在 1.2m 的反射镜直径大小下表面粗糙度不超过20pm，有极高的制造难度。 产业层面，德国蔡司是光刻机光学系统龙