2023年光刻機行業(yè)報告

目錄1.1光刻機是芯片制造的核心設備，市場規(guī)模全球第二1.2一超兩強壟斷市場，大陸卡脖子現(xiàn)象凸顯二、光刻機：多個先進系統(tǒng)的組合，核心零部件被海外廠商壟斷2.1從接觸式到EUV，制程持續(xù)演進2光刻是芯片制造最核心環(huán)節(jié)nn光刻機是芯片制造中最復雜、最昂貴的設備。芯片制造可以包括多個工藝，如初步氧化、涂光刻膠、曝光、顯影、刻蝕、離子注入。這個過程需要用到的設備種類繁多，包括氧化爐、涂膠顯影機、光刻機、薄膜沉積設備、刻蝕機、離子注入機、拋光設備、清洗設備和檢測設備等。在整個半導體芯片制造過程中，光刻是最復雜工藝，光刻工藝的費用約占芯片制造成本的1/3左右，耗費時間占比約為40-50%，光刻工藝所需的光刻機是最貴的半導體設備。n光刻機可分為前道光刻機和后道光刻機。光刻機既可以用在前道工藝，也可以用在后道工藝，前道光刻機用于芯片的制造，曝光工藝極其復雜，后道光刻機主要用于封裝測試，實現(xiàn)高性能的先進封裝，技術難度相對較小。圖：光刻工藝流程圖3光刻機研發(fā)難度大，零部件海外壟斷其他設備廠商。n光刻機零部件供應商遍布全球，核心零部件來自德國和美國：代表光刻機最高端技術的EUV光刻機里面有10萬多個零部圖：全球前五大半導體設備廠商研發(fā)費用率（單位：%）22年研發(fā)費用率（%）8%6%4%2%0%AMATASMLTokyoLamKLAElectronResearch4光刻設備單價最高，市場規(guī)模全球第二nn2021年全球前道光刻設備市場規(guī)模為172億美元，其市場份額在晶圓生產設備中占比為20%，僅次于刻蝕設備。光刻機價格昂驗半導體市場2011299,5212012291,5622013305,5842014335,8432015335,1682016338,9312017412,2212018468,7782019412,1062020438,9792021555,893YoY%0%-3%0%-12%半導體生產設備市場43,52636,92731,78937,49936,52741,00756,68764,53159,75371,028102,184YoY%9%-15%-14%-3%-7%44%晶圓制造總額（fab需要）36,30930,21026,72930,83130,63434,26048,04154,83351,74061,13387,139YoY%-17%-12%-1%40%-6%43%占半導體生產設備市場比例83%82%84%82%84%84%85%85%87%86%85%晶圓生產設備3434528,14925,36429,25828,79632,54545,50852,19148,86358,14083,510蝕刻4,3616,0317,297光刻8,9306,6526,2986,8796,2248,367CVD2,8324,0094,4204,8467,8388,5787,1669,029測量和檢驗4,1624,9326,3399,184表面處理2,7622,7142,2962,1472,547涂膠2,3372,6702,5022,9554,074PVD2,1312,4912,8644,699熱處理2,705CMP2,622其他沉積2,3762,521離子注入2,161其他晶圓加工402429483代工廠設施8527986837718759811,5801,5531,5081,4342,087掩模制造設備1,1121,2646828029637349531,0881,3691,5591,5425目錄1.1光刻機是芯片制造的核心設備，市場規(guī)模全球第二1.2一超兩強壟斷市場，大陸卡脖子現(xiàn)象凸顯二、光刻機：多個先進系統(tǒng)的組合，核心零部件被海外廠商壟斷2.1從接觸式到EUV，制程持續(xù)演進6者居上。表：光刻技術發(fā)展歷程刻技術在硅片上制作更精細復雜應用于半導體制造的步進和重復full-fieldEUV測試芯片。青設備之一。7光刻技術：從接觸式到接近式nn接觸式光刻技術良率低、成本高：接觸式光刻技術出現(xiàn)于20世紀60年代，是小規(guī)模集成電路時期最主要的光刻技術。接觸式光刻技術中掩膜版與晶圓表面的光刻膠直接接觸，一次曝光整個襯底，掩膜版圖形與晶圓圖形的尺寸關系是1:1，分辨率可達亞微米級。特點：接觸式可以減小光的衍射效應，但在接觸過程中晶圓與掩膜版之間的摩擦容易形成劃痕，產生顆粒沾污，降低了晶圓良率及掩膜版的使用壽命，需要經常更換掩膜版，故接近式光刻技術得以引入。n接近式光刻技術分辨率有限：接近式光刻技術廣泛應用于20世紀70年代，接近式光刻技術中的掩膜版與晶圓表明光刻膠并未直接接觸，留有被氮氣填充的間隙。特點：最小分辨尺寸與間隙成正比，間隙越小，分辨率越高。缺點是掩膜版和晶圓之間的間距會導致光產生衍射效應，因此接近式光刻機的空間分辨率極限約為2μm。隨著特征尺寸縮小，出現(xiàn)了投影光刻技術。圖：接觸式光刻示意圖圖：接近式光刻示意圖來源：薩科微半導體官網(wǎng)，中泰證券研究所光刻技術：從接近式到投影式nn投影光刻技術有效提高分辨率：20世紀70年代中后期出現(xiàn)投影光刻技術，基于遠場傅里葉光學成像原理，在掩膜版和光刻膠之間采用了具有縮小倍率的投影成像物鏡，有效提高了分辨率。早期掩膜版與襯底圖形尺寸比為1:1，隨著集成電路尺寸的不斷縮小，出現(xiàn)了縮小倍率的步進重復光刻技術。步進重復光刻主要應用于0.25μm以上工藝：光刻時掩膜版固定不動，晶圓步進運動，完成全部曝光工作。隨著集成電路的集成度不斷提高，芯片面積變大，要求一次曝光的面積增大，促使更為先進的步進掃描光刻機問世。目前步進重復光刻主要應用于0.25μm以上工藝及先進封裝領域。步進掃描光刻被大量采用：步進掃描光刻機在曝光視場尺寸及曝光均勻性上更有優(yōu)勢，在0.25μm以下的制造中減少了步進重復光刻機的應用。步進掃描采用動態(tài)掃描方式，掩膜版相對晶圓同步完成掃描運動，完成當前曝光后，至下一步掃描場位置，圖：投影光刻示意圖來源：薩科微半導體官網(wǎng)，中泰證券研究所圖：步進重復光刻示意圖圖：步進掃描光刻示意圖9光刻技術：干法光刻和浸潤式光刻nn投影光刻技術根據(jù)投影物鏡下方和晶圓間是否有水作為介質可以分為干式光刻和浸潤式光刻。干式光刻技術無法滿足不斷縮小的線寬：光從投影物鏡射出，由玻璃介質進入空氣介質，會發(fā)生衍射，光角度發(fā)生變化，最終成像于晶圓表面。隨著線寬不斷縮小，衍射效應不斷增加，需要增大投影物鏡直徑來接受更多的光，這導致物鏡內聚焦的光角度越來越大，再經過折射效應，射出投影物鏡的光角度接近水平，無法成像，因此出現(xiàn)了浸潤式光刻技術。浸潤式光刻技術使光刻水平進一步提高：投影物鏡下方和晶圓間充滿水，由于水的折射率和玻璃接近（在193nm波長中,折射率空氣=1，水=1.44，玻璃約為1.5從投影物鏡射出的光進入水介質后，折射角較小，光可以正常從物鏡中折射出來。ArF圖：干式光刻示意圖圖：浸潤式系統(tǒng)示意圖圖：光線在玻璃、空氣、水中的折射光刻機的技術水平決定集成電路的發(fā)展水平芯片性能再次提高。表：各個工藝節(jié)點和光刻技術的關系Al/CuAl/CuArF:193nmArF:193nmArF:193nmArFi:193nm(134nm)ArFi:193nm(134nm)ArFi:193nm(134nm)ArFi:193nm(134nm)ArFi:193nm(134nm)多重曝光亦可實現(xiàn)更小線寬，但工藝難度大光刻-刻蝕-光刻-刻蝕）：原理是把原來一層光刻圖形拆分到兩個或多個掩膜上，利用多次曝光和刻蝕來實現(xiàn)原來一層設計的圖形。）：原理是將第二層光刻膠加在第一層已被化學凍結但沒去除的光刻膠上，再次進行光刻，形成兩倍結構。LELE和LFLF技術的特點就是流程簡單，缺點是兩次光刻之間存在對準問題，如果工藝不夠嚴謹，每次曝光的線寬偏差和兩次曝光圖形之間套刻誤差將導致圖形局部周期性的起伏。圖：LELE原理圖：套刻誤差引起的周期移動來源：芯制造，顯示匯，中泰證券研究所 多重曝光亦可實現(xiàn)更小線寬，但工藝難度大3）SADP又稱側墻圖案轉移，用沉積、刻蝕技術提高光刻精度：在晶圓上沉積金屬介質層、硬掩膜材料和芯軸材料（犧牲層）?旋涂光刻膠，曝光顯影后留下所需圖形并刻蝕核心芯軸?在芯軸外圍沉積一層間隔側墻，側墻的大小即互連線的線間距，要精確控制其均勻度保證互連線間距的均一性?清除掉芯軸材料，僅留下側壁，再一次刻蝕將側壁圖形轉移到下層掩膜層?側墻清除，經過掩膜層修飾后的圖形，經過再一次刻蝕后傳遞給金屬介質層形成最終圖形，線寬僅為原來的1/2，SADP可以兩次達到4倍精度?？偨Y:以沉積形成的側墻為掩膜，在金屬介質層上刻蝕形成最終圖形。難點：工藝過程對側壁沉積的厚度、刻蝕形貌的控制極其重要。側墻來源：《基于自對準圖形技術的金屬互連工藝研究》，中泰證券研究所 多重曝光亦可實現(xiàn)更小線寬，但工藝難度大術要求并且增加了使用次數(shù)，使晶圓光刻成本增加了2-3倍。步驟，工藝簡單且光刻成本低。圖：每片晶圓光刻成本圖：對蝕刻和沉積的需求微影技術”被提出后，ASML開始與臺積電合作開發(fā)浸潤式光刻機，并于2007年推出浸潤式光刻機，成功壟斷市場。而同為光刻巨頭的日本尼康、日本佳能主推的157nm光源干式光刻機被市場逐漸拋棄，兩家公司由盛轉衰。1）全球光刻機市場的主要競爭公司為ASML、Nikon和Canon。ASML在超高端光刻機領域獨占鰲頭，旗下產品覆蓋面最廣。Canon光刻機主要集中在i-line光刻機，NUASMLa佳能u尼康7.65%UASMLa佳能u尼康7.65%10.20%82.14%ArFi447來源：芯思想研究院，中泰證券研究所EUVArFiArFdryKrFi-lineEUVArFiArFdryKrFi-line160001400016000140001200010000800060004000200005236.55236.54959.639144707.74806.97045.362844463.82799.71880.11084.24028.72017201820192020202120224003503002502005002671762678862671762678863465228226342268313322814245288140201720182019202020212022列第二，銷售額達到217.75億美元，僅次于美國應用材料。圖：2021年全球前十大半導體設備廠商（億美元）半導體設備廠商銷售額（億美元）AppliedMaterialsASMLTokyoElectronLamResearchKLAAdvantestTeradyneScreenSEMESHitachiHigt-Tech241.72241.72217.75172.78165.2481.6539.0737.0336.3224.8624.53050100150200250300來源：芯智訊，中泰證券研究所2）從光源來看，ASML覆蓋了i-line、KrF、ArF和極紫外光源，最小光源波長為13.5nm。EUV光刻機是目前全球分辨率最小的光刻機，經過產品系列產品名光源波長數(shù)值孔徑最高生產分辨率TWINSCANXT:400Li-line365nm0.65220nmTWINSCANXT:860MKrF248nm0.8110nmTWINSCANXT:860NKrF248nm0.8110nmDrysystems（干式DUV）TWINSCANNXT:870KrF248nm0.8110nmTWINSCANXT:1060KKrF248nm0.9380nmTWINSCANXT:1460KArF193nm0.9365nmTWINSCANNXT:1470ArF193nm0.9357nmTWINSCANNXT:1980DiArFi193nm（等效134nm)38nmImmersionsystemsTWINSCANNXT:2000iArFi193nm（等效134nm)38nmTWINSCANNXT:2050iArFi193nm（等效134nm)38nmEUV光刻系統(tǒng)TWINSCANNXE:3400CTWINSCANNXE:3600D極紫外EUV13.5nm0.3313nm極紫外EUV13.5nm0.3313nm2）從光源來看，Nikon覆蓋了i-line、KrF、ArF光源，最小光源波長為193nm。ArFArFArF1）從類型來看，Canon具有低端半導體的i-line和KrF光刻機，未覆蓋EUV、ArFi（浸沒式）、ArF等機型。0.35μm0.8μm1.5μm0.8μm1.5μm0.8μm目錄一、光刻是芯片制造最核心的環(huán)節(jié)，大陸自1.1光刻機是制造的核心設備，市場規(guī)模全球第二二、光刻機：多個先進系統(tǒng)組合，核心零部件被海外廠商壟斷2.1光刻機發(fā)展歷程：從接觸式光刻機到EUV，分辨率不斷降低光刻機：人類科技之巔nn光刻機是一種投影曝光系統(tǒng)：光刻機由光源、照明系統(tǒng)、物鏡、工件臺等部件組裝而成。在芯片制作中，光刻機會投射光束，穿過印有圖案的光掩膜版及光學鏡片，將線路圖曝光在帶有光感涂層的硅晶圓上。通過蝕刻曝光或未受曝光的部分來形成溝槽，再進行沉積、蝕刻等工藝形成線路。n光刻機的三大核心系統(tǒng)：光源系統(tǒng)、光學鏡頭、雙工作臺系統(tǒng)。圖：光刻機總體結構表：光刻機核心系統(tǒng)介紹提供高均勻性的照明光場并精確控制曝光劑量將掩膜圖形以一定的縮小比例成像到硅片上，直接工作臺/掩膜臺工作臺負責承載傳輸硅片，掩膜臺用于承載掩膜版控制套刻誤差，保證兩次光刻精準對齊統(tǒng)測量硅片表面相對于投影物鏡的高度和轉角,保證硅片當前場在曝光過程中始終處于投影物鏡的焦深范率從片盒傳送至工件臺的功能框架/減振/環(huán)境動干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力光刻機的“大腦”和“神經”，將各分系統(tǒng)有機地連接起來并使其進行有序工作光刻機：人類科技之巔圖：光刻機結構圖：光刻機核心部件結構光刻機分辨率由光源波長、數(shù)值孔徑、光刻工藝因子決定nn光刻分辨率是光刻曝光系統(tǒng)最重要的技術指標，由光源波長、數(shù)值孔徑、光刻工藝因子決定。根據(jù)瑞利準則，分辨率公式為R=k1*λ/NA，λ代表光源波長，NA代表物鏡的數(shù)值孔徑，k1代表與光刻工藝像方半孔徑角?？讖浇怯址Q“鏡口角”，是透鏡光軸上的物體點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度?？讖浇窃酱?，進入透鏡的光通量就越大，它與透鏡的有效直徑成正比，與焦點的距離成反比。n瑞利準則指衍射極限系統(tǒng)中的分辨率極限。理想的成像系統(tǒng)，一個點所成的像是一個完美的點，但實際光學系統(tǒng)中的透鏡具有一定的孔徑大小，由此導致所成的像不是一個點，而是一個艾里斑。對于兩個距離較近的點，所成的光斑也距離比較近。能夠區(qū)分兩個光斑的最小距離，就是分辨率。當一個艾里斑的中心與另一個艾里斑的第一極小值重合時，達到極限點，該極限被稱為瑞利準則。圖：分辨率極限示意圖來源：zeiss，中泰證券研究所圖：孔徑角示意圖光刻機分辨率由光源波長、數(shù)值孔徑、光刻工藝因子決定nn三方面提高光刻機分辨率：增大數(shù)值孔徑、縮短波長、減小光刻工藝因子。分辨率指投影光學系統(tǒng)在晶圓上可實現(xiàn)的最小線寬。光刻機分辨率由光源波長、數(shù)值孔徑、光刻工藝因子決定。因此可以從以下三方面提高分辨率：1）增大投影光刻物鏡的1）增大投影光刻物鏡的數(shù)值孔徑：一方面可以改進投影式透鏡系統(tǒng)來增大入射角，另一方面可以采用折射率高的介質-浸潤式。非球面的使用能夠在不增加獨立像差數(shù)的前提下，增加自變量的個數(shù)，有利于改善像質，同時在同等約束條件下，減少了光學元件的數(shù)量。非球面的應用使物鏡NA可以增加到0.9，接近物理極限(干式光刻)；引入浸沒式技術后，物鏡NA可以增加到1.1以上(浸沒式光刻)；加入反射鏡組成折反式結構理論上物鏡NA可到1.35(極限值)。趨勢為（干式）球面鏡→非球面鏡→(浸沒式)非球面鏡→折返式。2）縮短曝光波長：由于晶體管越做越小，元件線路越來越密集，光刻機需要達到更高的分辨率，因此必須要尋找波長越來越表：提高數(shù)值孔徑的方法表：數(shù)值孔徑變化趨勢表：提高數(shù)值孔徑的方法來源：《高數(shù)值孔徑投影光刻物鏡的光學設計》，《IC芯片制造中的高端光刻機：發(fā)展趨勢和技術挑戰(zhàn)》，中泰證券研究所光刻機分辨率由光源波長、數(shù)值孔徑、光刻工藝因子決定3）減小光刻工藝因子：計算光刻OPC——在掩膜上增加輔助結構來消除圖像失真，實現(xiàn)分辨率的提高；離軸照明OAI——通過采用特殊光源讓正入射方式光變成斜入射方式，目的是在同等數(shù)值孔徑內容納更多的高階光，從而曝光更小尺寸結構，提高分辨率；相移掩膜PSM——當兩個光源進行成像時會在重合部分產生干涉效應，使光強增大，導致兩個光源不能有效地區(qū)分開，如果通過改變掩膜結構在其中一個光源處采用180度相移，這兩處光源產生的光會產生相位相消，光強相消，兩個光源可以區(qū)分開，提高分辨率。?工藝因子已突破理論極限：理論上對于單次曝光k1的最小極限約為0.25，通過組合使用OPC、多重圖形等分辨率增強技術,光刻工藝因子已突破其理論極限0.25。來源：《集成電路芯片制造中的高端光刻機發(fā)展趨勢和技術挑戰(zhàn)》，中泰證券研究所目錄一、光刻是芯片制造最核心的環(huán)節(jié)，大陸自1.1光刻機是制造的核心設備，市場規(guī)模全球第二二、光刻機：多個先進系統(tǒng)組合，核心零部件被海外廠商壟斷2.1光刻機發(fā)展歷程：從接觸式光刻機到EUV，分辨率不斷降低2.2.1光源系統(tǒng)：能量的來源，光刻工藝的首要決定項nn光源是光刻機核心系統(tǒng)之一，光刻機的工藝能力首先取決于其光源的波長。n光源分為汞燈產生的紫外光、深紫外光、極紫外光，目前光源波長已發(fā)展到13.5nm：為了追求更小的芯片制程，需要光源波長不斷變短，最早光刻機的光源采用高壓汞燈產生的紫外光源，高壓汞燈可產生436nm（g-line）、365nm（i-line）波長產生，須由高能激光轟擊金屬錫激發(fā)的等離子體而產生。圖：光源波長發(fā)展歷程ArF+immerArF接觸式/接近圖：光譜圖2.2.1光源系統(tǒng)：能量的來源，光刻工藝的首要決定項nn光刻光源系統(tǒng)不斷發(fā)展，從高壓汞燈光刻光源到深紫外光光源再到極紫外光光源。1）高壓汞燈：一種氣體放電電光源，汞蒸氣被能量激發(fā)，汞原子最外層電子受到激發(fā)從而躍遷，落回后放出光子。放電管內充有啟動用的氬氣和放電用的汞。2）深紫外光光源：一般采用準分子激光器作為光源。準分子激光光源工作介質一般為稀有氣體及鹵素氣體，并充入惰性氣體作為緩沖劑，工作氣體受到放電激勵，在激發(fā)態(tài)形成短暫存在的“準分子”，準分子受激輻射躍遷，形成紫外激光輸出。準分子激光器常在輸出能量、波長、線寬、穩(wěn)定性等方面遠超越前期的汞燈光源。圖：高壓汞燈光刻光源系統(tǒng)結構圖圖：紫外激光器照明系統(tǒng)結構圖292.2.1光源系統(tǒng)：能量的來源，光刻工藝的首要決定項3）極紫外光光源：極紫外光光源由光的產生、光的收集、光譜的純化與均勻化三大單元組成。工作元器件包括大功率CO2激光器、多層涂層鏡、負載、光收集器、掩膜版等。?極紫外光光源原理：高功率激光擊打金屬錫,產生等離子體,輻射出極紫外光。將高功率的二氧化碳激光打在直徑為30微米的錫液滴上，通過高功率激光蒸發(fā)錫滴，把融化的錫從高處以每秒5萬次的頻率滴下,每一滴錫20微米的大小,瞄準每一滴錫滴,以CO2激光器產生的高能激光擊中并產生等離子體,從而發(fā)出13.5nm波長的EUV光。實際上激光會發(fā)出兩個脈沖——預脈沖和主脈沖。預脈沖首先擊中錫珠，將其變成正確的形狀，然后主脈沖將壓扁的錫珠轉化為等離子體，發(fā)射2.2.1光源系統(tǒng)：能量的來源，光刻工藝的首要決定項nnEUV光刻機技術難點主要是光源功率高：為滿足極紫外光刻需求，光源應具有以下性能:（1）光源功率達250W，且功率波動小；（2）較窄的激光線寬，具有頻率噪聲和很小的相對強度噪聲，減少光學損耗；（3）較高的系統(tǒng)效率。光源轉化率最終要達到250w以上的功率，因此激光器的平均功率要達到20kW。為了讓激光束以極大的功零部件的要求非常苛刻。源。共設計三款EUV光源，分別為Proto#1、Proto#12、Pilot#1,其中Pilot#1為商業(yè)化應用的產品，激光器功率為2.2.2曝光系統(tǒng)：照明系統(tǒng)+投影物鏡nn曝光系統(tǒng)：曝光系統(tǒng)包含照明系統(tǒng)（光源加工）和投影物鏡（高分辨成像是光刻機中最昂貴最復雜的部件之一。物鏡的性能決定了光刻機的線寬、套刻精度，是光刻機的核心部件，其技術水平很大程度上代表了光刻機的技術水平。圖：光刻機照明與投影物鏡系統(tǒng)的工作流程圖2.2.2照明系統(tǒng)：光源高質量加工的關鍵n照明系統(tǒng)為投影物鏡成像提供特定光線角譜和強度分布的照明光場。照明系統(tǒng)位于光源與投影物鏡之間，是復雜的非成像光學系統(tǒng)。照明系統(tǒng)的主要功能是為投影物鏡成像提供特定光線角譜和強度分布的照明光場。照明系統(tǒng)包括光束處理、光瞳整形、能量探測、光場勻化、中繼成像和偏振照明等單元。圖：光學系統(tǒng)原理2.2.2照明系統(tǒng)：光源高質量加工的關鍵照明系統(tǒng)組成部件：1）光束處理單元：與光源相連，主要實現(xiàn)光束擴束、光束傳輸、光束穩(wěn)定和透過率控制等功能，其中光束穩(wěn)定由光束監(jiān)測和光束轉向兩部分組成。2）光瞳整形單元：光刻機需要針對不同的掩膜結構采用不同的照明模式以增強光刻分辨力，提高成像對比度。光瞳整形單元通過光學元件調制激光束的強度或相位分布，實現(xiàn)多種照明模式。3）光場勻化單元：用于生成特定強度分布的照明光場。引入透射式復眼微透鏡陣列，每個微透鏡將擴束準直后的光源分割成多個子光源，每個子光源經過科勒照明鏡組后在掩膜面疊加，從而實現(xiàn)高均勻性的照明光場。4）中繼鏡：在掩膜面上形成嚴格的光束強度均勻的照明區(qū)域并將中間的平面精確成像在掩膜版平面。圖：照明系統(tǒng)結構 耦合器件來源：華中科技大學《光刻機結構及工作原理詳解2.2.2照明系統(tǒng)：光源高質量加工的關鍵nn照明系統(tǒng)技術難點：為了使光能在晶圓上完美成像，需要進行高質量加工。1）提升光均勻度：光刻要以來回掃描的方式成像，這束條形光的任何位置能量都需一致。需要通過鏡子進行多次反射，提升光的均勻度。2）控制掃描條形光的開合：晶圓上曝光單元的所有位置需要接受等量的光，因此掃描的條形光必須是能開合的。3）調節(jié)光形狀，需要用到光瞳整形技術：不同的照明方式，比如圓形、環(huán)形、二級、四級光源下，光刻機分辨率不同。例如：光穿過掩膜版上的圖案時會產生衍射效應，線寬越小，衍射角度越大，1階衍射光超過投影物鏡外就無法成像。如果將點光的形狀改成環(huán)狀光或其他形狀，1階衍射光就可以被收進物鏡且圖像對比度清晰。圖：衍射光無法成像圖：環(huán)形光成像2.2.2照明系統(tǒng)：光源高質量加工的關鍵nn光瞳整形單元是照明系統(tǒng)中技術難度較大的部件，主要技術有：基于衍射光學元件（DOE）的光瞳整形技術和基于微反衍射光學元件（DOE）的光瞳整形：光瞳整形單元主要包括衍射光學元件、變焦距傅里葉變換鏡組、錐形鏡組和光瞳補償器。衍射光學元件用于實現(xiàn)照明光瞳的角向調制，傅里葉變換鏡組、錐形鏡組用于照明光瞳的徑向調制。缺點：1個衍射光學元件只能實現(xiàn)1種照明模式。微反射鏡陣列（MMA）的自由光瞳整形：主要由能量均衡組件、光束分割組件、微反射鏡陣列和傅里葉變換鏡組組成。核心器件是微反射鏡陣列，由數(shù)千個二維轉角連續(xù)可調的微反射鏡組成，通過調整微反射鏡陣列的角位置分布可實現(xiàn)任圖：基于衍射光學元件的光瞳整形技術圖：基于微反射鏡陣列的光瞳整形技術2.2.3投影物鏡系統(tǒng)：精準成像，對線寬起重要作用nn投影物鏡是精準成像的關鍵：投影物鏡要將照明模組發(fā)射出的1階衍射光收進物鏡內，再把掩膜版上的電路圖案縮小，聚焦成像在晶圓上，并且還要補償光學誤差。投影物鏡主要由多枚鏡片組成。隨著分辨率要求不斷提高，光刻機投影物鏡結構越來越復雜，對光學材料、光學加工、光學鍍膜等要求達到目前工業(yè)水平的極限，是光刻機中技術壁壘最高的零部件之一。n投影物鏡的結構型分為折射式和折反式：1）折射式：光學元件旋轉對稱并沿著同一個光軸對準,視場位于光軸中央,結構簡單易于裝調；2）折反式（NA>1.1）：反射鏡有著正光焦度和負值場曲,不依賴傳統(tǒng)“腰肚”結構,使用較少數(shù)量和較小口徑的光學元件滿足對場曲的校正在一定物鏡尺寸限制內實現(xiàn)更大的NA。鏡片數(shù)量超過15片。和相機一樣，單個透鏡的光學特性會導致圖像失真，需要組合透鏡來修正圖像形變。3）可動鏡片：用運動著的鏡片來消除鏡頭組裝及光刻生產等過程中所產生的各種像差?？蓜隅R片覆蓋了垂直修正、傾斜修正和多向修正。圖：典型折射式投影物鏡示意圖圖：折反式投影物鏡示意圖2.2.3投影物鏡系統(tǒng)：精準成像，對線寬起重要作用nn投影物鏡技術難點：像差調節(jié)要求高、工藝精密。?波像差是實際波面與理想波面之間發(fā)生的偏離：光在介質中傳播的時候，從物點發(fā)出的同心光束相當于球面波，球面波經過光學系統(tǒng)的時候，其曲率發(fā)生改變。如果是理想的光學系統(tǒng)，它會形成另外一個球面波。但在實際的光學系統(tǒng)，會受到投影物鏡自身材料、特性、厚度、粗糙度、環(huán)境等因素的影響，經過投影物鏡的出射，波面會發(fā)生變形。實際波面與理想波面之間發(fā)生的偏離就是波像差。波像差直接影響光刻機成像質量、光刻分辨率，因此光刻機的投影物鏡系統(tǒng)需要對像差像差進行圖：像差示意圖圖：光刻機成像過程來源：《基于成像光強的光刻機像差原位檢測理論與方法研究》，中泰證券研究所整理2.2.3投影物鏡系統(tǒng)：精準成像，對線寬起重要作用來源：《高數(shù)值孔徑投影光刻物鏡的光學設計》，中泰證券研究所?為了更好的調節(jié)像差，物鏡發(fā)展趨勢為：從“雙腰”到“單腰”、引入非球面鏡片與反射式鏡片。?“雙腰”到“單腰”：為了實現(xiàn)場曲的矯正，投影物鏡采用的都是“腰肚”式結構。最初系統(tǒng)的結構依次隨著非球面數(shù)量的增加，雙腰結構結構逐漸從“1.5腰結構”變?yōu)椤皢窝Y構”，光學元件數(shù)減少。要求也進一步提高，采用全球面光學系統(tǒng)，設計復雜度隨之增加。?引入反射式鏡片：NA大于1.1時，需采用折反式投影光刻物鏡。加入凹面反射元件。凹面有正的對場曲的貢獻是負值，凹面鏡能較好的矯正場曲。2.2.3投影物鏡系統(tǒng)：精準成像，對線寬起重要作用刻機鏡片的平整度要求非常高，同時物鏡內還需要可動鏡片，垂直、傾斜和多向修正鏡頭組裝及生產過程中產生的像差，還要盡量消除光損失產生的熱量。2）工藝精密：光刻機所要求的鏡面光潔度非常高，需要采用精度最高的打磨機和最細的鏡頭磨料，此外還需要頂級的技術工人。在光學鏡頭的生產工序中，僅CCOS的拋光就有小磨頭拋光、應力盤拋光、磁流變拋光、離子束拋光等超精密拋光高難度工序。蔡司生產的最新一代EUV光刻機反射鏡最大直徑1.2米，面形精度峰谷值0.12納米，表面粗糙度20皮米（0.02納米達到了原子級別的平坦。圖：投影物鏡與高端單反鏡頭像素差圖：蔡司物鏡參數(shù)2.2.4雙工作臺系統(tǒng)：精確對準+光刻機產能的關鍵nn光刻機雙工作臺由兩個工件臺組成，兩個工件臺同時獨立工作，負責完成步進運動、曝光掃描、對準掃描、上下硅片等功能。雙工作臺工作流程：工作臺分為1號和2號，1）2號工件臺處于物鏡下方，對晶圓進行調平調焦、曝光、刻片等操作，與此同時1號臺進行待刻晶圓的上片下片；2）當2號臺刻片完成，工件臺系統(tǒng)進行換臺，1號工件臺換到物鏡下方進行刻片，2號臺進行上片下片，如此循環(huán)往復實現(xiàn)光刻機的高效生產。特點：雙工作臺較原先的單工作臺效率提高了35%，精度提高10%，有效提高了光刻機的產能。圖：雙工作臺圖：雙工作臺系統(tǒng)結構及換臺過程圖：雙工作臺曝光工件臺曝光工件臺測量工件臺2.2.4雙工作臺系統(tǒng)：精確對準+光刻機產能的關鍵nn雙工作臺技術難點：需要速度快、對準精度高、運動穩(wěn)定。2）精確對準：面臨的難點有巨大偏移——芯片制造需一層層向上疊加，每次重疊的誤差稱為套刻精度，要求是1-2nm。晶圓從傳送模組到晶圓平臺上，會產生機械誤差，一般是數(shù)千納米的偏移。高低差——投影物鏡太大，對焦點上下可接受的影像曝光前，須針對每片晶圓做精密量測，截取到晶圓每一個區(qū)塊納米等級的微小誤差，在曝光階段實時校正。3）運動穩(wěn)定：穩(wěn)定運動——利用balancemass吸收平衡晶圓平臺所施加于機座的反作用力，使整座機臺完全靜止。穩(wěn)定定位——晶圓要在完成量測后，要在極短的曝光時間內完美定位，ASML光刻機可達到精度為0.06納米的傳感器確認精準定位。穩(wěn)定運作——晶圓平臺為減少磨損采用懸浮的移動方式，達成極高速的運動和持久穩(wěn)定的運作。2.2.4雙工作臺系統(tǒng)：精確對準+光刻機產能的關鍵為了確保工件臺穩(wěn)定定位、精確對準。需要用到光柵尺、TIS傳感器等。?光柵尺用于工作臺的定位。位移測量傳感器有激光干涉儀和光柵尺，由于激光干涉儀對環(huán)境敏感性較高，目前高端機型較多使用光柵尺。原理：激光光源輸出頻差穩(wěn)定的線偏振方向相互垂直的雙頻激光，一束作為參考差頻信號由光電探測電路接收，另一束傳輸至光柵尺，光柵尺基于光柵多普勒效應和光學干涉原理實現(xiàn)位移測量。?TIS系統(tǒng)用于掩膜工作臺與晶圓工作臺之間的對準。TIS系統(tǒng)包括①設置在掩膜工作臺上的TIS標識（透光的密集線條②晶圓工作臺上的TIS傳感器。TIS標識通過光學成像透鏡系統(tǒng)，投射在晶圓工作臺。晶圓工作臺上的TIS傳感器測出TIS標識像強度的空間分布，從而計算出掩膜工作臺上TIS標識相對于晶圓工作臺的位置。TIS系統(tǒng)還可以進一步確定投影透鏡系統(tǒng)的像差和成像系統(tǒng)的畸變。圖：光柵尺測量系統(tǒng)示意圖圖：TIS對準系統(tǒng)示意圖來源：《超精密光柵尺位移測量系統(tǒng)》，芯制造，中泰證券研究所目錄一、光刻是芯片制造最核心的環(huán)節(jié)，大陸自1.1光刻機是芯片制造的核心設備，市場規(guī)模全球第二二、光刻機：多個先進系統(tǒng)的組合，核心零部件被海外廠商壟斷2.1光刻機發(fā)展歷程：從接觸式光刻機到EUV，分辨率不斷降低44大陸光刻設備需求持續(xù)增高續(xù)恢復擴產，另外有數(shù)十條新興fab廠處于建設期，未來大陸地區(qū)對光刻機的需求將持續(xù)增高。大陸非大陸25000200001500018257.415870.21000011654.19101.210442.39101.28043.250008043.22740.82324.429162740.82324.41842.8919.51377.71842.8919.50201720182019202020212022大陸晶圓代工廠陸續(xù)恢復擴產nn2022年前十大專屬晶圓代工公司中，中國大陸有三家。分別為中芯國際、華虹集團、晶合集成，排名第四、第五和第九。n國內晶圓廠陸續(xù)恢復擴產，有望帶動半導體設備的需求。華虹集團：2023年資本開支預計5億美元以上，將適時啟動新廠建設。臺積電聯(lián)電格芯中芯國際華虹集團力積電a世界先進n拖塔a晶合集成a東部高科u其他1.29%1.14%1.29%5.44%1.40%1.52%5.44%1.40%1.52%2.12%3.58%6.01%6.66%63.14%7.77%表：中芯國際、華虹集團陸續(xù)恢復擴產(億美元)中芯國際12995大陸晶圓廠持續(xù)新增12寸新Fab占主導地位。主要包括紫光集團在成都的DRAM項目，大灣區(qū)的粵芯、華潤微、鵬芯微、鵬新旭、增芯科技，以及青島芯恩、合肥賽微電子。8寸主要為青島芯恩8寸廠、中芯集成（前“中芯紹興”）在擴建，此外中芯集成在擴建6寸化合物產線。4488441/2286大陸廠商實現(xiàn)從“0到1”的突破nn上海微電子是大陸光刻機進展最快的廠商。上海微電子裝備(集團)股份有限公司主要致力于半導體裝備、泛半導體裝備、高表：上海微電子產品布局和進度280nmKrFexcimerlaserSSB225/20SSB245/10SSB245/20SSB260/10T來源：上海微電子官網(wǎng)，中泰證券研究所大陸廠商實現(xiàn)從“0到1”的突破表：大陸光刻機零部件廠商進度//子公司Anteryon為全球領先的光學設計和晶圓級光學鏡/A20224.SH茂萊光學：精密光學產業(yè)深耕者nn茂萊光學深耕精密光學產業(yè)，產品不斷升級，下游應用豐富。茂萊光學1999年成立，公司主要產品覆蓋深紫外DUV、可見光到遠紅外全譜段，主要包括精密光學器件、光學鏡頭和光學系統(tǒng)三大類，下游覆蓋生命科學、半導體、航空航天、AR/VR、生物識別等領域。公司在半導體領域的高精度光學顯微成像鏡頭應用于半導體檢測，其余產品通常應用于光刻機。表：公司產品結構公司主要產品精密光學器件精密光學鏡頭精密光學系統(tǒng)透鏡平片顯微物鏡系列機器視覺鏡頭醫(yī)療檢測光學系統(tǒng)模組生物識別光學模組半導體DUV光學透鏡窄帶多光譜濾光片顯微物鏡系列成像鏡頭3D檢測鏡頭顯微物鏡系列成像鏡頭y工業(yè)掃描物鏡監(jiān)測鏡頭監(jiān)測鏡頭紫外鏡頭航天星敏/監(jiān)測相機鏡頭紫外鏡頭X射線鏡頭X射線鏡頭雷達鏡頭基因測序光學引擎PCR基因擴增光學模組眼科掃頻光學模組生物識別模組ARAR/VR光學測試模組熒光濾光片飛機抬頭顯示系統(tǒng)光學器件相位延遲窗口AR/VR光學測試模組棱鏡棱鏡半導體檢測光學模組半導體檢測光學模組ARAR/VR光學檢測設備高精度干涉組合鏡光線折返異性棱鏡半導體檢測光學模組AR/VR光學檢測設備茂萊光學：精密光學產業(yè)深耕者表：公司產品及下游應用測描序機√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√組√組√√備√圖：半導體領域下游營收占比圖：公司主營業(yè)務收入分產品情況圖：半導體領域下游營收占比半導體檢測光刻機光學器件光學鏡頭光學系統(tǒng)服務半導體檢測光刻機100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%100%90%80%70%100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%201720182019202020212022H120192020201720182019202020212022H1華卓精科：大陸首家磁懸浮雙工件臺供應商nn華卓精科深耕納米精度運動及測控系統(tǒng)等半導體設備產業(yè)。華卓精科2012年5月創(chuàng)立于北京，深耕納米精度運動及測控系統(tǒng)等半導體設備產業(yè)，公司業(yè)務涵蓋納米精度運動及測控系統(tǒng)、超精密測控裝備整機及大部分超精密測控裝備部件產品等領域，并均處于國內前沿。n公司是國內首家自主研發(fā)并實現(xiàn)光刻機雙工件臺商業(yè)化生產的企業(yè)。光刻機雙工件臺是芯片制造IC前道光刻機的核心部件之一，可實現(xiàn)對準和光刻同步進行，極大地提高了光刻機的精度和生產效率。公司生產的光刻機雙工件臺采用了宏-微疊層驅動n公司是上海微電子雙工件臺產品及技術開發(fā)的供應商，2020年光刻機相關業(yè)務占公司營收的11%。圖：公司光刻機工件臺相關產品圖：國內首臺納米級超精密氣浮運動臺產品系列產品圖示列列刻機，產率≥150片/小時來源：華卓精科招股書，中泰證券研究所福晶科技：非線性光學晶體領軍廠商nn公司深耕激光產業(yè)上游元器件領域，主營產品包括晶體元件、精密光學元件和激光器件。公司成立于2001年，主營產品為晶體元器件、精密光學元件及激光器件等產品，主要用于固體激光器、光纖激光器的制造，是激光器系統(tǒng)的核心元器件，部分精密光學元件應用于光通訊、AR、激光雷達、半導體設備和科研等領域。n公司研發(fā)的非線性光學晶體，是光刻機重要的上游原材料。非線性光學晶體能夠轉換激光的種類，廣泛應用于固體激光器的制造。目前公司有多個項目聚焦于晶體質量與性能的提升，未來產品市場有望進一步擴張。表：公司產品及主要用途來源：福晶科技公司公告，中泰證券研究所騰景科技：深耕高端光學元件nn公司主營產品為精密光學元件與光纖器件。公司于2013年12月成立，主要業(yè)務為各類精密光學元件、光纖器件研發(fā)、生產和銷售。產品主要應用于光通信、光纖激光等領域，其他少量產品應用于量子信息科研、生物醫(yī)療、消費類光學等領域。