光刻机行业分析报告Word下载.docx
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实现步进式扫描投影15
2、创新二：
双工作台光刻机16
3、创新三：
浸没式光刻系统17
三、ASML：
全球光刻机绝对龙头20
（一）17年业绩大幅增长，EUV光刻机高价值+充足订单保障成长动力20
（二）ASML的龙头之路：
开放式创新模式下时代的必然选择23
四、上海微电子：
国产光刻机的希望26
光刻机是半导体制造业中最核心的设备。
光刻环节实现芯片设计图从掩模到硅片上的转移，是芯片生产流程中的最关键步骤，直接决定芯片的制程水平和性能水平。
芯片在生产过程中需要进行20-30次的光刻，耗时占到制造环节的50%左右，占芯片生产成本的1/3。
光刻机是光刻工艺的核心设备，设计系统集成、精密光学、精密运动等多项先进技术，具备极高的技术含量和单台价值量，目前最先进的ASMLEUV光刻机单价达到近一亿欧元。
光刻机的不断发展满足了芯片更小制程、更低成本的生产要求。
芯片制造的发展方向是更小的制程以及更低的成本，这要求光刻机能不断实现更小的分辨率水平。
按照所用光源划分，光刻机经历了五代产品的发展，每次光源的更替都是的制程水平有了极大的提升。
目前最先进的光刻机采用EUV光源，已经可以实现7nm制程芯片的生产。
光刻机发展过程也伴随着工艺的不断创新改进，ASML推出的双工作台系统、沉浸式光刻系统填补了在光源没有发展的情况下实现了制程水平和制造效率的提升，也奠定了其光刻机龙头的地位。
开放式创新模式下时代的选择铸就光刻机绝对龙头ASML。
ASML能击败日本的“微影双雄”成长为光刻机领域的绝对龙头，根本原因在于ASML极其重视研发，并采用开放式创新的模式，在新品研发和工艺改进上具有极高的效率和灵活性，与尼康、佳能的孤岛式研发形成鲜明对比。
高灵活性使得ASML能抓住半导体产业转移的历史机遇，把握住韩国与台湾市场，并与台积电合作研发沉浸式光刻机，一举登上行业龙头地位。
目前ASML在光刻机领域市占率近80%，基本垄断高端光刻机，公司的EUV光刻机产品供不应求，订单已排至2019年，数额近28亿欧元，为公司业绩增长提供有力保障。
上海微电子：
国产光刻机的希望。
上海微电子是国内光刻机龙头，承担多项国家重大科技专项和02专项光刻机科研任务，公司的前道制造光刻机最高已能实现90nm制程，封装光刻机能满足各类先进封装工艺的需求。
公司的封装光刻机已在国内外市场广泛销售，国内市占率达到80%，全球市占率40%。
90nm是光刻机的重要技术台阶，在功课90nm节点后，公司有望快速将产品延伸至65nm、45nm制程，实现国产半导体设备的巨大突破。
一、光刻是芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤
（一）光刻是IC制造中的关键环节，耗时长，成本高
半导体芯片生产主要分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节。
IC设计主要根据芯片的设计目的进行逻辑设计和规则制定，并根据设计图制作掩模以供后续光刻步骤使用。
IC制造实现芯片电路图从掩模上转移至硅片上，并实现预定的芯片功能，包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。
IC封测完成对芯片的封装和性能、功能测试，是产品交付前的最后工序。
光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤，耗时长、成本高。
半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上，这一过程通过光刻来实现，光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。
芯片在生产中需要进行20-30次的光刻，耗时占到IC生产环节的50%左右，占芯片生产成本的1/3。
（二）光刻工艺流程详解
光刻的原理是在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再用光线（一般是紫外光、深紫外光、极紫外光）透过掩模照射在硅片表面，被光线照射到的光刻胶会发生反应。
此后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶，就实现了电路图从掩模到硅片的转移。
光刻完成后对没有光刻胶保护的硅片部分进行刻蚀，最后洗去剩余光刻胶，就实现了半导体器件在硅片表面的构建过程。
光刻分为正性光刻和负性光刻两种基本工艺，区别在于两者使用的光刻胶的类型不同。
负性光刻使用的光刻胶在曝光后会因为交联而变得不可溶解，并会硬化，不会被溶剂洗掉，从而该部分硅片不会在后续流程中被腐蚀掉，负性光刻光刻胶上的图形与掩模版上图形相反。
正性光刻与负性光刻相反，曝光部分的光刻胶会被破坏从而被溶剂洗掉，该部分的硅片没有光刻胶保护会被腐蚀掉，正性光刻光刻胶上的图形与掩模版上图形相同。
1、气相成底膜
硅片在清洗、烘培后首先通过浸泡、喷雾或化学气相沉积（CVD）等工艺用六甲基二胺烷成底膜，底膜使硅片表面疏离水分子，同时增强对光刻胶的结合力。
底膜的本质是作为硅片和光刻胶的连接剂，与这些材料具有化学相容性。
2、旋转涂胶
形成底膜后，要在硅片表面均匀覆盖光刻胶。
此时硅片被放置在真空吸盘上，吸盘底部与转动电机相连。
当硅片静止或旋转的非常缓慢时，光刻胶被分滴在硅片上。
随后加速硅片旋转到一定的转速，光刻胶借助离心作用伸展到整个硅片表面，并持续旋转甩去多余的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层，旋转一直到溶剂挥发，光刻胶膜几乎干燥后停止。
3、软烘
涂完光刻胶后，需对硅片进行软烘，除去光刻胶中残余的溶剂，提高光刻胶的粘附性和均匀性。
未经软烘的光刻胶易发粘并受颗粒污染，粘附力会不足，还会因溶剂含量过高导致显影时存在溶解差异，难以区分曝光和未曝光的光刻胶。
4、曝光
曝光过程是在硅片表面和石英掩模对准并聚焦后，使用紫外光照射，未受掩模遮挡部分的光刻胶发生曝光反应，实现电路图从掩模到硅片上的转移。
5、显影
使用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶可溶解区域，使可见图形出现在硅片上，并区分需要刻蚀的区域和受光刻胶保护的区域。
显影完成后通过旋转甩掉多余显影液，并用高纯水清洗后甩干。
6、坚膜
显影后的热烘叫做坚膜烘培，温度比软烘更高，目的是蒸发掉剩余的溶剂使光刻胶变硬，提高光刻胶对硅片表面的粘附性，这一步对光刻胶的稳固，对后续的刻蚀等过程非常关键。
7、检测
对硅片的显影结果进行检测，合格的硅片进入后续的刻蚀等流程，不合格的硅片在清洗后进入最初流程。
8、刻蚀
刻蚀是通过化学或物理的方法有选择地从硅片表面除去不需要材料的过程，通过刻蚀能在硅片上构建预想的电子器件。
刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀两种。
干法刻蚀是将硅片表面暴露在惰性气体中，通过气体产生的等离子体轰击光刻胶开出的窗口，与硅片发生反应去掉暴露的表面材料，是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法。
湿法刻蚀使用液态化学剂（酸、碱、有机溶剂等）用化学方式去除硅片表面的材料，一般只用于尺寸较大的情况。
9、去胶
刻蚀完成后，通过特定溶剂，洗去硅片表面残余的光刻胶。
半导体制造业皇冠上的明珠
（一）光刻机原理与内部结构
光刻机根据应用工序不同，可以分为用于生产芯片的光刻机，以及用于封装的光刻机，其中封装光刻机对于光刻精度和控制精度的要求都比制造用光刻机低很多，价值量也相对较低，本文主要讨论用于芯片制造领域的光刻机。
光刻机是芯片制造中光刻环节的核心设备，技术含量、价值含量极高。
光刻机涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，因此也具备极高的单台价值量，目前世界上最先进的ASMLEUV光刻机单价达到近一亿欧元，可满足7nm制程芯片的生产。
光刻机工作原理：
光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图。
不同光刻机的成像比例不同，有5:
1，也有4:
1。
光刻机内部结构图如图9所示。
激光器：
光源，光刻机核心设备之一。
光束矫正器：
矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。
能量控制器：
控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。
光束形状设置：
设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。
遮光器：
在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。
能量探测器：
检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。
掩模版：
一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。
掩膜台：
承载掩模版运动的设备，运动控制精度达到纳米级。
物镜：
物镜由20多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。
技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。
量台、曝光台：
承载硅片的工作台，一般的光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，ASML的双工作台光刻机则可以实现一片硅片曝光同时另一片硅片进行测量和对准工作，能有效提升工作效率。
内部封闭框架、减振器：
将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。
（二）光刻机的发展本质是为了满足更高性能、更低成本芯片的生产需求
半导体芯片具有不同的制程，即不同的技术节点，经常看到的45nm、28nm、10nm等字样即是对不同制程的描述，那么不同的制程该如何理解，不同制程的芯片又有何差异呢？
这要从集成电路的最基本单元——晶体管说起，用半导体制造晶体管是利用其特殊的导电能力来传递0或1的数字信号。
晶体管的内部结构图如下图所示，在栅区不通电的情况下，源区信号很难穿过不导电的P型衬底到达漏区，即表示电路关闭（数字信号0），如果在栅区和衬底间加上电压，衬底中的电荷就会在异性相吸的作用下在绝缘氧化层下大量聚集，形成一条细窄的导电区，使得源区和漏区导通，电流就可以顺利从源区传递到漏区（信号1），这就是晶体管最基本的工作原理。
而栅极下方两个N—阱间的距离，即导电沟道的长度，被定义为晶体管的尺寸。
在现代晶体管中，电子的速度是有限的，且一般以饱和速度运行，因此信息传递的速度就由导电沟道的长度来决定，沟道越短，信息传递速度越快。
芯片的制程可以近似理解为内部晶体管导电沟道的长度，制程小的芯片具有两大优势：
处理速度快。
小制程芯片内部晶体管导电沟道短，信号传递速度快，单位时间内芯片能处理更多的信息，时钟频率更高。
单位面积性能提升，成本降低。
更小的晶体管尺寸意味着单位面积芯片可以制造更多的晶体管，芯片集成度得到提升，即增加了芯片的功能，又使单位芯片的成本得到降低。
光刻工艺水平决定了晶体管尺寸的大小，因此芯片制程的不断缩小必然伴随着光刻机产品的不断升级和创新，从本质上说，正是半导体产业对更高性能、更低成本芯片的不断追求推动了光刻机设备的不断创新与发展。
光刻机是延续摩尔定律的关键。
摩尔定律提出，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
半导体行业最初三十年的发展能够基本满足摩尔定律，关键就在于光刻机能不断实现更小的分辨率水平。
近十年来摩尔定律的时间间隔已经延长至3-4年，原因就在于光刻机的发展低于行业的预期。
光源改进+工艺创新推动光刻机更新换代
光刻机的最小分辨率、生产效率、良率均在不断发展。
光刻机的最小分辨率由公示R=kλ/NA，其中R代表可分辨的最小尺寸，对于光刻技术来说，R越小越好；
k是工艺常数；
λ是光刻机所用光源的波长；
NA代表物镜数值孔径，与光传播介质的折射率相关，折射率越大，NA越大。
光刻机制程工艺水平的发展均遵循以上公式。
此外，光刻机的内部构造和工作模式也在发展，不断提升芯片的生产效率和良率。
根据所使用的光源的改进，光刻机经历了5代产品的发展，每次光源的改进都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。
此外双工作台、沉浸式光刻等新型光刻技术的创新与发展也在不断提升光刻机的工艺制程水平，以及生产的效率和良率。
最初的两代光刻机采用汞灯产生的436nmg-line和365nmi-line作为光刻光源，可以满足0.8-0.35微米制程芯片的生产。
最早的光刻机采用接触式光刻，即掩模贴在硅片上进行光刻，容易产生污染，且掩模寿命较短。
此后的接近式光刻机对接触式光刻机进行了改良，通过气垫在掩模和硅片间产生细小空隙，掩模与硅片不再直接接触，但受气垫影响，成像的精度不高。
第三代光刻机采用248nm的KrF（氟化氪）准分子激光作为光源，将最小工艺节点提升至350-180nm水平，在光刻工艺上也采用了扫描投影式光刻，即现在光刻机通用的，光源通过掩模，经光学镜头调整和补偿后，以扫描的方式在硅片上实现曝光。
第四代ArF光刻机：
最具代表性的光刻机产品。
第四代光刻机的光源采用了193nm的ArF（氟化氩）准分子激光，将最小制程一举提升至65nm的水平。
第四代光刻机是目前使用最广的光刻机，也是最具有代表性的一代光刻机。
由于能够取代ArF实现更低制程的光刻机迟迟无法研发成功，光刻机生产商在ArF光刻机上进行了大量的工艺创新，来满足更小制程和更高效率的生产需要。
实现步进式扫描投影
此前的扫描投影式光刻机在光刻时硅片处于静止状态，通过掩模的移动实现硅片不同区域的曝光。
1986年ASML首先推出步进式扫描投影光刻机，实现了光刻过程中，掩模和硅片的同步移动，并且采用了缩小投影镜头，缩小比例达到5：
1，有效提升了掩模的使用效率和曝光精度，将芯片的制程和生产效率提升了一个台阶。
双工作台光刻机
硅片在进入光刻流程前要先进行测量和对准，过去光刻机只有一个工作台，测量、对准、光刻等所有流程都在这一个工作台上完成。
2001年ASML推出了双工作台系统（TWINSCANsystem），双工作台系统使得光刻机能够在不改变初始速度和加速度的条件下，当一个工作台在进行曝光工作的同时，另外一个工作台可以同时进行曝光之前的预对准工作，使得光刻机的生产效率提升大约35%。
虽然从结果上来看，仅仅是增加了一个工作台，但其中的技术难度却不容小觑，双工作台系统对于换台的速度和精度有极高的要求，如果换台速度慢，则影响光刻机工作效率；
如果换台精度不够，则可能影响后续扫描光刻等步骤的正常开展。
浸没式光刻系统
到了45nm制程节点时，ArF光刻机也遇到了分辨率不足的问题，此时业内对下一代光刻机的发展提出了两种路线图。
一是开发波长更低的157nmF2准分子激光做为光源，二是由2002年台积电林本坚提出的浸没式光刻。
此前的光刻机都是干式机台，曝光显影都是在无尘室中，以空气为媒介进行。
由于最小分辨率公式中的NA与折射率成正相关，如果用折射率大于1的水做为媒介进行光刻，最小分辨率将得到提升，这就是浸没式光刻系统的原理。
ASML率先推出浸没式光刻机，奠定自身市场地位。
林本坚提出浸没式光刻设想后，ASML开始与台积电合作开发浸没式光刻机，并在2007年成功推出第一台浸没式光刻机TWINSCANXT:
1900i，该设备采用折射率达到1.44的去离子水做为媒介，实现了45nm的制程工艺，并一举垄断市场。
当时的另两大光刻巨头尼康、佳能主推的157nm光源干式光刻机被市场抛弃，不仅损失了巨大的人力物力，也在产品线上显著落后于ASML，这也是尼康、佳能由盛转衰，ASML一家独大的重要转折点。
通过浸没式光刻和双重光刻等工艺，第四代ArF光刻机最高可以实现22nm制程的芯片生产，但是在摩尔定律的推动下，半导体产业对于芯片制程的需求已经发展到14nm、10nm、甚至7nm，ArF光刻机已无法满足这一需求，半导体产业将希望寄予第五代EUV光刻机。
第五代EUV光刻机，千呼万唤始出来。
1-4代光刻机使用的光源都属于深紫外光，第五代EUV光刻机使用的则是波长13.5nm的极紫外光。
早在上世纪九十年代，极紫外光刻机的概念就已经被提出，ASML也从1999年开始EUV光刻机的研发工作，原计划在2004年推出产品。
但直到2010年ASML才研发出第一台EUV原型机，2016年才实现下游客户的供货，比预计时间晚了十几年。
三星、台积电、英特尔共同入股ASML推动EUV光刻机研发。
EUV光刻机面市时间表的不断延后主要有两大方面的原因，一是所需的光源功率迟迟无法达到250瓦的工作功率需求，二是光学透镜、反射镜系统对于光学精度的要求极高，生产难度极大。
这两大原因使得ASML及其合作伙伴难以支撑庞大的研发费用。
2012年ASML党的三大客户三星、台积电、英特尔共同向ASML投资52.59亿欧元，用于支持EUV光刻机的研发。
此后ASML收购了全球领先的准分子激光器供应商Cymer，并以10亿欧元现金入股光学系统供应商卡尔蔡司，加速EUV光源和光学系统的研发进程，这两次并购也是EUV光刻机能研发成功的重要原因。
全球光刻机绝对龙头
（一）17年业绩大幅增长，EUV光刻机高价值+充足订单保障成长动力
ASML成立于1984年，由菲利普与先进半导体材料国际（ASMI）合资成立，专业从事光刻机设备的开发，总部位于荷兰的费尔德霍芬。
1995年，ASML收购了菲利普持有的股份，称为完全独立的公司，同年在阿姆斯特丹和纳斯达克交易所上市。
成立当年，ASML就推出了第一台油压驱动PAS2000步进式光刻机，但PAS2000采用的技术已经过时。
1986年ASML推出PAS2500步进式光刻机，开始在市场上建立起一定的名气，同年与透镜制造商卡尔蔡司建立密切的合作关系，为此后发展打下重要基础。
1991年PAS5000光刻机面市，由于能显著降低芯片生产所需的时间，PAS5000取得了巨大的成功。
此后2000-2001年，具有双工作台、浸没式光刻技术的TwinscanXT、TwinscanNXT系列研制成功，一举奠定ASML在光刻机领域的霸主地位，尼康、佳能市场份额被急剧压缩。
2007年EUV光刻机TwinscanNXE系列的成功进一步拓展了ASML的市场份额，达到75%-80%，成为行业内的绝对龙头。
公司具有完善全球布局，在半导体设备企业中市值排名第一。
截止2017年底，ASML在16个国家60多个城市设有办事处，在荷兰、美国、中国大陆、台湾、韩国均设有研发与生产中心，公司共有员工超过19000名，其中7000名以上属于研发人员。
目前ASML总市值将近900亿元，在全球半导体设备商中排名第一。
公司2017年营收、净利润大幅增长。
2013-2016年间ASML营收增长较为平稳，复合增长率达到9%，同期净利润也保持平稳增长态势。
2017年公司业绩实现了大幅增长，营业收入达到90.53亿欧元，同比增长33%，净利润达到21.19亿欧元，同比增长53%。
17年公司业绩的大幅增长主要是受到下游半导体产业复苏，以储存器为代表的厂商纷纷扩产带动设备需求，以及全球范围内掀起晶圆代工厂兴建潮带动设备需求提升所致。
储存器是最大下游设备客户。
ASML2017年营收中，设备营收达到63.74亿欧元，占总营收的70%，服务收入为26.79亿欧元，占比30%。
下游设备客户中，储存器客户份额最大，达到29.68亿元，占设备收入的46.6%，总收入的32.8%。
其次是Foundry客户和IDM客户，分别占设备收入的35.9%、17.5%。
亚洲是主要设备下游市场，大陆市场居第四。
ASML2017年营收中，设备营收达到63.74亿欧元，占总营收的70%，其中前三大下游市场是韩国、台湾、美国，占比分别达到36%、26%、13%，主要是因为三星、台积电、英特尔是ASML的三大主要客户。
ASML在中国大陆营收达到7.2亿欧元，占比为11%，是第四大市场。
EUV光刻机性能优越，营收占比快速提升。
ASML的EUV光刻机是全球唯一可以满足22nm以下制程芯片生产的设备，每小时可以处理125片晶圆，稳定性达到90%以上，自2016年面市以来就处于供不应求的情况，在产品结构中的占比也快速提升。
2017年EUV光刻机营收为10.92亿欧元，占比17%。
营收占比最大的是ArF浸没式光刻机，达到63%。
数量上看，2017年ASML共售出11台EUV光刻机，平均价格近1亿欧元，ArF浸没式光刻机和KrF光刻机分别售出76台、71台，ArF干式光刻机售出14台。
可见在中高端芯片制造中，ArF浸没式光刻机是业内主流设备，中低端芯片制造更多使用KrF光刻机，ArF光刻机需求量较少。
EUV光刻机产能将进一步提升，充足订单保障ASML业绩增长。
受限于产能，2017ASML仅交付了11台光刻机，ASML预计2018年将产能提升至22台，2019年进一步提升至29台。
截止2017年底，ASML尚有28台光刻机订单在手，设备生产已排至2019年，预计2018年ASMLEUV光刻机收入将达到28亿欧元，占比有望提升至25%-30%。
开放式创新模式下时代的必然选择
ASML1984年成立，30年的时间即发展为光刻机领域的绝对龙头，市占率达到近80%，几乎垄断高端光刻机市场，其成长之路可谓一段传奇。
ASML的龙头之路既与产业大环境密切相关，也是其自身重视研发，对研究创新始终采取开放态度的必然结果。
ASML创立初始即面对“微影双雄”两大巨头。
在ASML创立之时，光刻机市场存在两大巨头——日本的尼康和佳能，被称为“微影双雄”。
当时半导体产业已从美国转移至日本，发展半导体产业在日本被立为国策，其中光刻用步进机被列为“第三研究重点”，作为基础设备研究政府予以研发补贴、减税等优惠。
此外，当时的日本半导体企业普遍IDM模式，极大地带动了本土半导体设备产业的发展。
由于半导体行业周期性强、技术更新速度快，企业对产业中的商业和技术变化稍有迟疑，就会遭到损失。
1993年，曾经的光刻机龙头美国GCA公司由于本土企业需求量减少以及技术落后，被迫退出市场，到1994年，“微影双雄”已经占据了80%的市场份额。
ASML成立之初也面临着资金短缺和技术落后的问题。
半导体产业属于资金密集型产业，光刻机作为推动摩尔定律最关键的设备，研发新产品时更需要庞大的资金投入。
ASML研发的第一款PAS2000光刻机技术过时，未能贡献利润。
1992年全球半导体产业滑坡，ASML资金链断裂，几近关门，幸亏菲利普及时出手援助才渡过难关。
走出困境后的ASML开始了快速的发展，而同时尼康与佳能却在走向衰落，最终在浸没式光刻机的研发上，ASML对尼康和佳能做出了致命一击，奠定了自身光刻机龙头的地位。
ASML能把稳住这一关键的历史因素，具有自身特质以及时代背景两大方面的原因。
内因：
ASML极其重视研发，并对研发创新始终保持开放态度。
光刻机是技术含量极高的设备，厂商每年需要投入巨额的资金用于研发。
ASML每年的研发投入都在营业收入的15%左右，与净利润水平基本相当，远超尼康、佳能5%-6%的研发投入，即使在互联网泡沫破裂和金融危机期间，ASML依然保持极高的研发投入。
对于研发，ASML采取大胆的外包合作和开放式创新模式，公司将众多的光刻机核心设备外
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