半導體行業核心設備—光刻機，最全介紹！

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光刻機：半導體工業皇冠上的明珠

光刻根據所採用正膠與負膠之分，劃分為正性光刻和負性光刻兩種基本工藝。

在正性光刻中，正膠的曝光部分結構被破壞，被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相同。

相反地，在負性光刻中，負膠的曝光部分會因硬化變得不可溶解，掩模部分則會被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。

自對準雙重圖案(SADP)技術是通過沉積和刻蝕工藝在心軸側壁上形成的間隔物。

然後通過一個額外的刻蝕步驟移除心軸，使用間隔物來定義所需的最終結構，因此特徵密度增加了一倍。

SADP技術主要用於FinFET技術中的鰭片形成、線的互連以及存儲設備中的位線/字線的形成，其關鍵的優點在於避免了在LELE期間時可能發生的掩模不對齊。

將SADP加倍可以得到四重圖案化工藝(SAQP)。

193nm浸沒式光刻的SADP可以實現~20nm的半間距解析度，但是SAQP可以實現~10nm的半間距解析度。

光刻工藝定義了半導體器件的尺寸，是IC製造中的關鍵環節。

作為晶片生產流程中最複雜、最關鍵的步驟，光刻工藝難度最大，耗時最長，晶片在生產過程中一般需要進行20~30次光刻，耗費時間約占整個矽片工藝的40～60%，成本極高，約為整個矽片製造工藝的1/3。

一般的光刻工藝要經歷矽片表面清洗烘乾、塗底、旋塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。

1.2光刻機：光刻工藝的核心設備

光刻機的演變

按曝光方式分類，光刻機可分為直寫式光刻、接近接觸式光刻和投影式光刻三種。

直寫式由於曝光場太小，通常用於製作掩模板；接近接觸式是指光刻膠與掩模板接觸或略有縫隙，受氣墊影響，成像精度較低；投影式是指在掩膜板與光刻膠之間使用光學系統聚集光實現曝光，進一步提高解析度。

晶片追求更快的處理速度，則需要縮短電晶體內部導電溝道的長度，而光刻設備的解析度決定了IC的最小線寬。

因而，光刻機產品的升級就勢必要往更小解析度水平上發展,光刻機演進過程是隨著光源改進和工藝創新而不斷發展的。

此外雙工作檯、沉浸式光刻等新型光刻技術的創新與發展也在不斷提升第四代光刻機的工藝製程水平，以及生產效率。

2001年ASML推出了雙工作檯系統（圖5），將測量、對準與光刻流程相分離，實現曝光與預對準同時進行，大幅提高了生產效率。

而浸沒式光刻工藝更成為ASML強勢崛起的轉折點。

與傳統光刻技術相比，浸沒式光刻技術需要在光刻機投影物鏡最後一個透鏡下表面與矽片光刻膠之間充滿高折射率的液體，以提高解析度；目前主要有三種液體浸沒方法：矽片浸沒法，工作檯浸沒法，局部浸沒法，業界多採用局部浸沒法。

尼康、佳能由盛轉衰，ASML強勢崛起。

在45nm製程下ArF光刻機遇到了解析度不足的問題，業內對下一代光刻機的發展提出了兩種路線。

一是開發波長更低的157nmF2準分子雷射做為光源， 二是林本堅（台積電研發副總經理）提出的浸沒式光刻。

2002年以前，業界普遍認為193nm光刻無法延伸到65nm技術節點，而157nm將成為主流技術，但157nm光刻技術同樣遭遇到了來自光刻機透鏡的巨大挑戰。

在時代的十字路口上，TSMC提出了193nm浸入式光刻的概念，尼康、佳能則倒向了開發波長更低的光源；隨著ASML與台積電合作開發，於2007年成功推出第一台浸沒式光刻機。

193nm光波在水中的等效波長縮短為134nm，足可超越157nm的極限，193nm浸入式光刻的研究隨即成為光刻界追逐的焦點。

到2010年，193nm液浸式光刻系統已能實現32nm製程產品，並在20nm以下節點發揮重要作用，浸沒式光刻技術憑藉展現出巨大優勢，成為EUV之前能力最強且最成熟的技術。

從液浸式到EUV，第五代光刻機迎頭趕上。

前四代光刻機使用都屬於深紫外光，ArF已經最高可以實現22nm的晶片製程，但在摩爾定律的推動下，半導體產業對於晶片的需求已經發展到14nm，甚至是7nm，浸入式光刻面臨更為嚴峻的鏡頭孔徑和材料挑戰。

第五代EUV光刻機，採用極紫外光，可將最小工藝節點推進至7nm。

第四，獨特光刻膠。

現有的光刻膠是化學放大光刻膠，由分子鏈聚合而成，可以增強入射光子的效果。

但這些材料對 EUV 的吸收效果並不好。

此外，由於入射光引起的放大反應在材料內部散射，光刻膠形成的圖像會有輕微模糊。

第五，保護掩模板。

在193nm 液浸式光刻機中，掩模版由一層被薄膜（即護膜）保護著，這層薄膜距離掩模版有一點懸空的距離，像保鮮膜一樣緊繃在上方，其作用在於當灰塵落在護膜上時影響聚焦而不能在晶圓上形成圖案，因此不會損壞整個晶圓。

但193nm的護膜不適用於13.5nm的光，EUV會損壞護膜，若不使用護膜則很可能是最終良率為0。

所以解決這個難題的關鍵在於研究製造出能夠抵抗 EUV 破壞的護膜。

事實上，ASML從1999 年就已開始EUV光刻機的研發工作，但由於上述五大難題，難以支付高昂的研發費用，其三大客戶三星、台積電和英特爾加大投資52億歐元，積極支持EUV的研發和生產。

原計劃在2004年推出產品，直到2010年ASML才研發出第一台EUV原型機，2016年才實現下遊客戶的供貨，比預計時間晚了十幾年，也正是這一滯後使得摩爾定律的更替時間從理論上的18-24個月延長至3-4年。

目前，ASML在EUV技術上具有絕對領先地位。

1.3光刻機市場：上游供給不足，下游需求強勁

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全球局勢：三分天下，高端市場一家獨大

從全球角度來看，高精度的IC晶片光刻機長期由ASML、尼康和佳能三家把持，從2011-2017歷年全球光刻機出貨比例可以看出，ASML，尼康，佳能三家公司幾乎占據了99%的市場份額，其中ASML光刻機市場份額常年在60%以上，市場地位極其穩固。

2.1 ASML：高端光刻機壟斷者

ASML Holding NV(ASML)是世界領先的半導體設備製造商之一，總部位於荷蘭，向全球複雜集成電路生產企業提供領先的綜合性關鍵設備。

它為亞洲，歐洲和美國的半導體生產商提供提供光刻機及相關服務。

它還為客戶提供一系列的支持服務，包括先進的工藝和產品應用知識，並以二十四小時服務支持。

2006年，ASML交付第一台光刻機；2007年成功推出第一台浸沒式光刻機TWINSCANXT:1990i，採用折射率達到 1.44 的去離子水做為媒介，實現了 45nm 的製程工藝，並一舉壟斷市場。

當時的另兩大光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm 光源乾式光刻機被市場拋棄。

ASML2018Q1實現營收22.85億歐元，主要來自系統銷售，占比73%；其中ArF浸沒式設備貢獻72%的營收，KrF型以14%的貢獻居於第二。

平均來說，ASML中高端設備單台售價超過7000萬美元，高端EUV設備單台售價超過1億美元。

從Q1業務拆分情況看出，高價值的EUV銷售量僅一台就貢獻7%的營收，公司預計2018全年EUV收入將達到21億歐元。

從終端市場看來，主要下游市場在於存儲晶片，營收1227百萬歐元，占比達53.7%，較之2017年的32.8%有很大提升。

公司營業收入和凈利潤始終保持較高水平，但變化幅度較大。

自2016年真正意義上推出EUV設備後，營收和凈利潤實現大幅增長。

自2013年以來毛利率和凈利率均實現穩步增長，18Q1毛利率達48.7%，凈利率達23.6%。

其中系統設備尤其是光刻設備貢獻在各個季度均超過60%，2018Q1設備營收環比有所下降，但同比實現37.2%增長YoY。

光刻機訂單量與訂單額有類似的趨勢。

ASML在光刻設備市場具有不可撼動的霸主地位，尼康和佳能難以與之抗衡的一大重要原因在於其積極研發和開放式創新發展思路，在新品研發和工藝改進上充分發揮其網絡創新優勢，比佳能和尼康的「孤島式」研發模式更具效率和靈活性。

2.2尼康：發揮面板光刻比較優勢

尼康（7731.T）是日本的一家著名相機製造商，成立於1917年，當時名為日本光學工業株式會社。

1988年該公司依託其照相機品牌，更名為尼康株式會社。

最早通過相機和光學技術發家，1980年開始半導體光刻設備研究，1986年推出第一款FPD光刻設備，如今業務線覆蓋範圍廣泛。

尼康既是半導體和面板光刻設備製造商，同時還生產護目鏡，眼科檢查設備，雙筒望遠鏡，顯微鏡，勘測器材等健康醫療和工業度量設備。

在FPD光刻方面，尼康則可發揮其比較優勢，尼康的機器範圍廣泛，從採用獨特的多鏡頭投影光學系統處理大型面板到製造智能設備中的中小型面板，為全球領先的製造商提供多樣化的機器。

尼康FY2017營收5.25千億日元，同比下降7.2%，在成像產品和精密設備（光刻設備）領域利潤均有增長，經營利潤達4.15百億日元，增長123.2%，歸母凈利潤達2.23百億日元，增長56.7%。

2018Q3營收下降11%，由於成像產品和FPD及晶片光刻設備單位產品銷售額下降，但成像產品業務高附加值產品和精密設備領域的重大技術突破帶來了經營利潤上漲。

預計全年營收下降7%，主要在於FPD光刻設備單位產品銷售額下降，但成像產品和晶片光刻設備扭轉了上半年的敗局，使得經營利潤增加124%。

尼康雖然在晶片光刻技術上遠不及ASML，目前的產品還停留在ArF和KrF光源，且售價也遠低於ASML，和EUV更加難以相提並論。

但目前其盈利性也很大程度上依賴光刻設備，尤其是晶片光刻設備。

雖然研發投入也持續增長，但其中對於光刻設備的投入比重卻在下降。

2.3佳能：光電為主，光刻為輔

佳能（CAJ.N）是日本的一家全球領先的生產影像與信息產品的綜合集團，1937年憑藉光學技術起家、並以製造世界一流相機作為目標，此後逐漸進入複印機、印表機、光刻設備和機器視覺市場，如今業務已經擴展到各個領域並成功全球化。

佳能目前有四大業務線，即辦公設備（包括印表機、複印機等）、成像系統（相機及其零配件）、工業設備（包括晶片光刻機、面板光刻機、網絡攝像頭和商用印表機等）以及醫療系統（包括視網膜相機、角膜曲率機等）。

佳能最早從1970年開始光刻相關業務，但近幾年來並無技術突破，推出的新產品均非光刻設備領域。

2018Q1公司銷售不振但盈利情況仍有提升，營業收入為9.607千億日元，同比下降1.2%，但凈利潤同比上升3.7%，達571億日元，毛利率和凈利率分別達46.3%和5.9%。

原因在於光刻設備拉動，抵消鏡頭/相機收入下降的部分，整體收入與上年持平。

受制於某些臨時因素，圖像系統和醫療業務營收分別下降8.4%和11.1%，營業利潤分別下降15%和增長6%；工業領域業務營收增長16.1%，營業利潤增長113.6%。

單看佳能工業設備銷售業績，整體上處於上升態勢，但光刻設備的比重越來越低，儘管從2016年到2018年光刻設備尤其是晶片光刻設備的銷售量有顯著上升，但價值量貢獻卻並無相同趨勢。

FY2017，其他工業設備如網絡攝像頭、商用印表機和三維機器視覺系統加總銷售額貢獻超過80%，反映出佳能在光刻設備市場上議價能力不足，深層原因還是技術精度未能達到高端市場要求，僅能通過價格優勢獲得銷售量的提升。

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國產化進程：前路漫漫，曙光微現

3.1上海微電子：國產光刻機的星星之火

500系列步進投影光刻機不僅適用於晶圓級封裝的重新布線以及Flip Chip工藝中常用的金凸塊、焊料凸塊、銅柱等先進封裝光刻工藝，還可以通過選配背面對準模塊，滿足MEMS 和2.5D/3D封裝的TSV光刻工藝需求。

除晶片光刻設備，公司還有FPD光刻設備。

200系列投影光刻機採用先進的投影光刻機平台技術，專用於AMOLED和LCD顯示屏TFT電路製造，可應用於2.5代～6代的TFT顯示屏量產線。

該系列設備具備高解析度、高套刻精度等特性，支持6英寸掩模，顯著降低用戶使用成本。

另外，SSB300/30投影光刻機適用於2-6英寸基底LED的PSS和電極光刻工藝，該設備具有高解析度、高線寬均勻性等特點；SSB320/10投影光刻機專用於LED生產中晶片製作光刻工藝，採用超大曝光視場，通過掩模優化設計減少曝光場，減少重複晶片損失，顯著提高產能。

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