國產光刻機的希望

編者按

近日，關於ASML的一則流言的傳出，又引起了國內對光刻機的關注。

作為晶片產業的重要設備，光刻機的意義是不言而喻的。

值著這個機會，我們在這裡轉載一份關於國產光刻機龍頭——上海微電子的介紹，幫助大家對本土這個領域有更深的了解。

上海微電子是在國家科技部和上海市政府共同推動下，由國內多家企業集團和投資公司共同投資組建的高科技企業。

公司成立於2002年，主要從事半導體裝備、泛半導體裝備以及高端智能裝備的設計製造銷售，其中光刻設備是公司的主營業務。

公司在光刻設備領域擁有全國最先進的技術。

目前公司光刻機可以應用於集成電路產業鏈中晶圓製造、封裝測試，以及平板顯示、高亮度 LED 等領域。

1.2、公司在大陸市場份額高，業績逐漸向好

公司是大陸光刻設備龍頭企業。

目前公司所研發的高端前道光刻機實現90nm製程。

在中端先進封裝光刻機和LED光刻機領域，公司技術領先，在中國大陸市場份額已經超過80%。

其先進封裝光刻機率先實現量產並遠銷海外市場，獲得多項大獎和技術認證廣受業內認可。

根據芯思想數據，上海微電子2018年出貨大概在50-60台之間。

根據中國半導體協會，公司在半導體設備商中排名第5，是唯一上榜的專門研究銷售光刻機的廠商。

公司具有強大的研發團隊，自主創新能力不斷提升。

在國家的大力支持下，公司不斷通過引進優秀的人才壯大核心團隊以進一步提升公司的競爭力和產品研發效率。

根據國投高新，上海微電子目前研發隊伍不斷壯大，其中包括擁有卓越才能的國家千人計劃專家、上海市科技領軍人才、上海市技術學科帶頭人等重量級專業人才。

根據企查查數據，公司近年來專利發布數量呈增長態勢，這也顯示出上微自主創新能力不斷提升。

截至2018年12月，SMEE直接持有各類專利及專利申請超過2400項，同時公司通過建設並參與產業智慧財產權聯盟，進一步整合共享了大量聯盟成員智慧財產權資源，涉及光刻設備、雷射應用、檢測類、特殊應用類等各大產品技術領域，全面覆蓋產品的主要銷售地域，使得公司競爭實力不斷提升。

公司是國家重點扶持企業。

上海微電子在國家02專項的支持下積極布局光刻機製造。

上海微電子積極為 IPO 做準備。

根據證監會公布的《上海微電子裝備（集團）股份有限公司輔導備案基本情況表》，公司已經在 2017 年 12 月27 日與中信建投證券股份有限公司簽署輔導協議並進行輔導備案。

1.3、公司實控人是上海國資委

公司最大股東為上海電氣，股本占比達到32.09%。

上海市國資委是公司的實際控制人，其通過電氣集團、上海科投、泰力投資等股東合計持有公司 53.49%的股權。

公司擁有4家全資子公司以及一家參股子公司。

光刻機：高壁壘資本密集核心設備，市場廣闊龍頭集中

2.1、光刻技術是實現先進位程的關鍵設備

光刻機應用廣泛，包括IC前道光刻機、用於封裝的後道光刻機以及用於LED領域及面板領域的光刻機等等。

封裝光刻機對於光刻的精度要求低於前道光刻要求，面板光刻機與IC前道光刻機工藝相比技術精度也更低，一般為微米級。

IC前道光刻機技術最為複雜，光刻工藝是IC 製造的核心環節，利用光刻技術可以將掩模版上的晶片電路圖轉移到矽片上。

光刻機是一種投影曝光系統，包括光源、光學鏡片、對準系統等。

在製造過程中，通過投射光束，穿過掩膜板和光學鏡片照射塗敷在基底上的光敏性光刻膠，經過顯影后可以將電路圖最終轉移到矽晶圓上。

光刻機分為無掩模光刻機和有掩模光刻機。

無掩模光刻機可分為電子束直寫光刻機、離子束直寫光刻機、雷射直寫光刻機。

電子束直寫光刻機可以用於高解析度掩模版以及集成電路原型驗證晶片等的製造，雷射直寫光刻機一般是用於小批量特定晶片的製造。

有掩模光刻機分為接觸/接近式光刻機和投影式光刻機。

接觸式光刻和接近式光刻機出現的時期較早，投影光刻機技術更加先進，圖形比例不需要為1:1，減低了掩膜板製作成本，目前在先進位程中廣泛使用。

隨著曝光光源的改進，光刻機工藝技術節點不斷縮小。

目前最先進的光刻機來自ASML的EUV光刻機，採用13.5nm光源，最小可以實現7nm的製程。

此設備的開發難度更高，使用條件更複雜目前只有ASML攻破此項技術。

因為所有物質吸收EUV輻射，用於收集光（收集器），調節光束（照明器）和圖案轉移（投影光學器件）的光學器件必須使用高性能鉬矽多層反射鏡，並且必須容納整個光學路徑在近真空環境中，整個設備十分複雜。

晶片尺寸的縮小以及性能的提升依賴於光刻技術的發展。

光刻設備光源波長的進一步縮小將推動先進位程的發展，進而降低晶片功耗以及縮小晶片的尺寸。

根據International Society for Optics and Photonics以及VLSI Research研究發現，高精度EUV光刻機的使用將使die和wafer的成本進一步減小，但是設備本身成本也會增長。

目前光刻工藝是IC 製造中最關鍵也是最複雜步驟，光刻機是目前成本最高的半導體設備，光刻工藝也是製造中占用時間比最大的步驟。

其約占晶圓生產線設備成本30%，占晶片製造時間40%-50%。

以光刻機行業龍頭ASML為例，其研發投入每年在10億歐元左右，並且逐年增長。

高端EUV價格不斷攀升。

根據芯思想，2018年單台EUV平均售價1.04億歐元，較2017年單台平均售價增長4%。

而在2018年一季度和第四季的售價更是高達1.16億歐元。

2.2、光刻機市場空間廣闊，高低端市場格局迥異

2.2.1. 光刻機市場龍頭集中，中低端市場廣闊競爭激烈

光刻機設備市場龍頭集中，EUV光刻機被ASML壟斷。

全球光刻機出貨量99%集中在ASML，尼康和佳能。

其中ASML份額最高，達到67.3%，且壟斷了高端EUV光刻機市場。

ASML技術先進離不開高投入，其研發費用率始終維持在15%-20%，遠高於Nikon和Canon。

ASML在高端EUV、ArFi、ArF機型市場占有率不斷提升。

2017年ASML上述三種機型出貨量總計為101台，市場份額占比為78.29%，到2018年ASML出貨量增長到120台，市場份額約90% 。

2018年ASML共出貨224台光刻機，較2017年198年增加26台，增長13.13%。

Nikon2018年度（非財年）光刻機共出貨106台，半導體用光刻機出貨36台，同比增長33.33%，面板（FPD）用光刻機出貨70台。

2018年Canon光刻機出貨183台，同比增1.6%。

半導體用光刻機出貨達114台，增長62.85%。

但是主要是i-line、KrF兩個低端機台出貨，其面板（FPD）用光刻機出貨69台。

IC前道光刻機國產化嚴重不足。

目前國內光刻機處於技術領先的是上海微電子，其最先進的ArF光源光刻機節點為90nm，中國企業技術整體較為落後，在先進位程方面與國外廠商仍有較大差距。

Nikon 和 Canon 目前在高端市場技術與 ASML 相差甚遠幾乎完全退出市場，Canon 也退出了 ArF 光源光刻機研發與銷售，將其業務重點集中於中低端光刻機市場，包括封裝光刻機、LED 光刻機以及面板光刻機等，與複雜的 IC 前道製造相比，工藝要求和技術壁壘較低。

封裝光刻機技術不斷發展，新技術不斷湧現。

與前端區域相關。

翹曲處理以及異質材料對光刻技術構成了巨大挑戰。

此外，一些MEMS製造設備需要精確的層層對準，步進和掩模對準器是目前大批量製造中使用的兩種主要光刻技術。

雷射直接成像（LDI）和雷射燒蝕等新的光刻技術也不斷湧現。

中低端光刻機需求量不斷增長，市場競爭加劇。

根據Yole,2015-2020年先進封裝、MEMS以及LED光刻機出貨量將持續增長，預計到2020年總數將超過250台/年。

中低端市場的不斷增長主要受先進封裝的推動，隨著步進技術發展，2015年到2020年先進封裝光刻設備出貨量年複合增長率達到15%。

MEMS光刻市場主要受益於IC前道製造光刻機的重複使用與改裝。

中低端光刻機市場規模的不斷擴大和相對於前道製造較低的技術壁壘，競爭者數目較多，目前尼康與佳能是中低端市場兩大龍頭。

2.2.2.半導體產線升級為光刻設備帶來更大需求

晶圓尺寸變大和製程縮小將使產線所需的設備數量加大，性能要求變高。

12寸晶圓產線中所需的光刻機數量相較於8寸晶圓產線將進一步上升，先進位程的發展將進一步提升對於光刻機性能的要求。

隨著產業轉移和建廠潮的推動和邊際需求改善，光刻設備市場將不斷增長。

根據Varianat Market Research，到2025年全球光刻設備市場規模估計將達到4.917億美元; 從2017年到2025年的複合年增長率將達到為15.8％。

對接多元光刻機市場需求，積極開拓封裝、LED和平板顯示光刻機業務

3.1、公司前道光刻機差距較大，後道封裝光刻機優勢明顯

3.1.1.公司前道光刻機與國際先進水平差距較大

公司IC前道光刻機技術與國際先進水平差距明顯。

IC前道光刻機研發疊代周期長，耗資巨大，目前國際IC前道光刻機霸主ASML已實現7 nm EUV光刻先進工藝，而國內龍頭上海微電子由於起步較晚且技術積累薄弱，目前技術節點為90 nm，且多以雷射成像技術為主，客觀上與國際先進水平存在較大差距。

依託國家專項公司率先實現90 nm製程，未來有望逐步實現45、28 nm。

公司自2002年創立至今積極投入IC前道光刻機產品研發，公司600系列步進掃描投影光刻機採用四倍縮小倍率的投影物鏡、工藝自適應調焦調平技術，及高速高精的自減振六自由度工件台掩模台技術，可滿足IC前道製造90nm、110nm、280nm光刻工藝需求，適用於8、12寸線的大規模工業生產。

目前公司90nm 製程的IC前道光刻機樣機已通過專家組現場測試， 而90 nm為光刻機的一個技術台階，邁過 90 nm這一台階就很容易實現 65 nm，再對 65 nm升級就可以實現 45 nm製程。

在國家重大科技專項的支持下，上海微電子的IC前道光刻機有望在未來幾年實現 45 nm、28 nm製程，逐步縮小與國際先進水平的差距。

3.1.2.公司封裝光刻機技術先進，未來將依託於廣闊市場不斷發展

SIP封裝市場快速發展，公司封裝光刻機市場空間廣闊。

SIP封裝（System In a Package系統級封裝）將一個或多個IC晶片及被動器件整合到同一封裝中，成為了IC封裝領域最高端的一種先進封裝技術。

在電子設備小型化、5G、IOT和市場周期變短等的多重因子推動下，SIP市場規模迅速擴張，2016年全球系統級封裝市場規模為54.4億美元，預計到2023年有望達90.7億美元，2016-2023年複合增長率達7.58%，SIP先進封裝市場保持快速發展。

公司封裝光刻機滿足各類先進封裝工藝需求，國內及全球市占率分別達80%和40%。

全球SIP需在不同晶片或器件間打通電流通路，節點不能過於精細，否則焦深不足將無法穿透，公司主打的500系列IC後道封裝光刻機正好滿足這一要求。

公司500系列封裝光刻機國內領先，關鍵指標達到或接近國際先進水平，具備超大視場，高產率生產、支持翹曲片鍵合片曝光、高精度套刻及溫控、多種雙面對準和紅外可見光測量等特徵，可以滿足各類先進封裝工藝的需求。

公司封裝光刻機已實現批量供貨，公司已成為長電科技、日月光半導體、通富微電等封測龍頭企業的重要供應商，並出口海外市場，國內市場占有率高達80%，全球市場占有率達40%。

3.2、國內LED市場需求快速增長，公司LED光刻機性能指標領先

國內LED市場快速擴張，推動LED光刻機需求增長。

隨著LED行業產能逐漸向中國轉移，中國LED市場規模快速增長，從2011年的1545億元增長至2017年LED市場規模達到5509億元，複合年增長率達23.6%，且LED行業趨勢轉好，市場規模增長率連續七年超10%。

國內快速擴張的LED市場規模，將進一步推動國內LED光刻機需求。

公司LED/MEMS/功率器件光刻機性能指標領先，LED光刻機市占率第一。

公司300系列步進投影光刻機面向6英寸以下中小基底先進光刻應用領域，具備高解析度（0.8um）、高速在線Mapping、高精度拼接及套刻、多尺寸基底自適應、完美匹配Aligner和高產能等特徵，滿足HB-LED、MEMS和Power Devices等領域單雙面光刻工藝需求，公司LED光刻機各項性能指標占據市場領先地位，其中用於LED 製造的投影光刻機市場占有率第一。

3.3、國內FPD產業高速發展，公司積極開拓FPD光刻機市場

國內FPD產業處於高速發展階段，市場發展空間巨大。

隨著國內FPD生產線的建設和陸續投產及下游電子設備應用多元化發展，我國FPD產業步入快速發展時期，產能持續增長。

據商務部數據顯示，2013年國內FPD產能僅為22百萬平方米，而2017年國內產能迅速增長到96百萬平方米，2013-2017年成長率高達336.36%，預計2020年我國FPD產能將達到194百萬平方米，2013-2020年複合增長率達36.48%，FPD市場保持高速增長，發展空間巨大。

國內FPD產能全球占比持續提升，至2017年中國成為全球第二大FPD供應區。

在FPD產業逐漸向中國大陸轉移和中國大陸以京東方為首的FPD廠商投資力度加大的雙重作用下，國內FPD產能全球占比持續提升。

據商務部數據顯示，2013年國內FPD產能全球占比僅為13.9%，2017年國內FPD產能全球占比上升至34%，2013-2017年增長率達144.60%，中國躍升為全球第二大FPD供應區，預計2020年國內FPD產能全球占比將提高至52%，屆時中國將成為全球最大的FPD生產基地。

尼康、佳能FPD光刻技術優勢明顯，基本壟斷了FPD光刻機市場。

目前尼康和佳能受ASML擠壓基本已退至20億美金規模的低端平板顯示光刻機市場，但兩者在FPD光刻領域具有絕對的技術優勢。

尼康FPD光刻技術優勢：尼康在目前全球FPD光刻系統市場中占有最高份額；尼康FPD光刻系統採用多鏡頭掃描方法，實現了較高的精度和生產效率；隨著玻璃板每年變大，允許從它們切割更多數量的面板，有必要提高生產率，從而可以通過單次曝光來圖案化更寬區域上的電路。

尼康公司基於其獨特的技術開發了多鏡頭系統來解決這一問題，為了有效曝光，尼康將多個鏡頭排成兩排，覆蓋了很大的曝光面積，最大的尼康FPD光刻系統FX -101有多達14個鏡頭排列成行，這些鏡頭被精確控制為一個巨大的鏡頭；目前最大的第10代玻璃板的尺寸達3.13×2.88米，尼康為這款Gen 10平板配備了尖端的FX-101S系統，能夠有效地生產超過60英寸的大尺寸面板；製造高清晰度FPD需要各種技術，包括通過透鏡的精確曝光，玻璃板的精確定位，玻璃板表面變形的測量和調整，尼康獨立開發了這些技術並將其應用於FPD光刻系統，同時實現了高精度和高生產率；自1986年尼康在FPD製造領域推出NSR-L7501G以來，尼康開發並銷售了大量的FPD光刻系統，尼康不僅是大型FPDs光刻系統的領導者，而且還為智慧型手機和平板電腦生產中小型高清FPDs提供理想的型號；

佳能FPD光刻技術優勢：由於弧形的成像範圍使得獲得最佳成像特性成為可能，佳能的設備可以掃描弧形的曝光區域，從而在大面積範圍內獲得高解析度的性能；通過同時使用AS和OAS方法來觀察失真，佳能的混合對準系統可以進一步提高檢測時間和更精確的測量；為了解決之前曝光過程中產生的模式失真，佳能的高精度速度平台對掃描速度和方向進行了微調，在曝光過程中修正光刻板上的掩模圖形；利用非線性失真校正技術結合掃描校正機制，可以處理襯底上各種形狀的變形，並更準確地將其與掩模上的圖案對齊。

公司積極參與FPD光刻機市場競爭，實現首台4.5代TFT投影光刻機進入用戶生產線。

公司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AM-OLED和LCD顯示屏TFT電路製造，具備高精度（1.5um）、支持小Mask（6英寸）降低用戶使用成本和智能化校準及診斷特徵，可應用於2.5代～6代的TFT顯示屏量產線。

目前市場主流的OLED量產機型為6代，研發機型為2.5或4.5代，由於尼康及佳能不提供6代以下機型，公司6代以下機型全球領先。

來源：國君電子

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