（報(bào)告出品方/作者：財(cái)通證券，張益敏）

1 光刻設(shè)備：半導(dǎo)體制造的核心裝備

1.1 光刻：決定芯片性能最關(guān)鍵工藝

自 1958 年第一塊集成電路誕生以來(lái)，其工藝技術(shù)持續(xù)高速發(fā)展。隨著集成電路工 藝制程的不斷升級(jí)，晶體管集成度不斷提高；觀察到這一行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)，英特爾 創(chuàng)始人之一的戈登.摩爾（Gordon Moore）提出：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，芯片容納的晶 體管數(shù)大約每 18 個(gè)月到 24 個(gè)月翻倍，這就是著名的摩爾定律。芯片集成密度與 可靠性的不斷提升，推動(dòng)了從大型機(jī)到個(gè)人電腦，再到移動(dòng)終端、物聯(lián)網(wǎng)、人工 智能的電子工業(yè)的革命。

自 1960 年代以來(lái)，芯片性能的發(fā)展整體遵循摩爾定律。但高速持續(xù)發(fā)展并非自然 而然的，而是蘊(yùn)含著集成電路設(shè)計(jì)、芯片生產(chǎn)、電子材料、半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)長(zhǎng)期 的研發(fā)積累與不斷改進(jìn)。改進(jìn)分為兩大類(lèi)：工藝和結(jié)構(gòu)。工藝的改進(jìn)以更小的尺 寸來(lái)制造器件和電路，并使之具有更高的密度、更多的元器件數(shù)量和更高的可靠 性；器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新使電路的性能更好，實(shí)現(xiàn)更佳的能耗控制和更高的可 靠性。無(wú)論是縮小尺寸還是構(gòu)造創(chuàng)新，均需要以光刻機(jī)為核心的半導(dǎo)體設(shè)備支持； 作為芯片制造的工業(yè)母機(jī)，光刻機(jī)等設(shè)備歷經(jīng)了數(shù)次重大升級(jí)革新。

光刻、刻蝕、薄膜沉積，同為集成電路制造的三大工藝；其他的步驟則包括清洗、 熱處理、離子注入、化學(xué)機(jī)械拋光、量測(cè)等。 光刻是將設(shè)計(jì)好的圖形從掩模版或倍縮掩模版，轉(zhuǎn)印到晶圓表面的光刻膠上所使 用的技術(shù)。光刻技術(shù)最先應(yīng)用于印刷工業(yè),并長(zhǎng)期用于制造印刷電路板。半導(dǎo)體產(chǎn) 業(yè)在 1950 年代開(kāi)始采用光刻技術(shù)制造晶體管和集成電路。集成電路制造都是利用 刻蝕、沉積、離子注入將描繪在光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面，故晶圓表面的 光刻膠圖案是最基礎(chǔ)的電路圖案。描繪在晶圓上的最基本電路結(jié)構(gòu)由光刻產(chǎn)生,因 此光刻是集成電路生產(chǎn)中最重要的技術(shù)。

完整的光刻工藝包括多個(gè)細(xì)分步驟：1.氣相成底膜和增粘：對(duì)原始硅片清洗、脫 水，并涂抹增粘劑。2.旋轉(zhuǎn)涂膠：對(duì)晶圓表面做光刻膠涂覆，實(shí)現(xiàn)指定的厚度和 均勻性，并把邊緣和背面多余的光刻膠清洗掉。3.軟烘：去除光刻膠中的溶劑。 4.對(duì)準(zhǔn)和曝光：將掩膜版和晶圓精確對(duì)準(zhǔn)后進(jìn)行曝光。5.曝光后烘焙：通過(guò)一定 溫度激發(fā)曝光產(chǎn)生的酸，使部分光刻膠溶于顯影液并提高顯影的分辨率。6.顯影： 噴涂顯影液，溶解光刻膠上被光照射過(guò)的區(qū)域，形成電路圖形。7.堅(jiān)膜烘焙：熱 烘進(jìn)一步去除殘留的光刻膠溶劑，并提高光刻膠的粘性。8.顯影檢查：檢測(cè)顯影 后的電路圖案，如果不符合要求需重新進(jìn)行光刻步驟。 現(xiàn)代集成電路一般由多層結(jié)構(gòu)組成，在芯片的生產(chǎn)中，需多次重復(fù)光刻、刻蝕、 沉積等步驟，層層成形并最終形成完整的集成電路結(jié)構(gòu)。

光刻機(jī)是光刻步驟的核心設(shè)備，也是技術(shù)難度和單價(jià)最高的半導(dǎo)體設(shè)備。荷蘭 ASML 公司的光刻機(jī)供應(yīng)鏈包括全球各地 5000 家供應(yīng)商，應(yīng)用到了光學(xué)、電磁學(xué)、 材料學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域最尖端的研究成果。同時(shí)，光刻機(jī)集成了精密自 動(dòng)化機(jī)械、高性能仿真軟件、高靈敏度傳感器、圖像識(shí)別算法等多個(gè)子模塊， 光刻技術(shù)是集成電路制造的核心。從原始的硅片起到鍵合墊片的刻蝕和去光刻膠 為止, 即使最簡(jiǎn)單的 MOS IC 芯片都需要 5 道光刻工藝, 先進(jìn)的集成電路芯片可 能需要 30 道光刻工藝步驟。集成電路制造非常耗時(shí), 即使一天 24 小時(shí)無(wú)間斷地 工作, 都需要 6 ~ 8 周時(shí)間完成芯片，光刻工藝技術(shù)就耗費(fèi)了整個(gè)晶圓制造時(shí)間的 40% ~50%。

此外在光刻工藝中，涂膠顯影設(shè)備、量測(cè)設(shè)備、光刻計(jì)算軟件系統(tǒng)與光刻機(jī)配套 運(yùn)行。 涂膠顯影設(shè)備具備增粘處理、光刻膠（也包括抗反射層和抗水涂層）涂布、烘烤、 顯影液噴涂、晶圓背面清洗和去邊、浸沒(méi)式光刻工藝中晶圓表面去離子水沖洗（水 漬消除）等功能。涂膠顯影設(shè)備的工作性能和工藝質(zhì)量，直接影響到光刻的良率。

量測(cè)設(shè)備對(duì)光刻后電路圖形的套刻誤差（若干次光刻之間）、關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測(cè)量， 并掃描識(shí)別圖案缺陷，監(jiān)控工藝質(zhì)量并，將信息反饋給光刻計(jì)算系統(tǒng)以改善工藝。 光刻計(jì)算系統(tǒng)是光刻步驟的神經(jīng)控制中樞：它能夠依據(jù)給定的部分參數(shù)，對(duì)光刻 的工藝流程、材料、環(huán)境進(jìn)行高精度仿真，預(yù)測(cè)光刻的結(jié)果，節(jié)省大量試錯(cuò)的成本。同時(shí)，光刻計(jì)算系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)量測(cè)設(shè)備反饋的測(cè)量參數(shù)，調(diào)整光刻設(shè)備的光 照、聚焦、掩膜系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)置參數(shù)。

除了各類(lèi)設(shè)備之外，光刻工藝中所使用到的光刻膠、掩膜版、電子特氣等也具有 較高的技術(shù)壁壘。 光刻膠（Photoresist）是指通過(guò)紫外光、電子束、離子束、X 射線(xiàn)等照射，其溶解 度發(fā)生變化的耐蝕劑刻薄膜材料。由感光樹(shù)脂、增感劑和溶劑 3 種主要成分組成 的對(duì)光敏感的混合液體。曝光后的光刻膠經(jīng)過(guò)顯影液處理后，會(huì)留下所需要的電 路圖案。 光刻掩膜版（光罩 Mask Reticle），是光刻工藝所使用的圖形母版。由不透明的 遮光薄膜在透明基板上形成掩膜圖形結(jié)構(gòu)，通過(guò)曝光過(guò)程將掩膜版上圖形信息轉(zhuǎn) 移到光刻膠圖形上。 光刻用電子特氣主要包括 Ar/Ne/Xe、Kr/Ne、F2/Kr/Ne、F2/Ar/Ne。光刻氣中的惰 性氣體和鹵素氣體在受到電子束激發(fā)后所形成的準(zhǔn)分子發(fā)生電子躍遷后可產(chǎn)生特 定波長(zhǎng)的光，即可產(chǎn)生準(zhǔn)分子激光。

1.2 光刻圖譜：多種路線(xiàn)并存，掃描式光刻為主流

半導(dǎo)體生產(chǎn)中，光刻技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段。接觸/接近式光刻、光學(xué)投影光 刻、分步（重復(fù)）投影光刻出現(xiàn)時(shí)間較早。集成電路生產(chǎn)主要采用掃描式光刻、 浸沒(méi)式掃描光刻、極紫外光刻的工藝。此外，X 射線(xiàn)/電子束光刻、納米壓印、激 光直寫(xiě)技術(shù)可能是未來(lái)的技術(shù)突破方向。

1.2.1 接觸/接近式光刻機(jī)（Aligner）：光刻設(shè)備鼻祖

1961 年美國(guó) GCA 公司制造出了第一臺(tái)接觸式光刻機(jī)，掩模蓋與光刻膠圖層直接 接觸，光線(xiàn)透過(guò)掩膜進(jìn)行曝光時(shí)可以避免衍射。接觸式光刻機(jī)的工作方式，對(duì)光 刻膠和掩模版都存在損壞和污染，生產(chǎn)良率低，掩模版壽命短。為解決上述問(wèn)題， 產(chǎn)生了接近式光刻機(jī)，掩膜和表面光刻膠之間存在微小空隙。這些新設(shè)計(jì)提高了 良率和使用壽命，但是光在微小間隙中的衍射現(xiàn)象，使得最高分辨率只有 3 微米 左右。這一時(shí)期的光刻機(jī)廠商有 Siemens、GCA、Kasper Instruments 和 Kulick＆ Soffa 等，典型的芯片產(chǎn)品有英特爾 4004/3101。接近/接觸式光刻廠家，目前還有 德國(guó)蘇斯和奧地利 EVG,其設(shè)備主要服務(wù)于 MEMS、先進(jìn)封裝、三維封裝、化合 物半導(dǎo)體、功率器件、太陽(yáng)能領(lǐng)域。

1.2.2 掃描投影/重復(fù)步進(jìn)光刻機(jī)（Stepper）：仍滿(mǎn)足大線(xiàn)寬工藝

Perkin Elmer 在 1973 年推出了 Micralign100，世界首臺(tái)投影式光刻機(jī)，采用汞燈 光源，孔徑數(shù)值 0.17，分辨率 2 微米。工作過(guò)程中，掃描臺(tái)承載硅片與掩膜版同 步移動(dòng)，汞燈發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)狹縫后成為均勻的照明光，透過(guò)掩膜將圖案投影在 光刻膠上。其對(duì)稱(chēng)的光路設(shè)計(jì)可以消除球面鏡產(chǎn)生的大部分像差， Micralign 讓芯 片生產(chǎn)的良率，從 10%提升到了 70%。

為了滿(mǎn)足更高的進(jìn)度要求，1978 年,美國(guó) GCA 公司推出了首臺(tái)步進(jìn)重復(fù)投影光刻 機(jī)。 步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)不需要實(shí)現(xiàn)掩模和圓片同步反向掃描，在結(jié)構(gòu)上不需要掃描掩模 臺(tái)和同步掃描控制系統(tǒng)，因而結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，性能更加穩(wěn)定。同 時(shí)，由于其采用縮小倍率的物鏡（4:1 或 5:1 或 10：1），降低了掩膜版的制作難度， 能夠滿(mǎn)足 0.25 微米以上線(xiàn)寬制程的工藝要求。目前，步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)仍然廣泛應(yīng) 用在非關(guān)鍵層、封裝等領(lǐng)域，采用 g 線(xiàn)或 i 線(xiàn)光源，少數(shù)高端設(shè)備采用 KrF 光源。

上海微電子裝備公司于 2009 年開(kāi)發(fā) SSB500 系列步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)，2015 年在封裝 領(lǐng)域市占率已達(dá) 40%。

1.2.3 步進(jìn)掃描光刻機(jī)（Scanner）：主流光刻設(shè)備通用

集成電路工藝制程達(dá)到 0.25 微米后，步進(jìn)掃描式光刻機(jī)的掃描曝光視場(chǎng)尺寸與曝 光均勻性更具優(yōu)勢(shì)，逐步成為主流光刻設(shè)備。其利用 26mm x 8mm 的狹縫，采用 動(dòng)態(tài)掃描的方式（掩膜版與晶圓片同步運(yùn)動(dòng)），已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn) 26mm x 33mm 的曝 光場(chǎng)。當(dāng)前曝光場(chǎng)掃描完畢后，轉(zhuǎn)移至下一曝光場(chǎng)，直至整個(gè)晶圓片曝光完畢。

通過(guò)配置不同類(lèi)型的光源（I 線(xiàn)、KrF、ArF，EUV），步進(jìn)掃描光刻機(jī)可以支持所 有集成電路工藝節(jié)點(diǎn)；但為滿(mǎn)足高端工藝節(jié)點(diǎn)的性能要求，每一代步進(jìn)掃描光刻 機(jī)都?xì)v經(jīng)了重大技術(shù)升級(jí)。例如：步進(jìn)掃描式光刻機(jī) 26mm x 8mm 的靜態(tài)曝光場(chǎng) 相對(duì)較小，降低了物鏡系統(tǒng)制造的難度；但其工件臺(tái)與掩膜臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)掃 描方式，提升了對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求。對(duì)此，荷蘭 ASML 公司于 2001 年首次推 出了雙工件臺(tái)，滿(mǎn)足先進(jìn)工藝的的速度、精度、穩(wěn)定性要求。

1.3 各項(xiàng)革新推向光刻性能巔峰

自 1990 年美國(guó) SVGL 公司推出 Micrascan I 步進(jìn)掃描光刻機(jī)以來(lái)，全球主流光刻 機(jī)廠商均采用步進(jìn)掃描光刻原理。這其中，DUV 步進(jìn)掃描光刻機(jī)包攬 7 納米及之 前的全部工藝制程。在 1990 到之后的這近 30 年時(shí)間里，集成電路制造工藝水平 已經(jīng)發(fā)生翻天覆地的變化。而為了滿(mǎn)足先進(jìn)制程的各項(xiàng)要求，光刻機(jī)除了之前提 到的雙工件臺(tái)外，還采用了多項(xiàng)其他重大革新。

更高端的工藝制程的集成電路，具有更小的線(xiàn)寬，這就需要光刻機(jī)具有更高的曝 光分辨率。此時(shí)就需提到?jīng)Q定光刻分辨率的公式 R=K1?λ/Na。其中，K1 為工藝 因子常數(shù)，與照明方式、掩膜類(lèi)型、光刻膠顯影性能等參數(shù)相關(guān); λ為光源波長(zhǎng)； Na 為物鏡的孔徑數(shù)值。光刻機(jī)不斷提高物鏡的孔徑數(shù)值，并采用波長(zhǎng)更短的光源 來(lái)提高分辨率水平。

SVGL 公司于 1993 年推出的 Micrascan II 型光刻機(jī)，采用 250nm 汞燈光源，分辨 率為 350nm,孔徑數(shù)值為 1.35。1995 年，日本尼康推出全球首臺(tái)采用 248nm 的 KrF 光源的光刻機(jī)，分辨率達(dá)到 250nm；并于 1999 年推出首臺(tái)采用 193nm 的干式 ArF 光源的光刻機(jī) NSR-S302A，分辨率小于 180 納米。在此之后，光源波長(zhǎng)一直停滯 在 193nm 水平，提升分辨率主要依賴(lài)改良物鏡，提升孔徑數(shù)值。 針對(duì)如何進(jìn)一步提升分辨率的問(wèn)題上，各廠家產(chǎn)生技術(shù)爭(zhēng)議。日本企業(yè)計(jì)劃采用 157nm 的 F2 光源；荷蘭 ASML 決定采用臺(tái)積電研發(fā)副總監(jiān)林本堅(jiān)提出的，在物 鏡鏡頭和晶圓之間增加去離子水增大折射率的設(shè)想。ASML 于 2004 年推出首臺(tái)浸 沒(méi)式光刻機(jī)（ArFi）TWINSCAN AT 1150i，獲得客戶(hù)迅速認(rèn)可，市場(chǎng)份額得以快 速攀升。

采用浸沒(méi)式系統(tǒng)的光刻機(jī)，其入射到晶圓表面的光線(xiàn)等效為 134nm 的波長(zhǎng)，疊加 物鏡的不斷改進(jìn)（孔徑數(shù)值 NA 最高可達(dá) 1.35），整機(jī)的半周期分辨率（half-pitch） 提升到了小于 38 納米的級(jí)別，可滿(mǎn)足 28 納米工藝需求。但當(dāng)制程等級(jí)達(dá)到 22 納 米級(jí)別時(shí)，光刻機(jī)的分辨率也已力不從心，各大晶圓廠分分引入了多重膜版工藝。

多重掩膜版工藝有多個(gè)細(xì)分類(lèi)，其中雙重曝光（DE）在 28 納米節(jié)點(diǎn)首先啟用，用 于改善圖形質(zhì)量。此外，曝光-固化-曝光-刻蝕（LFLE）、雙重光刻（LELE）、三重 光刻（LELELE），自對(duì)準(zhǔn)多重圖形（SAMP）技術(shù)陸續(xù)在 14/16nm-7nm 工藝節(jié)點(diǎn) 發(fā)揮了重要作用。多重掩膜版工藝的發(fā)展，對(duì)光刻設(shè)備提出了更高的要求。

首先，為保證兩次光刻之間的精準(zhǔn)對(duì)齊（否則會(huì)產(chǎn)生電路錯(cuò)位或高度均勻性偏差）， 光刻機(jī)需要嚴(yán)格控制套刻誤差；為此光刻機(jī)升級(jí)采用更精確的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系 統(tǒng)，也配備了更高等級(jí)的套刻誤差測(cè)量設(shè)備。 其次因?yàn)椴捎秒p重光刻（LELE）等使每次曝光的圖案間距增大一倍，但是對(duì)圖案 本身線(xiàn)寬的要求并沒(méi)有降低。對(duì)此，光刻機(jī)需要更好的圖案質(zhì)量和穩(wěn)定性，更小 的光學(xué)畸變。

針對(duì) 5 納米及以下的制程節(jié)點(diǎn)，分辨率更高極紫外光刻機(jī)（EUV）成為必需設(shè)備。 因?yàn)楫?dāng)工藝節(jié)點(diǎn)達(dá)到 7 納米等級(jí)后，自對(duì)準(zhǔn)四重圖形（SAQP）等成為光刻工藝的 主流方案，也產(chǎn)生了相關(guān)技術(shù)難題。首先，自對(duì)準(zhǔn)四重圖形和三重光刻包含大量 配套的刻蝕、薄膜沉積、去膠和膜層剝離等步驟，工藝復(fù)雜程度急劇提升，保持 良率難度大。其次多重曝光所采用的 193nm 光源本身的分辨率極限，其成像能力 不滿(mǎn)足 5 納米或更高等級(jí)制程需求。EUV 光刻機(jī)也可降低 10-7 納米等級(jí)芯片生產(chǎn) 的復(fù)雜程度。

與 DUV 使用的準(zhǔn)分子激光光源不同，EUV 光刻采用 13.5nm 波長(zhǎng)的離子體光源。 這種光源是通過(guò)二氧化碳激光器轟擊霧化的錫（Sn）金屬液滴，將它們蒸發(fā)成等 離子體，通過(guò)高價(jià)錫離子能級(jí)間的躍遷獲得的。 由于 EUV 光線(xiàn)波長(zhǎng)短很容易被空氣吸收，所以工作環(huán)境需要被抽成真空，也無(wú)法 被玻璃透鏡折射。硅與鉬鍍膜的布拉格反射器（Bragg reflector，一種多層鏡面， 可以將很多小的反射集中成一個(gè)更強(qiáng)的反射）取代了原有的物鏡。德國(guó)光學(xué)公司 蔡司（Zeiss）生產(chǎn)世界上最平坦的鏡面，使得 EUV 光線(xiàn)經(jīng)過(guò)多次反射后能夠精準(zhǔn) 的投射到晶圓上。目前 ASML 最先進(jìn)的 EUV 設(shè)備為 NXE 3600D，分辨率達(dá)到 13 納米，適用于 3-5 納米芯片制程，未來(lái)計(jì)劃通過(guò)進(jìn)一步提升孔徑數(shù)值來(lái)提高分辨 率水平。

1.4 電子束、納米壓?。簼撛诘牧肀脔鑿?/strong>

電子束/激光直寫(xiě)技術(shù)使用帶電粒子/激光直接轟擊對(duì)象表面，在目標(biāo)基片上一次形成納米圖案構(gòu)造，無(wú)需制備價(jià)格昂貴的掩膜版，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較短。這其中激光 直寫(xiě)光刻已經(jīng)運(yùn)用到了 PCB 制造中。電子束光刻具有極高的分辨率（10 納米等 級(jí)）和曝光精度，有望成為 EUV 光刻之外的另一種選擇。目前電子束光刻的技術(shù) 局限是工作效率較低，無(wú)法運(yùn)用在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中；后續(xù)的多電子束光刻 有望在未來(lái)解決這一問(wèn)題。 納米壓印采用電子束等技術(shù)將電路圖案刻制在掩膜上，然后通過(guò)掩膜使得對(duì)象上 的聚合物變形，再采用某種方式使得聚合物固化，進(jìn)而完成圖案的轉(zhuǎn)移。納米壓 印具備分辨率高，成本低的特點(diǎn)；但其同時(shí)存在刻套誤差大，缺陷率高，掩膜版 易被污染的技術(shù)問(wèn)題。

2 光刻機(jī)：多種先進(jìn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)組合

2.1 光刻機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

光刻機(jī)是最復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品之一，其本體由照明、投影物鏡、工件臺(tái)、掩模臺(tái)、 對(duì)準(zhǔn)與測(cè)量、掩模傳輸、晶圓傳輸?shù)戎饕到y(tǒng)組成。此外，還有環(huán)境與電氣系統(tǒng)、 光刻計(jì)算（OPC）與掩膜優(yōu)化（SMO）軟件、顯影涂膠設(shè)備提供支持。主要性能 指標(biāo)有分辨率、套刻精度和產(chǎn)率。 隨著集成電路的發(fā)展，光刻機(jī)各個(gè)系統(tǒng)不斷優(yōu)化升級(jí)，雙工件臺(tái)技術(shù)與浸液技術(shù) 相繼被采用，采用全反射式光學(xué)系統(tǒng)的極紫外光刻機(jī)已經(jīng)用于量產(chǎn)。為了滿(mǎn)足不 斷提升的性能指標(biāo)要求，光刻機(jī)的各個(gè)組成系統(tǒng)不斷突破光學(xué)、精密機(jī)械、材料 等領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)高精尖技術(shù)的融合。

2.2 光源系統(tǒng)：光刻機(jī)的能量源泉

i 線(xiàn)（365nm 波長(zhǎng)）及以上波長(zhǎng)光刻機(jī)使用的光源是高壓汞燈。高壓汞燈能提供 254～579nm波長(zhǎng)的光。使用濾波器可以選擇性的使用 i 線(xiàn)（365nm）、H 線(xiàn)（405nm） 或 G 線(xiàn)（436nm）為光刻機(jī)提供照明光源。

KrF 和 ArF/ArFi 光刻機(jī)使用準(zhǔn)分子激光器作為光源，其工作的原理是：惰性氣 體（Kr，Ar）在電場(chǎng)和高壓環(huán)境下與鹵族元素氣體（F2，Cl2）反應(yīng)生成不穩(wěn)定的 準(zhǔn)分子。激發(fā)態(tài)的準(zhǔn)分子又不斷分解，并釋放深紫外（DUV）的光子。KrF 與 ArF 準(zhǔn)分子分別釋放 248nm、193nm 波長(zhǎng)的光子。準(zhǔn)分子激光是脈沖式的，其關(guān)鍵的 技術(shù)參數(shù)有脈沖的頻率、輸出功率、持續(xù)時(shí)間、穩(wěn)定性等。 光源更高輸出功率，意味著曝光時(shí)間縮短和光刻機(jī)產(chǎn)能提高。美國(guó) Cymer 和日本 GIGAPHOTON 的最新型光源，輸出功率已達(dá)到 120W，脈沖的頻率是 6000Hz， 脈沖持的續(xù)的時(shí)間在 100～150ns。

降低光源系統(tǒng)的能耗和激光腔更換成本，也是降低光刻成本的主要方式。DUV 光 源主要通過(guò)三種方法來(lái)降低功耗、延長(zhǎng)激光腔使用壽命。 第一是改善腔體內(nèi)部件的絕緣度。氣體在腔體內(nèi)電極之間的流動(dòng)是由風(fēng)扇（CFF） 驅(qū)動(dòng)的,通過(guò)改善腔體內(nèi)部件的絕緣度可以降低功耗 19％。 第二個(gè)是增強(qiáng)氣體的預(yù)電離（pre-ionization）。電極之間的間距大約有 10mm 左右， 如果不對(duì)氣體作預(yù)電離，很難在電極之間形成穩(wěn)定的放電，也會(huì)增加電極的損耗。 第三個(gè)是電極表面特殊處理。電極的損耗限制了激光腔使用壽命，損耗程度與產(chǎn) 生的激光脈沖次數(shù)（laser pulse）成正比。在放電時(shí)，氣體中的 F 會(huì)不斷腐蝕金屬 制成的電極。經(jīng)過(guò)特殊表面處理后的電極的抗腐蝕和抗離子濺射能力大大提高， 可以使激光腔的使用壽命增大到 600 億次脈沖以上。

隨著光刻技術(shù)對(duì)光源輸出功率和頻寬要求的不斷提高，單激光腔結(jié)構(gòu)的光源不能 滿(mǎn)足高功率和精準(zhǔn)頻寬同時(shí)輸出。雙腔結(jié)構(gòu)的主振蕩-放大技術(shù)被引入，其基本思 想是利用主振蕩腔產(chǎn)生小能量的窄頻寬種子光，注入放大腔輸出大能量脈沖，從 而得到窄頻寬、大功率的優(yōu)質(zhì)激光輸出。

激光光源在工作時(shí)，其內(nèi)置的測(cè)量模塊會(huì)測(cè)量各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，記錄在系統(tǒng)中并傳 輸?shù)焦饪虣C(jī)和晶圓廠內(nèi)部的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。這些狀態(tài)參數(shù)包括：輸出能量、波長(zhǎng)、 頻寬、束斑的形狀、束斑的位置和發(fā)散度等。有些數(shù)據(jù)有助于工藝工程師監(jiān)測(cè)光 刻工藝的穩(wěn)定性，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)各類(lèi)異常。

EUV 光源是目前最先進(jìn)的光源。EUV 光刻機(jī)采用的是 CO2 激發(fā)的 LPP 光源，主 要由主脈沖激光器、預(yù)脈沖激光器、光束傳輸系統(tǒng)、錫液滴靶、錫回收器、收集 鏡等構(gòu)成。 EUV 光源的主要工作方式為：在真空腔體中，將高溫熔融并加電磁場(chǎng)使其處于等 離子體狀態(tài)的錫從噴槍中等間隔噴出，每個(gè)錫滴的大小保持在 7.5-13 微米左右。 當(dāng)錫滴經(jīng)過(guò)中心區(qū)域時(shí)，安裝在腔壁上的高分辨率相機(jī)捕捉到錫滴，反饋給計(jì)算 機(jī)。計(jì)算機(jī)綜合定位控制、激光光束軸、定時(shí)控制器等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，控制激光槍 連續(xù)發(fā)射兩個(gè)脈沖擊中該錫滴體。 第一個(gè)激光脈沖可使錫滴壓扁為餅狀，第二個(gè)脈沖緊隨其后再次擊中該錫滴，兩 次高能激光脈沖可將該錫滴瞬間加熱至 50000K，從而使錫原子躍升至高能態(tài)，并 回歸至基態(tài)釋放出 13.5nm 的紫外光,經(jīng)收集鏡導(dǎo)入到曝光系統(tǒng)當(dāng)中。

超導(dǎo)磁場(chǎng)系統(tǒng)位于 EUV 腔外部，并能在 EUV 腔內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度的磁場(chǎng)，從而保護(hù) 收集器鏡面不受錫等離子體產(chǎn)生的高速錫離子的影響。EUV 光源的輸出功率是重 要性能指標(biāo)。目前最先進(jìn)的 NXE 3400C 型光刻機(jī)，輸出功率已達(dá)到 250w,未來(lái)有 可能升級(jí)到 300w。下一代 High-NA 光刻機(jī)計(jì)劃將功率提升到 500w。

2.3 照明與物鏡投影系統(tǒng)：精準(zhǔn)成像

照明與投影物鏡系統(tǒng)的精確性與穩(wěn)定性，對(duì)于將掩膜版上的圖案準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移到晶圓 上，起到?jīng)Q定性的作用，是光刻機(jī)的核心組件?，F(xiàn)今主流光刻機(jī)的照明與投影物 鏡系統(tǒng)，都內(nèi)置有光學(xué)調(diào)整功能組件，能夠依據(jù)掩膜版的圖案結(jié)合光刻優(yōu)化算法， 采取最佳的曝光優(yōu)化方案。光刻機(jī)整體通過(guò)照明系統(tǒng)、掩膜版、投影物鏡、光刻 計(jì)算的互相配合，實(shí)現(xiàn)最佳光刻方案。

照明系統(tǒng)位于光源和掩模臺(tái)之間，其功能是調(diào)節(jié)照明光場(chǎng)的空間和角譜分布，為 掩膜版提供曝光最合適的照明光場(chǎng)（不同掩膜版圖案適用不同的照明光場(chǎng)）。主要 功能包括：均勻照明、變化不同的照明方式、控制晶圓的曝光劑量。 晶圓表面一格點(diǎn)的曝光劑量是照明光場(chǎng)在掃描方向上的能量積分（累計(jì)值），其分 布直接影響分辨率均勻性，所以照明均勻性成為關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。 照明系統(tǒng)的能量監(jiān)測(cè)單元，可測(cè)量準(zhǔn)分子激光器發(fā)出的單個(gè)脈沖能量，并調(diào)整激 光器的單脈沖能量，使累積的能量達(dá)到預(yù)定的曝光劑量?？勺兺高^(guò)率單元，根據(jù) 曝光劑量及均勻性的要求改變光的透過(guò)率，調(diào)整照明光的光強(qiáng)。

早期光刻機(jī)使用衍射光學(xué)元件（DOE）來(lái)調(diào)節(jié)照明方式（光瞳形狀）。激光光源發(fā) 出的光，通過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)變成平行光后，投射到衍射光學(xué)元件上，再被折射到指定 位置，從而形成特定的照明方式。2010 年左右生產(chǎn)了光源掩模協(xié)同優(yōu)化（SMO） 技術(shù)，可對(duì)照明光場(chǎng)像素化編程，能快速生成任意照明模式。 SMO 系統(tǒng)的核心是一個(gè)可編程微反射鏡陣列，微反射鏡陣列中有數(shù)千個(gè)微反射鏡， 每個(gè)微反射鏡都可以在照明系統(tǒng)光瞳面上產(chǎn)生一個(gè)光點(diǎn)。SMO 系統(tǒng)可控制各個(gè)微 反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度，調(diào)節(jié)每個(gè)微反射鏡的指向，從而得到目標(biāo)光源。掩膜版圖形 也會(huì)根據(jù) SMO、光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）等光刻計(jì)算軟件的模擬仿真結(jié)果進(jìn)行 調(diào)整。

光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）系統(tǒng)通常與 SMO 系統(tǒng)組合運(yùn)行。從 180 納米制程節(jié) 點(diǎn)開(kāi)始，集成電路中的最小線(xiàn)寬已經(jīng)小于光源波長(zhǎng)。曝光時(shí)相鄰圖形光線(xiàn)的干涉 和衍射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致圖像畸變，使得晶圓上的圖形和掩模上的圖形差別較大，（線(xiàn)條 寬度會(huì)變窄、窄線(xiàn)條端點(diǎn)會(huì)收縮、圖形拐角處變圓滑）。OPC 系統(tǒng)依據(jù)光照條件和 電路圖案，對(duì)掩模上的圖形做適當(dāng)修改可以補(bǔ)償這種效應(yīng)。

位于掩膜版和晶圓之間的投影物鏡系統(tǒng)，也可以通過(guò)計(jì)算光刻系統(tǒng)與 SMO、OPC 技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)照明、掩膜、投影物鏡的協(xié)同優(yōu)化，提高光刻機(jī)的成像質(zhì)量。 投影物鏡將掩膜版圖形，按照一定的縮放比例（通常是 4:1）投射到硅片面。由于 掩模圖形的線(xiàn)寬是硅片上的 4 倍，降低了掩模制造難度、減小了掩模缺陷對(duì)光刻 的影響。但由于光源的波長(zhǎng)不斷減小，導(dǎo)致投影物鏡的可用材料種類(lèi)越來(lái)越少。 大部分光學(xué)材料在深紫外（DUV）波段透過(guò)率都很低，可用材料只有熔融石英與 氟化鈣，世界上只有少數(shù)幾家材料供應(yīng)商能夠提供。

即使是采用最高等級(jí)材料制作的透鏡，也不可避免地存在像差。物鏡鏡片長(zhǎng)時(shí)間 曝光后的熱效應(yīng)、鏡片的老化變形、光學(xué)元件缺陷、及透鏡技術(shù)的自身光學(xué)局限 都會(huì)導(dǎo)致像差。其中，對(duì)像差形成影響最大的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)透鏡后的波前畸變，波前 畸變可用澤尼克多項(xiàng)式描述。光刻機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要考慮 64 階的尼克多項(xiàng) 式系數(shù)影響。 先進(jìn)集成電路光刻工藝對(duì)像差的要求非常嚴(yán)格。高端光刻機(jī)（浸沒(méi)式/EUV）的像 差與畸變已經(jīng)降低到 1 納米以下水平。為有效控制圖像畸變，光刻機(jī)的投影物鏡 系統(tǒng)會(huì)在工作過(guò)程中，實(shí)時(shí)調(diào)整自身的光學(xué)元件。

投影物鏡系統(tǒng)的光學(xué)元件調(diào)整機(jī)制，與 OPC、SMO 等光刻計(jì)算系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)作。 主要的運(yùn)作方式為：在光瞳附近增加可局部加熱的光學(xué)元件，通過(guò)控制該元件局 部溫度的變化改變材料折射率，實(shí)現(xiàn)高階波像差的補(bǔ)償；或是在投影物鏡光路中 增加變形鏡，通過(guò)控制變形鏡的形變改變光程，實(shí)現(xiàn)高階波像差的補(bǔ)償。

EUV 光源發(fā)出的波長(zhǎng)為 13.5 納米的極紫外光，被幾乎所有光學(xué)材料強(qiáng)吸收，故 EUV 光刻機(jī)的照明系統(tǒng)的投影物鏡系統(tǒng)只能采用全反射式結(jié)構(gòu)。EUV 的反射鏡 對(duì)加工精度的要求極高，其表面鍍有鉬/硅多層膜及一層 2-3nm 的釕保護(hù)膜。釕膜 可以有效延緩鉬/硅的氧化，降低碳在表面沉積的速率。

2.4 工件臺(tái)系統(tǒng)：光刻產(chǎn)能與精確對(duì)準(zhǔn)的關(guān)鍵

雙工件臺(tái)系統(tǒng)于 2000 年被荷蘭 ASML 公司發(fā)明推出，被稱(chēng)為 TWINSCAN 系統(tǒng)。 在雙工件臺(tái)系統(tǒng)中，兩個(gè)工件臺(tái)相對(duì)獨(dú)立但同時(shí)運(yùn)作；一個(gè)工件臺(tái)承載晶圓做曝 光時(shí)，另一個(gè)工件臺(tái)對(duì)晶圓做對(duì)準(zhǔn)測(cè)量等準(zhǔn)備工作。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)工件臺(tái)的曝光步驟 完成后，兩個(gè)工件臺(tái)交換位置和功能。

雙工件臺(tái)的工作過(guò)程中，晶圓在測(cè)量工件臺(tái)上完成晶圓片裝載、三維形貌測(cè)量后， 兩個(gè)工件臺(tái)通過(guò)位置交換進(jìn)入曝光位置，再與掩模對(duì)準(zhǔn)后，完成掃描曝光。 老式的光刻機(jī)中只有一個(gè)工件臺(tái)，晶圓的上下片、測(cè)量、對(duì)準(zhǔn)、曝光依次進(jìn)行； 而在雙工件臺(tái)光刻機(jī)中，大部分測(cè)量、校正工作可以在非曝光工件臺(tái)上進(jìn)行，曝 光位置的利用效率大幅提高。雙工件臺(tái)的發(fā)明使得光刻機(jī)的產(chǎn)能有了大幅度的提 高。傳統(tǒng)的單工件臺(tái)光刻機(jī)很難實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)能超過(guò) 100WPH，而基于雙工件臺(tái)的 ASML 浸沒(méi)式光刻機(jī)的產(chǎn)能已經(jīng)能超過(guò) 200WPH，部分新型光刻機(jī)產(chǎn)能已經(jīng)接近 300WPH。

雙工件臺(tái)設(shè)計(jì)有效提高了產(chǎn)能，也為光刻過(guò)程中的測(cè)量步驟預(yù)留出了更多的時(shí)間。 掩模臺(tái)與工件臺(tái)需高精度同步運(yùn)動(dòng)，否則會(huì)導(dǎo)致成像位置偏移，降低分辨率和套 刻精度。此外，高端光刻機(jī)廣泛運(yùn)用在多重曝光工藝中，這些工藝對(duì)晶圓、工件 臺(tái)、掩膜版之間對(duì)準(zhǔn)精度要求極高。

晶圓和掩膜版上設(shè)計(jì)有特殊對(duì)準(zhǔn)圖形，兩者位于一定范圍內(nèi)，光刻機(jī)的光學(xué)系統(tǒng) 對(duì)準(zhǔn)才能捕捉到；這要求工件臺(tái)與掩膜臺(tái)具備預(yù)對(duì)準(zhǔn)功能。工件臺(tái)和晶圓有對(duì)準(zhǔn) 標(biāo)記，ATHENA 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，能依據(jù)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記確其位置；此外工件臺(tái)上設(shè)置有 TIS傳感器，TIS 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)將掩膜上的 TIS 標(biāo)記投射到工件臺(tái) TIS 傳感器上，進(jìn)而計(jì)算 出掩膜圖形與晶圓的相對(duì)位置。 TIS 與 ATHENA 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)主要依賴(lài)光學(xué)原理進(jìn)行，更先進(jìn)的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)采用更多波 段的光源，進(jìn)一步提高對(duì)準(zhǔn)精度。

硅片曝光過(guò)程中，工件臺(tái)需要反復(fù)進(jìn)行步進(jìn)、加速、掃描、減速等運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)高 產(chǎn)率要求工件臺(tái)具有很高的步進(jìn)速度、很高的加速度與掃描速度。目前高端 ArF 光刻機(jī)套刻精度已達(dá)到 1.4nm。為實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)，工件臺(tái)的定位精度已達(dá)到亞納 米量級(jí)，速度達(dá)到 1m/s，加速度達(dá)到 30m/s 或更高。此外，工件臺(tái)/掩模臺(tái)在高速 工件臺(tái)的這些指標(biāo)，對(duì)超精密機(jī)械技術(shù)提出了很高的要求。

光刻機(jī)的物鏡存在聚焦深度，聚焦深度外的光刻膠無(wú)法有效曝光。因此，對(duì)掩模 圖形進(jìn)行曝光時(shí)，整個(gè)晶圓表面必須處于焦深之內(nèi)。然而晶圓表面并不是完全平 整的，尤其是經(jīng)過(guò)多次刻蝕、沉積之后。因此曝光前，必須對(duì)晶圓面進(jìn)行高精度 的調(diào)焦調(diào)平。首先通過(guò)調(diào)焦調(diào)平傳感器，確定最佳的焦面距離和傾斜量，然后通 過(guò)工件臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使晶圓表面待曝光區(qū)域位于焦深范圍之內(nèi)。先進(jìn)的 ArFi 光刻 機(jī)的焦深在 100nm 以下，因此雙工件臺(tái)需要具備納米級(jí)別的調(diào)節(jié)能力。

3 光刻設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模大，國(guó)產(chǎn)亟待零的突破

3.1 芯片制程升級(jí)，光刻設(shè)備成本占比不斷提升

光刻機(jī)是半導(dǎo)體前道制造設(shè)備之首，最大的半導(dǎo)體設(shè)備細(xì)分類(lèi)市場(chǎng)。光刻機(jī)是集 成電路制造的核心設(shè)備，全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)中光刻機(jī)占比超 24%。且隨著半導(dǎo) 體制程升級(jí)晶體管尺寸縮小，圖案轉(zhuǎn)移難度加大，光刻機(jī)的重要性和開(kāi)支占比有 望繼續(xù)提升。

據(jù)觀研天下估算 2021 年全球光刻機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為 181 億美元，預(yù)計(jì) 2022 年將達(dá) 到 201 億美元。與光刻設(shè)備配套的顯影涂膠設(shè)備 2021 年市場(chǎng)規(guī)模超 30 億美元。

光刻機(jī)銷(xiāo)售數(shù)量的高速增長(zhǎng)，與光刻設(shè)備單價(jià)的提升，有力推動(dòng)了全球光刻設(shè)備 市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大。 2020 年起，疫情導(dǎo)致電子產(chǎn)品需求增加，新能源車(chē)滲透率提升等事件的影響，全 球半導(dǎo)體市場(chǎng)步入景氣周期。據(jù) IC Insights 統(tǒng)計(jì)，2020-2022 年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī) 模預(yù)計(jì)將從 4926 億美元增長(zhǎng)到 6548 億美元。在此期間，晶圓廠積極擴(kuò)產(chǎn)，光刻 機(jī)交付周期不斷延長(zhǎng)。為保證設(shè)備交付，各晶圓廠紛紛提前下單訂購(gòu)設(shè)備，進(jìn)一 步推升了光刻機(jī)的銷(xiāo)量。

出貨量不斷增加的同時(shí)，光刻機(jī)單價(jià)也不斷提升。 隨著芯片制程不斷升級(jí)，所需光刻機(jī)種類(lèi)發(fā)生變化；邏輯制程從 5 納米節(jié)點(diǎn)開(kāi)始， 必須使用 EUV 光刻機(jī)，光刻設(shè)備開(kāi)支占比明顯提升；DRAM 芯片從 1A 節(jié)點(diǎn)開(kāi)始 逐步采用 EUV 光刻機(jī)；3D NAND 芯片由于多層疊堆技術(shù)的發(fā)明，仍使用較老式 的光刻機(jī)，光刻設(shè)備開(kāi)支占比有所下降。整體上 ArFi 和 EUV 高端光刻機(jī)占比有 所提升；單臺(tái) EUV 光刻機(jī)售價(jià)超過(guò) 1 億美元，推高了平均售價(jià)。

3.2 ASML 擁有近乎壟斷市場(chǎng)地位

半導(dǎo)體前道光刻機(jī)市場(chǎng)被 ASML、Nikon、Canon 三家公司把持，市場(chǎng)集中度高， TOP3 市場(chǎng)占有率超過(guò) 90%。其中 ASML 由于其技術(shù)領(lǐng)先，壟斷了單臺(tái)價(jià)值量最 高 EUV 光刻機(jī)；ASML 也憑借自身在浸沒(méi)式系統(tǒng)和雙工件臺(tái)的先發(fā)創(chuàng)新，占據(jù)了 ArF 和 KrF 領(lǐng)域的大部分市場(chǎng)。 日本 Nikon 在 ArF 領(lǐng)域有一定的技術(shù)積累，但其工件臺(tái)等設(shè)計(jì)與行業(yè)主流不同， 客戶(hù)接受度較低，近兩年光刻機(jī)銷(xiāo)量持續(xù)下降。佳能已經(jīng)完全退出高端光刻機(jī)市 場(chǎng)，出貨量上升主要原因是 i-ine 光刻機(jī)出貨量大幅增長(zhǎng)。

就出貨機(jī)臺(tái)數(shù)量而言，ASML 占 79.4％，Nikon 與 Canon 分別占據(jù) 10.4％和 10.2％ 的市場(chǎng)份額。日本 Canon 公司 2021 年光刻設(shè)備銷(xiāo)售金額 2137 億日元（19.6 億美元，包括 67 臺(tái)面板光刻設(shè)備）；Nikon 公司銷(xiāo)售光刻設(shè)備 2112 億日元（19.37 億美 元，包括 46 臺(tái)面板光刻設(shè)備）。而 ASML 公司 2021 年銷(xiāo)售金額為 186 億歐元，全 部為前道光刻設(shè)備，相對(duì)兩家日本企業(yè)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)不斷擴(kuò)大。

3.3 ASML 的發(fā)展歷程

ASML 難以撼動(dòng)的行業(yè)地位并非一蹴而就，其最早是 1984 年飛利浦因?yàn)榻?jīng)營(yíng)危機(jī) 放棄非核心業(yè)務(wù)而成立的一家小公司。ASML 于成立當(dāng)年推出第一款產(chǎn)品 PAS 2000 步進(jìn)重復(fù)式光刻機(jī)。1985 年，擁有 100 名員工的 ASML 搬遷到新總部，1986 年推出新款的 PAS 2500 光刻機(jī)，并與德國(guó)的重要供應(yīng)商蔡司（ZEISS）建立了合 作關(guān)系。

1988 年，ASML 通過(guò)飛利浦在中國(guó)臺(tái)灣的合資制造企業(yè)，進(jìn)入亞洲市場(chǎng)，并在美 國(guó)設(shè)立了 5 個(gè)辦事處。但當(dāng)時(shí)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，使得 ASML的財(cái)務(wù)壓力極大， 只能依靠飛利浦的支持繼續(xù)開(kāi)展研發(fā)。 1991 年，ASML 推出 PAS 5500 型光刻機(jī)，其行業(yè)領(lǐng)先的產(chǎn)能和分辨率得到客戶(hù) 認(rèn)可，開(kāi)始逐步實(shí)現(xiàn)盈利，并于 1995 年上市。ASML 此后高速發(fā)展，于 2001 年 推出TWINSCAN雙工作臺(tái)，之后幾年推出了TWINSCAN XT系列浸沒(méi)式光刻機(jī)， 市場(chǎng)份額快速增長(zhǎng)。2010 年 ASML 成功完成第一臺(tái) EUV 光刻機(jī)樣機(jī) NXE 3100， 并成為 EUV 光刻機(jī)的唯一廠商。

ASML 公司的快速發(fā)展，離不開(kāi)與客戶(hù)的緊密協(xié)作。臺(tái)積電（TSMC）早期曾通過(guò) 交叉協(xié)議采用飛利浦的技術(shù)生產(chǎn)芯片，因此也與其子公司 ASML保持著密切協(xié)作； 雙方在浸沒(méi)式光刻的研發(fā)上一拍即合，奠定了 ASML 浸沒(méi)式光刻機(jī)的領(lǐng)先地位。 ASML 在與英特爾的合作中也受益頗豐。ASML 加入了英特爾聯(lián)合政府、企業(yè)建 立了 EUV 技術(shù)聯(lián)盟。英特爾協(xié)調(diào)美國(guó)能源部及其下屬三大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室：勞倫斯利 弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室，為 ASML 推進(jìn) EUV 技術(shù)的研發(fā)開(kāi)放了大量技術(shù)資源，進(jìn)一步擴(kuò)大了對(duì)其他企業(yè)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。 此外，ASML 允許其大客戶(hù)對(duì)其進(jìn)行少數(shù)股權(quán)投資，英特爾、臺(tái)積電、三星投資 總計(jì)約 39 億歐元取得 23%的股份，并提供 EUV 研發(fā)資金 13.8 億歐元，享受 EUV 光刻機(jī)的優(yōu)先供貨權(quán)，成功構(gòu)筑了利益共同體。

ASML 公司也格外重視上游關(guān)鍵供應(yīng)鏈，通過(guò)收購(gòu) Cymer，入股蔡司，獲取了光 源、鏡頭等領(lǐng)先技術(shù)，加速了 EUV 光源和光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程。此外 ASML 也 與 VDL，Aallberts，Trumpf，Prodrive 等公司保持密切合作。

3.4 聚焦成熟制程，光刻設(shè)備國(guó)產(chǎn)化亟待發(fā)力

我國(guó)的光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)起步于 1960 年代，109 廠與上海光學(xué)儀器廠協(xié)作研制成功我國(guó) 第一臺(tái) 65 型接觸式光刻機(jī)。1978 年中科院半導(dǎo)體所開(kāi)始研制 JK-1 型半自動(dòng)接近 式光刻機(jī)，1980 年研制成功。1981 年完成第二階段工藝試驗(yàn)，同年上海光學(xué)機(jī)械 廠的研制的 JKG-3 型光刻機(jī)通過(guò)鑒定與設(shè)計(jì)定型。 第四十五所于 1985 年成功研制 BG-101 步進(jìn)式光刻機(jī)，并通過(guò)了技術(shù)鑒定，性能 指標(biāo)接近美國(guó) GCA 公司 4800DSW 系統(tǒng)的水平。同年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密 機(jī)械研究所研制的掃描式投影光刻機(jī)通過(guò)鑒定。但在 80 年代后期與 90 年代，由 于海外集成電路的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力，我國(guó)光刻機(jī)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)展緩慢，相關(guān)產(chǎn)品多止 步于科研項(xiàng)目，缺乏產(chǎn)線(xiàn)量產(chǎn)驗(yàn)證。

2002 年，上海微電子裝備有限公司（SMEE）成立，并承擔(dān)了 863 計(jì)劃中的 100 納米分辨率 Arf 光刻機(jī)項(xiàng)目。通過(guò)參與 863 計(jì)劃與 02 專(zhuān)項(xiàng)，上海微電子掌握了光 刻機(jī)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并于 2016 年推出用于 IC 前道制造的 600 系列光刻機(jī)，工藝 覆蓋 90 納米、110 納米和 280 納米，為浸沒(méi)式光刻機(jī)的研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

作為中國(guó)國(guó)內(nèi)唯一的光刻機(jī)整機(jī)廠商，上海微電子在光刻領(lǐng)域的布局較為完善， 覆蓋了集成電路前道制造光刻、后道封裝光刻、6 寸及以下襯底光刻、面板光刻等 多個(gè)領(lǐng)域。其中在后道封裝領(lǐng)域，上海微電子已經(jīng)占據(jù)了中國(guó)國(guó)內(nèi) 80%，全球 40% 的市場(chǎng)份額。除服務(wù)集成電路產(chǎn)業(yè)外，上海微電子的光刻機(jī)也廣泛應(yīng)用于集成電路前道、先進(jìn)封裝、FPD 面板 MEMS、LED、Power Devices 等制造領(lǐng)域。

SSX600 系列步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)采用四倍縮小倍率的投影物鏡、工藝自適應(yīng)調(diào)焦 調(diào)平技術(shù)，以及高速高精的自減振六自由度工件臺(tái)掩模臺(tái)技術(shù)，可滿(mǎn)足 IC 前道制 造 90nm、110nm、280nm 關(guān)鍵層和非關(guān)鍵層的光刻工藝需求。該設(shè)備可用于 8 寸 線(xiàn)或 12 寸線(xiàn)的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

SSB500 系列步進(jìn)投影光刻機(jī)主要應(yīng)用于 200mm/300mm 集成電路先進(jìn)封裝領(lǐng)域， 包括 Flip Chip、Fan-In WLP、Fan-Out WLP 和 2.5D/3D 等先進(jìn)封裝形式，可滿(mǎn)足 Bumping、RDL 和 TSV 等制程的晶圓級(jí)光刻工藝需求。

SSB300 系列步進(jìn)投影光刻機(jī)面向 6 英寸以下中小基底先進(jìn)光刻應(yīng)用領(lǐng)域，滿(mǎn)足 HB-LED、MEMS 和 Power Devices 等領(lǐng)域單面或雙面光刻工藝需求。 SSB200 系列投影光刻機(jī)采用先進(jìn)的投影光刻機(jī)平臺(tái)技術(shù)，專(zhuān)用于 AM-OLED 和 LCD 顯示屏 TFT 電路制造，可應(yīng)用于 2.5 代～6 代的 TFT 顯示屏量產(chǎn)線(xiàn)。該系列 設(shè)備具備高分辨率、高套刻精度等特性，支持 6 英寸掩模。

以上海微電子為首的國(guó)內(nèi)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈已初具雛形，但除光刻機(jī)整機(jī)集成外，還 包括光源、物鏡與照明系統(tǒng)、雙工件臺(tái)、浸沒(méi)系統(tǒng)等關(guān)鍵組成部分，與顯影涂膠 及量測(cè)檢測(cè)的配套設(shè)備。 在分工上，上海微電子負(fù)責(zé)光刻機(jī)設(shè)計(jì)總裝，北京科益虹源生產(chǎn)光源系統(tǒng)，北京國(guó)望光學(xué)供應(yīng)物鏡投影系統(tǒng)，國(guó)科精密提供照明系統(tǒng)，浙江啟爾機(jī)電提供浸沒(méi)系 統(tǒng)，華卓精科研發(fā)雙工件臺(tái)。美?？萍寂c蘇大維格為國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)提供空氣凈化器 與光柵；炬光科技與福晶科技為 ASML 供應(yīng)商，未來(lái)也有望參與光刻國(guó)產(chǎn)化。

4 投資分析

4.1 蘇大維格：發(fā)力非 IC 光刻機(jī)與多種光學(xué)元件

蘇大維格深耕微納光學(xué)產(chǎn)業(yè)，通過(guò)研發(fā)積累和不斷的收購(gòu)擴(kuò)張，已經(jīng)建立了較為 完善的微納光學(xué)生產(chǎn)體系。公司業(yè)務(wù)涵蓋上游光學(xué)制造設(shè)備與多種微納光學(xué)產(chǎn)品； 公司與多方合作設(shè)立研發(fā)創(chuàng)新中心，開(kāi)展底層關(guān)鍵技術(shù)研究。公司整體布局分為 四大事業(yè)群，產(chǎn)品包括多種光刻機(jī)、壓印設(shè)備、光刻機(jī)光柵防偽材料、新型包裝 材料、導(dǎo)光板、導(dǎo)電膜等。運(yùn)用于 AR 顯示的光波導(dǎo)鏡片等也正在研發(fā)當(dāng)中。

蘇大維格的設(shè)備產(chǎn)品，主要包括光刻設(shè)備和微納光學(xué)裝備兩類(lèi)，均系公司自主研 發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)；其設(shè)備滿(mǎn)足公司自身高端光學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)需要。蘇大維格通過(guò)持續(xù)迭 代與升級(jí)，逐步構(gòu)建了模塊化、可升級(jí)和快速配置的光刻機(jī)平臺(tái)。

蘇大維格的光刻機(jī)，為公司的產(chǎn)品與技術(shù)提供可靠的研發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)；亦為公司產(chǎn) 品性能提升提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和有力保障，已經(jīng)使用在納米透鏡、全息透鏡、裸眼 3D 納米導(dǎo)光板、光子晶體陣列、納米光柵、動(dòng)態(tài)衍射光學(xué)圖形、納米透鏡陣列的 制造中；通過(guò)微納光學(xué)產(chǎn)品與上游制造裝備的齊頭并進(jìn)協(xié)調(diào)發(fā)展，公司有望繼續(xù) 保持在相關(guān)設(shè)備領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

蘇大維格的產(chǎn)品也包括反光材料與微納光學(xué)產(chǎn)品。反光材料的成本中，化工原料 占 40%，受大宗商品價(jià)格波動(dòng)影響大；微納光學(xué)產(chǎn)品中，導(dǎo)光板和導(dǎo)電膜產(chǎn)品用 于面板和消費(fèi)電子領(lǐng)域；包裝與防偽材料，用于高端消費(fèi)品包裝和證件防偽領(lǐng)域。

2021 到 2022 年的一系列事件，造成能源等大宗商品價(jià)格波動(dòng)嚴(yán)重，下游客戶(hù)開(kāi) 工意愿較低，拖累了反光材料的毛利率；同時(shí)疫情擾動(dòng)導(dǎo)致消費(fèi)增長(zhǎng)乏力，包裝 材料、導(dǎo)光板、觸控模組等產(chǎn)品的成長(zhǎng)均不理想。疊加反光材料子公司資產(chǎn)減值， 蘇大維格 2022 年預(yù)計(jì)全年實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)-2.6 億元至-3.6 億元。隨著疫情回歸常 態(tài)化防控與消費(fèi)復(fù)蘇，2023 年公司各類(lèi)業(yè)務(wù)有望全面回升，實(shí)現(xiàn)扭虧為盈。

蘇大維格在納米光場(chǎng)調(diào)控 3D 顯示、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光波導(dǎo) AR 鏡片、等領(lǐng)域進(jìn)行了前 瞻性布局，并積極與相關(guān)產(chǎn)業(yè)方合作。在 AR/VR 領(lǐng)域，公司攻克了納米波導(dǎo)光場(chǎng) 鏡片批量化關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)業(yè)務(wù)有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)較快增長(zhǎng)。 此外，在消費(fèi)電子之外的汽車(chē)領(lǐng)域，公司開(kāi)發(fā)了用于 AR-HUD 的大幅面光波導(dǎo)模 組，具備超薄、大視場(chǎng)、遠(yuǎn)虛像視距的顯示效果。目前，公司正推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的 進(jìn)一步研發(fā)，與下游頭部企業(yè)對(duì)接 AR-HUD 的技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用。

蘇大維格在光伏領(lǐng)域，積極拓展自身設(shè)備和產(chǎn)品技術(shù)的市場(chǎng)。隨著光伏高效電池 擴(kuò)產(chǎn)落地，光伏電池用銀需求將快速增長(zhǎng)，銀漿耗用量增大是限制光伏行業(yè)持續(xù) 推進(jìn)降本增效的痛點(diǎn)之一。蘇大維格的光刻機(jī)，在銅電鍍光伏的圖案化工藝方面， 有著廣闊的發(fā)展?jié)摿?。銅電鍍光伏技術(shù)的加速滲透，蘇大維格也有望在相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn) 突破。

4.2 茂萊光學(xué)：供應(yīng)多種前道光刻機(jī)零件

茂萊光學(xué)專(zhuān)注于精密光學(xué)領(lǐng)域，是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的工業(yè)級(jí)精密光學(xué)廠商。公司掌握拋 光技術(shù)、鍍膜技術(shù)、多棱鏡膠合技術(shù)，部分工藝可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度； 在半導(dǎo)體應(yīng) 用領(lǐng)域，公司的精密光學(xué)產(chǎn)品主要應(yīng)用于半導(dǎo)體檢測(cè)和光刻機(jī)中，根據(jù)弗若斯特 沙利文的報(bào)告，2021年公司在全球半導(dǎo)體領(lǐng)域工業(yè)級(jí)精密光學(xué)市場(chǎng)的占有率為 3.0 %。

半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備中的光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體檢測(cè)效果有關(guān)鍵影響，茂萊光學(xué)主要 為半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備提供高精度的光學(xué)顯微成像鏡頭及系統(tǒng)，產(chǎn)品具備更高分辨率、 更大檢測(cè)面積，能夠較大地提高晶圓檢測(cè)設(shè)備的缺陷甄別能力及測(cè)量通量。公司 目前已與 Camtek、KLA 等全球知名半導(dǎo)體檢測(cè)裝備商建立合作。 公司為光刻機(jī)光學(xué)系統(tǒng)提供用于勻光、中繼照明模塊的光學(xué)器件、投影物鏡，以 及用于工件臺(tái)位移測(cè)量系統(tǒng)的棱鏡組件，是光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)光線(xiàn)均勻性與曝光成像的 關(guān)鍵模塊。茂萊光學(xué)的產(chǎn)品已應(yīng)用于上海微電子等國(guó)產(chǎn)廠商的光刻機(jī)中，有望為 光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化提供較好支撐。

4.3 芯源微：光刻機(jī)配套顯影涂膠設(shè)備先行者

沈陽(yáng)芯源微成立于 2002 年，由中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所發(fā)起，公司產(chǎn)品包括涂膠 機(jī)、顯影機(jī)、噴膠機(jī)、去膠機(jī)、濕法刻蝕機(jī)、單片清洗機(jī)。公司涂膠顯影相關(guān)技 術(shù)積累深厚，涂膠顯影機(jī) offline、I-line、KrF 設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)批量銷(xiāo)售并正在快速 放量，并陸續(xù)獲得中芯京城、上海華力、長(zhǎng)江存儲(chǔ)、合肥長(zhǎng)鑫、武漢新芯、廈門(mén) 士蘭集科、上海積塔、株洲中車(chē)、青島芯恩、中芯紹興、中芯寧波、昆明京東方 等大客戶(hù)的訂單。 芯源微于 2022 年 11 月 30 正式推出浸沒(méi)式 ArF 涂膠顯影機(jī)，該產(chǎn)品具有高產(chǎn)能、 高工藝能力、高潔凈度、高擴(kuò)展性和易維護(hù)性等優(yōu)勢(shì)。目前，該款機(jī)型已通過(guò)客 戶(hù)端驗(yàn)證，達(dá)到客戶(hù)量產(chǎn)要求，成功打破國(guó)外壟斷。

公司高額進(jìn)行研發(fā)投入，2022 年前三季度累計(jì)研發(fā)投入 0.95 億。此外，公司的新 上海臨港廠區(qū)已于 2022 年 8 月 5 日動(dòng)工，用于生產(chǎn)前道 ArF 涂膠顯影機(jī)。充足的 研發(fā)支出和配套生產(chǎn)設(shè)施的建設(shè)有望保障高端 ArF 設(shè)備順利投產(chǎn)，并盡快擴(kuò)大 ArF 產(chǎn)品的工藝覆蓋率，有力提升公司盈利能力。

4.4 精測(cè)電子：光刻涂膠顯影后電路量測(cè)設(shè)備

武漢精測(cè)電子集團(tuán)股份有限公司創(chuàng)立于 2006 年 4 月，公司于 2018 年進(jìn)軍半導(dǎo)體 設(shè)備領(lǐng)域，成立上海精測(cè)半導(dǎo)體技術(shù)有限公司。上海精測(cè)半導(dǎo)體所生產(chǎn)的 OCD(光學(xué)關(guān)鍵尺寸測(cè)量設(shè)備)與 CD-SEM（關(guān)鍵尺寸掃描電鏡）可用于光刻顯影涂膠后， 電路圖案的檢查。公司的 OCD 設(shè)備已通過(guò)工藝驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)小批量出貨。

4.5 盛美上海：開(kāi)發(fā)顯影涂膠設(shè)備，擴(kuò)大產(chǎn)品工藝覆蓋

盛美上海成立于 2005 年，公司集研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、銷(xiāo)售于一體，主要產(chǎn)品包括 半導(dǎo)體清洗設(shè)備、光刻配套顯影涂膠設(shè)備、半導(dǎo)體電鍍?cè)O(shè)備和先進(jìn)封裝濕法設(shè)備 等。 盛美上海于 2013 年開(kāi)發(fā)了首個(gè)封裝涂膠顯影機(jī)，并于 2014 年交付了給客戶(hù)。2022 年 12 月 29 日，公司的 ArF 涂膠顯影 Track 設(shè)備 Ultra LITH 成功出機(jī)，向中國(guó)國(guó) 內(nèi)客戶(hù)交付。該設(shè)備應(yīng)用于 300 毫米晶圓產(chǎn)線(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)與光刻機(jī)的聯(lián)機(jī)工作，可 提供均勻的下降氣流、高速穩(wěn)定的機(jī)械手處理以及強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)。 該設(shè)備共有 4 個(gè)適用于 12 英寸晶圓的裝載口，8 個(gè)涂膠腔體、8 個(gè)顯影腔體可實(shí) 現(xiàn)精確控溫和低破損，并支持 12 個(gè)涂膠腔體及 12 個(gè)顯影腔體拓展。設(shè)備每小時(shí) 晶圓產(chǎn)能可達(dá) 300 片，增配后能達(dá)到每小時(shí) 400 片以上的產(chǎn)能。

4.6 美?？萍迹河辛ΡＷC光刻凈化環(huán)境

美?？萍甲猿闪⒅掌?，即專(zhuān)注于電子潔凈室行業(yè)，在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)和研發(fā)中積累 了大量半導(dǎo)體領(lǐng)域的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。公司所生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元（FFU）、高效過(guò)濾器、 超高效過(guò)濾器、化學(xué)過(guò)濾器等產(chǎn)品，用于維護(hù)中芯國(guó)際較高端的 14 與 28 納米產(chǎn) 線(xiàn)廠房的空氣潔凈度。上海微電子裝備公司開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)首臺(tái) ArFi 光刻設(shè)備，機(jī)臺(tái)內(nèi) 潔凈環(huán)境等級(jí)需要達(dá)到國(guó)際最高標(biāo)準(zhǔn)（ISO Class 1 級(jí)）。美?？萍继峁┝斯饪虣C(jī) 所需的 EFU（超薄型設(shè)備端自帶風(fēng)機(jī)過(guò)濾機(jī)組）及 ULPA（超高效過(guò)濾器）等產(chǎn) 品，并通過(guò)了相關(guān)驗(yàn)收。

4.7 福晶科技：激光晶體打入 ASML 供應(yīng)鏈

福晶科技于 1990 年，由中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所設(shè)立，2008 年 3 月于深交 所上市。公司是全球知名的 LBO 晶體、BBO 晶體、Nd:YVO4 晶體、磁光晶體、 精密及超精密光學(xué)元件、高功率光隔離器、聲光及電光器件的龍頭廠商，產(chǎn)品廣 泛應(yīng)用于激光、光通訊、半導(dǎo)體、AR/VR、生命科學(xué)、無(wú)人駕駛、檢測(cè)分析儀器 等諸多工業(yè)領(lǐng)域。

經(jīng)過(guò)三十余年的發(fā)展，公司在晶體生長(zhǎng)、光學(xué)加工、器件合成、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、技術(shù) 服務(wù)、業(yè)務(wù)管理等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，成 為業(yè)內(nèi)少數(shù)提供“晶體+光學(xué)元件+ 激光器件”一站式綜合服務(wù)的供應(yīng)商。公司設(shè)立了研發(fā)中心，注重研發(fā)投入、技術(shù) 開(kāi)發(fā)、人才培養(yǎng)和協(xié)同創(chuàng)新。公司自主開(kāi)發(fā)了晶體生長(zhǎng)爐，擁有國(guó)際先進(jìn)的鍍膜 和檢測(cè)設(shè)備，建立了“原料合成－晶體生長(zhǎng)－定向－切割－粗磨－拋光－鍍膜”完 整的加工鏈。

4.8 炬光科技：光刻機(jī)電子及光學(xué)元件供應(yīng)商

炬光科技成立于 2007 年 9 月，目前擁有應(yīng)用于 光刻、邏輯芯片、功率器件及存 儲(chǔ)芯片退火的光學(xué)元器件和激光模塊與系統(tǒng)。其中，公司生產(chǎn)的光場(chǎng)勻化器，能 實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束的高度勻化，滿(mǎn)足光刻機(jī)等高端應(yīng)用需求，已供應(yīng)荷蘭 ASML 的 核心光學(xué)系統(tǒng)供應(yīng)商。 公司下游光刻市場(chǎng)的需求增長(zhǎng)強(qiáng)勁，2022 年上半年，炬光科技泛半導(dǎo)體激光器產(chǎn) 品已達(dá) 1.27 億元，較上年同期 0.94 億元有較大增長(zhǎng)。公司為光刻機(jī)等半導(dǎo)體和面板設(shè)備制造商等提供核心元器件，產(chǎn)品應(yīng)用于先進(jìn)制 造、醫(yī)療健康、科學(xué)研究、汽車(chē)應(yīng)用、消費(fèi)電子五大領(lǐng)域。

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