光刻機產(chǎn)業(yè)鏈全景圖

光刻機組成及整體結(jié)構(gòu)

DUV是目前應(yīng)用極為廣泛的光刻機類型，主要包括光源系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)(照明+投影)、雙工作臺、掩膜版、晶圓傳送系統(tǒng)等子系統(tǒng)，技術(shù)相對較為成熟。DUV光刻機工作原理為：激光光源產(chǎn)生深紫外光，經(jīng)過照明系統(tǒng)的均化、成型等照射至掩膜，最后經(jīng)物鏡投影至Wafer,目前投影系統(tǒng)4:1的掩膜圖像轉(zhuǎn)移比例較為常見。按照光源波長劃分，DUV主要有248nm和193nm兩種，對應(yīng)KrF和ArF準(zhǔn)分子激光光源;按照物鏡的出射介質(zhì)劃分，DUV可分為干式和浸沒式兩種，浸沒式是將投影物鏡出射處采用水介質(zhì)，可增加光刻機NA值，提高分辨率。

EUV整體結(jié)構(gòu)與DUV類似，也是由光源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、投影系統(tǒng)、雙工作臺以及掩膜版、晶圓傳送臺等子系統(tǒng)構(gòu)成。EUV是目前最先進的光刻設(shè)備，對各子系統(tǒng)的精密度要求極高，目前EUV市場被ASML公司壟斷。光源系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)是EUV區(qū)別于DUV的主要差異所在，High-NA是EUV設(shè)備未來的重要發(fā)展方向。EUV光源波長為13.5nm，極短的波長意味著EUV紫外光幾乎能被所有物質(zhì)吸收，因此DUV的透鏡光學(xué)系統(tǒng)無法復(fù)用，只能采用反射式光學(xué)系統(tǒng)。

光刻機上游市場

一、鏡頭

光學(xué)鏡頭是光刻機中重要的組成部分之一，其作用是對光線進行聚焦，在光刻膠層中形成所需的圖案。在光刻的過程中，如果使用的光學(xué)鏡頭精度不夠高，會對芯片的成品率和性能造成很大影響。

光學(xué)鏡頭的質(zhì)量會直接影響到光刻機的分辨率、像差、畸變等關(guān)鍵參數(shù)，如果這些參數(shù)無法保證，會顯著影響制造芯片的成品率和性能。

二、光源

光刻機的常見光源有：汞燈，LED燈，準(zhǔn)分子激光器，EUV光源。

汞燈

汞燈作為光刻機的光源具有悠久的歷史，也是光刻機中目前最普遍的光源。汞燈屬于氣體放電燈的一種，其中充滿了低壓的汞蒸汽。當(dāng)電流通過燈時，汞蒸汽中的電子會受到激發(fā)，從而發(fā)射光。發(fā)出的光的波長與汞的原子特性有關(guān)。因此叫做汞燈。

主要特點：

發(fā)光特性：汞燈的發(fā)光主要分布在幾個特定的紫外和可見光波段，最常見的波長為365nm，405nm和436nm。

壽命：雖然汞燈的壽命相對有限，但在其保質(zhì)期種，光的輸出相對穩(wěn)定。一旦達(dá)到壽命末期，其亮度和穩(wěn)定性可能會顯著下降。

熱量：汞燈在操作時會產(chǎn)生大量的熱量，因此需要有效的冷卻系統(tǒng)。

LED燈

LED(發(fā)光二極管)的發(fā)光原理基于半導(dǎo)體材料的電致發(fā)光效應(yīng)。近年來作為光刻機的光源，在光刻機市場中的比重越來越大。

LED作為光刻機光源優(yōu)勢：

長壽命：與汞燈相比，LED具有更長的使用壽命。

不發(fā)熱：汞燈的外殼在長時間工作后會變得很熱，與傳統(tǒng)的汞燈等光源相比，LED發(fā)出的熱量較少。屬于冷光源

LED雖好，但是相對于汞燈，價格更貴。

準(zhǔn)分子激光器

準(zhǔn)分子激光是半導(dǎo)體制造中常用的深紫外(DUV)光源之一。它是一種特殊類型的氣體激光，利用氣體分子束的放電來產(chǎn)生激光，當(dāng)放電發(fā)生時，它會引起準(zhǔn)分子從一個高能態(tài)轉(zhuǎn)移到低能態(tài)，釋放出特定波長的光。準(zhǔn)分子激光一般分為三種，分別是：KrF，ArF，F(xiàn)2

KrF(氪氟)準(zhǔn)分子激光：

波長：248nm

應(yīng)用：由于它的中等波長特性，KrF在多年前的半導(dǎo)體生產(chǎn)中起到了主導(dǎo)作用，特別是在大約180nm到130nm的技術(shù)節(jié)點。

ArF(氬氟)準(zhǔn)分子激光：

波長：193nm

應(yīng)用：ArF準(zhǔn)分子激光因其較短的波長被用于更先進的技術(shù)節(jié)點，特別是在90nm到45nm的范圍內(nèi)。隨著光刻技術(shù)的進步，如浸潤光刻，ArF激光器也開始被用于更小的特征尺寸。

F2(氟)準(zhǔn)分子激光：

波長：157nm

應(yīng)用：F2準(zhǔn)分子激光的波長非常短，理論上可以達(dá)到非常高的分辨率。然而，由于這個波長的實際應(yīng)用中存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，它并未被廣泛采用。

EUV光源

EUV光源主要是通過高功率CO2激光照射錫(Sn)微滴產(chǎn)生的。這個過程產(chǎn)生一個高溫的等離子體，該等離子體發(fā)射出13.5nm的EUV光。

光刻機核心系統(tǒng)

一、光源系統(tǒng)

光源系統(tǒng)為光刻機提供光源，是光刻工藝中不可或缺的部分。

光源經(jīng)歷了從汞燈到準(zhǔn)分子激光，再到極紫外光(EUV)的演進，滿足了不同制程節(jié)點對光源波長的需求。

ASML光刻機使用的EUV光源波長為13.5納米，能實現(xiàn)3納米等先進制程的芯片生產(chǎn)。

二、光路系統(tǒng)

光路系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光源發(fā)出的光束進行整形、勻化后照明掩膜面，再由投影物鏡系統(tǒng)將掩膜面上的圖形復(fù)制到硅片表面。

照明系統(tǒng)光路中包括擴束準(zhǔn)直、傳輸、光瞳整形單元和照明勻化單元，以實現(xiàn)特定分布的照明光場。

中繼鏡組位于掃描狹縫與掩膜版之間，負(fù)責(zé)將照明光場中繼成像到掩膜面上。

三、雙工件臺系統(tǒng)

雙工件臺系統(tǒng)由掩膜臺、硅片臺和控制系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了雙臺交替配合，大幅提升了設(shè)備產(chǎn)能。

硅片臺具有雙運動臺結(jié)構(gòu)，粗動臺負(fù)責(zé)大行程運動，微動臺實現(xiàn)納米級別的精確定位。

雙工件臺系統(tǒng)要求對準(zhǔn)精度高、運動速度快、運作穩(wěn)定，以滿足高效率、高精度的芯片制造需求。

四、測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)晶圓精確曝光，直接影響套刻精度。

主流技術(shù)方案包括雙頻激光干涉儀和二維光柵測試系統(tǒng)，用于測量晶圓六自由度的位移。

定位誤差在誤差分配中通常占總套刻誤差的十分之一，因此超精密位移測量系統(tǒng)是光刻機不可或缺的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。

五、聚焦系統(tǒng)

聚焦系統(tǒng)確保光刻膠在晶圓表面的高度差在焦深范圍內(nèi)，避免失焦導(dǎo)致缺陷。

聚焦系統(tǒng)通過水平傳感系統(tǒng)完成晶圓表面平整度的測量，并在曝光過程中不斷調(diào)整晶圓位置。

六、光刻對準(zhǔn)系統(tǒng)

光刻對準(zhǔn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)把掩膜上的圖形和晶圓上已經(jīng)有的圖形對準(zhǔn)，以保證曝光后圖形之間的準(zhǔn)確套刻。

主要過程包括掩膜的預(yù)對準(zhǔn)和定位、晶圓的預(yù)對準(zhǔn)、掩膜工件臺與晶圓工作臺之間的對準(zhǔn)、掩膜與晶圓的對準(zhǔn)四個步驟。

七、框架/減振/環(huán)境控制系統(tǒng)

框架/減振/環(huán)境控制系統(tǒng)為光刻機提供穩(wěn)定的工作環(huán)境和精確的機械支撐。

減振系統(tǒng)減少外部振動對光刻精度的影響，環(huán)境控制系統(tǒng)確保光刻過程中溫度、濕度等參數(shù)的穩(wěn)定。

八、傳輸系統(tǒng)

傳輸系統(tǒng)包括掩模傳輸系統(tǒng)和硅片傳輸系統(tǒng)，負(fù)責(zé)在光刻過程中快速、準(zhǔn)確地傳輸掩模和硅片。

高效的傳輸系統(tǒng)能夠減少生產(chǎn)過程中的停機時間，提高設(shè)備利用率。

光刻機下游市場分析

一、晶圓制造市場

據(jù)Counterpoint Research，由于疲軟的內(nèi)存支出、宏觀經(jīng)濟放緩、庫存調(diào)整以及智能手機和 PC 等終端市場需求低迷，2023 年全球五大晶圓廠設(shè)備制造商的營收同比下降 1% 至 935 億美元。在這五家廠商中，僅有 ASML 和應(yīng)用材料實現(xiàn)同比增長，而泛林研究、東京電子和 KLA 的收入分別同比下降 25%、22% 和 8%。得益于深紫外 (DUV) 和極紫外 (EUV) 光刻機的強勁銷售，ASML 在 2023 年拔得頭籌。

庫存調(diào)整和內(nèi)存市場下行趨勢嚴(yán)重影響了整體營收。然而，下半年庫存逐漸正常化以及 DRAM 需求回升，幫助抑制了全年營收的整體跌幅。

晶圓代工領(lǐng)域的收入在 2023 年同比增長 16%，得益于 GAA 架構(gòu)的逐步采用以及各領(lǐng)域客戶(包括物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、汽車和 5G)對成熟制程設(shè)備的強勁投資。

由于整體內(nèi)存 WFE 支出疲軟，尤其是 NAND Flash 方面，內(nèi)存領(lǐng)域的收入在 2023 年同比下跌 25%。不過，由于 2023 年下半年 DRAM 市場表現(xiàn)強勁，下跌趨勢有所緩解。

中國大力推進芯片自主化、增加落后制程 DRAM 出貨量、強勁的 DRAM 需求以及成熟制程增長投資共同推動了中國大陸的設(shè)備銷售額同比增長 31%，占 2023 年全球系統(tǒng)銷售額的三分之一左右。

GAA 技術(shù)的逐步采用、人工智能、汽車和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的支出增長、新晶圓廠投產(chǎn)、DRAM 技術(shù)節(jié)點升級以支持 HBM 存儲器、以及改善的 NAND Flash 支出將推動 2024 年 WFE 市場增長。

二、半導(dǎo)體市場

2023年全球半導(dǎo)體行業(yè)規(guī)模達(dá)到5268億美元，較2022年下降了8.2%。這一數(shù)據(jù)反映了半導(dǎo)體行業(yè)在宏觀經(jīng)濟波動下的周期性調(diào)整。

2023年半導(dǎo)體市場需求顯得疲軟，而原件供應(yīng)卻有所增加，導(dǎo)致市場形勢出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。盡管如此，在特定領(lǐng)域如AI和汽車應(yīng)用中，半導(dǎo)體需求卻呈現(xiàn)出顯著的增長態(tài)勢。

在AI領(lǐng)域，英偉達(dá)成為最大的贏家。該公司在2023年實現(xiàn)了驚人的490億美元半導(dǎo)體收入，相比前一年猛增134%，更是2019年的4倍以上。同時，另一明星產(chǎn)品AI內(nèi)存HBM也在整體存儲半導(dǎo)體市場衰退的情況下，實現(xiàn)了127%的位元增長率，預(yù)計今年還將繼續(xù)保持強勁增長。

此外，隨著電動汽車市場的不斷擴大和智能化水平的提高，汽車行業(yè)對半導(dǎo)體的需求也在持續(xù)增長。報告顯示，2023年汽車行業(yè)半導(dǎo)體產(chǎn)值達(dá)到了750億美元，同比增長15%，已占整體半導(dǎo)體市場的14%。

在企業(yè)排名方面，盡管英特爾仍位居榜首，但其營收額下滑了15.8%，降至511.97億美元。而英偉達(dá)則憑借AI領(lǐng)域的強勁表現(xiàn)，以491.61億美元的營收首次躋身至全球半導(dǎo)體營收第二名。與此同時，受存儲市場低迷影響，三星電子的營收僅為443.74億美元，跌出了前兩名。

此次排名前十的企業(yè)還包括高通、博通、SK海力士、AMD、蘋果、英飛凌和意法半導(dǎo)體。這些企業(yè)在半導(dǎo)體行業(yè)中占據(jù)重要地位，其業(yè)績表現(xiàn)對整個行業(yè)的發(fā)展具有重要影響。