光刻机行业市场分析

光刻机行业市场分析光刻机：半导体制造中价值量占比、技术壁垒最高的设备之一芯片制造：精细度要求高，光刻机是决定制程工艺的关键设备一个指甲大小的芯片可以由上百亿个晶体管组成，制造工艺的难度和精细度要求极高。这里我们以麒麟990为例，是华为于2019年推出的5G智能手机芯片，采用台积电第二代7nm（EUV）工艺制造，面积为113平方毫米（约1厘米见方，小手指甲大小）。芯片制造厂采用的12英寸硅片的面积为70659平方毫米，一个硅片大约可以生产500颗麒麟990芯片（按照面积算能切约700颗，但是需要考虑边角料和良率的影响）。半导体制造过程是多层叠加的，上百亿只晶体管由纵横而不交错的金属线条连接起来，实现了芯片的功能。一颗990芯片上面集成了约103亿只晶体管，其中一只晶体管在芯片中仅占头发丝横切面百分之一不到的面积，但它却是由复杂的电路结构组成。芯片制造完成后，硅片上的上百亿只晶体管由纵横而不交错的金属线条连接起来，实现了芯片的功能。芯片制造就是按照芯片布图，在硅晶圆上逐层制做材料介质层的过程，工艺的发展带动材料介质层的层数增加。芯片是由多层进行叠加制造的，芯片布图上的每一层图案，制造过程会在硅晶圆上做出一层由半导体材料或介质构成的图形。图形层也称作材料介质层，例如P型衬底层、N型扩散区层、氧化膜绝缘层、多晶硅层、金属连线层等。芯片布图有多少层，制造完成后的硅晶圆上基本就有多少材料介质层。随着工艺的发展，材料介质层的层数逐渐增加。材料介质层在硅晶圆上叠加在一起，就形成了整个芯片，乃至整个硅晶圆上所有的电路元器件。它们主要包括晶体管(三极管)、存储单元、二极管、电阻、连线、引脚等。半导体制造环节及设备：半导体设备是芯片制造的核心，包括晶圆制造和封装测试等环节。应用于集成电路领域的设备通常可分为前道工艺设备（晶圆制造）和后道工艺设备（封装测试）。其中，所涉及的设备主要包括氧化/扩散设备、光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备以及先进封装设备等。三大核心主设备——光刻机、刻蚀设备、薄膜沉积设备，占据晶圆制造产线设备总投资额超70%。光刻机是决定制程工艺的关键设备，光刻机分辨率就越高，制程工艺越先进。为了追求芯片更快的处理速度和更优的能效，需要缩短晶体管内部导电沟道的长度。根据摩尔定律，制程节点以约0.7倍（1/√2）递减逼近物理极限。沟道长度即为制程节点，如FET的栅线条的宽度，它代表了光刻工艺所能实现的最小尺寸，整个器件没有比它更小的尺寸，又叫FeatureSize。光刻设备的分辨率决定了IC的最小线宽，光刻机分辨率就越高，制程工艺越先进。因此，光刻机的升级势必要往最小分辨率水平发展。光刻工艺为半导体制造过程中价值量、技术壁垒和时间占比最高的部分之一，是半导体制造的基石。光刻工艺是半导体制造的重要步骤之一，成本约为整个硅片制造工艺的1/3，耗费时间约占整个硅片工艺的40～60%。光刻实质为光源通过掩膜版将其附有的临时电路结构转移到硅片表面的光敏薄膜上，再通过一系列处理形成特定的电路结构。光刻工艺包括硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等步骤，相关设备包括光刻机、涂胶显影设备（Track）、清洗设备、量检测设备等，其中实现对准曝光的光刻机是光刻工序的核心设备。工作原理：类似相机，通过光线透传在晶圆表面成像，刻出超精细图案光刻设备是一种投影曝光系统，其主要由光源（Source）、光罩（Reticle）、聚光镜（Optics）和晶圆（Wafer）四大模组组成。在光刻工艺中，设备会从光源投射光束，穿过印着图案的光掩膜版及光学镜片，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上；之后通过蚀刻曝光或未受曝光的部份来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，构造出不同材质的线路。此工艺过程被一再重复，将数十亿计的MOSFET或其他晶体管建构在硅晶圆上，形成一般所称的集成电路或芯片。——在技术方面，光刻机直接决定光刻工艺所使用的光源类型和光路的控制水平，进而决定光刻工艺的水平，最终体现为产出芯片的制程和性能水平；同时在中高端工艺中涂胶机、显影机（Track）一般需与光刻机联机作业，因此光刻机是光刻工艺的核心设备。——在产业方面，光刻机直接决定晶圆制造产线的技术水平，同时在设备中是价值量和技术壁垒最高的设备之一，对晶圆制造影响颇深。综合来看，光刻设备堪称半导体制造的基石。工作原理：光刻机类似胶片照相机，通过光线透传将电路图形在晶圆表面成像，光刻机精度和光源波长呈负相关。我们对比相机和光刻机工作原理：1）相机原理：被摄物体被光线照射所反射的光线，透过相机的镜头，将影像投射并聚焦在相机的底片（感光元件）上，如此便可把被摄物体的影像复制到底片上。2）光刻原理：也被称为微影制程，原理是将光源（Source）射出的高能镭射光穿过光罩（Reticle），将光罩上的电路图形透过聚光镜（projectionlens），将影像缩小1/16后成像（影像复制）在预涂光阻层的晶圆（wafer）上。对比相机和光刻机，被拍摄的物体就等同于微影制程中的光罩，聚光镜就是单反镜头，而底片（感光元件）就是预涂光阻层的晶圆。由于集成电路图像分辨率和光刻机光源的波长呈负相关关系，波长越短、图像分辨率越高，相对应地光刻机的精度更高。光刻工序：实质是IC芯片制造的图形转移技术（Patterntransfertechnology），把掩膜版上的芯片设计图形转移到晶圆表面抗蚀剂膜上，最后再把晶圆表面抗蚀剂图形转移到晶圆上。典型光刻工艺流程包括8个步骤，依次为底膜准备、涂胶、软烘、对准曝光、曝光后烘、显影、坚膜、显影检测，后续处理工艺包括刻蚀、清洗等步骤。（1）晶圆首先经过清洗，然后在表面均匀涂覆光刻胶，通过软烘强化光刻胶的粘附性、均匀性等属性；（2）随后光源透过掩膜版与光刻胶中的光敏物质发生反应，从而实现图形转移，经曝光后烘处理后，使用显影液与光刻胶可溶解部分反应，从而使光刻结果可视化；坚膜则通过去除杂质、溶液，强化光刻胶属性以为后续刻蚀等环节做好准备；（3）最后通过显影检测确认电路图形是否符合要求，合格的晶圆进入刻蚀等环节，不合格的晶片则视情况返工或报废，值得注意的是，在半导体制造中，绝大多数工艺都是不可逆的，而光刻恰为极少数可以返工的工序。多次工艺：光刻机并不是只刻一次，对于芯片制造过程中每个掩模层都需要用到光刻工序，因此需要使用多次光刻工艺。电路设计就是通常所说的集成电路设计（芯片设计），电路设计的结果是芯片布图（Layout）。芯片布图在制造准备过程中被分离成多个掩膜图案，并制成一套含有几十～上百层的掩膜版。芯片制造厂商按照工艺顺序安排，逐层把掩膜版上的图案制作在硅片上，形成了一个立体的晶体管。假设一个芯片布图拆分为n层光刻掩膜版，硅片上的电路制造流程各项工序就要循环n次。根据芯论语微信公众号，在一个典型的130nmCMOS集成电路制造过程中，有4个金属层，有超过30个掩模层，使用474个处理步骤，其中212个步骤与光刻曝光有关，105个步骤与使用抗蚀剂图像的图案转移有关。对于7nmCMOS工艺，8个工艺节点之后，掩模层的数量更大，所需要的光刻工序更多。光刻机市场：全球市场规模约200亿美元，ASML处于绝对领先市场规模：半导体设备市场规模超千亿美元，其中光刻设备占比超22%2022年全球半导体设备市场规模继续超千亿美元，2024年有望复苏至1000亿美元。半导体专用设备市场与半导体产业景气状况紧密相关，2021年起，下游市场需求带动全球晶圆产商持续扩建，半导体设备受益于晶圆厂商不断拔高的资本支出，据SEMI数据，2021/22年全球半导体设备市场规模分别为1026/1074亿美元，连续两年创历史新高。SEMI预测，由于宏观经济形势的挑战和半导体需求的疲软，2023年半导体制造设备全球销售额将从2022年创纪录的1074亿美元减少18.6%，至874亿美元；2024年将复苏至1000亿美元。——区域对比：2022年中国大陆半导体设备市场规模占全球26.3%，近5年增速领先全球。随着全球半导体产业链不断向中国大陆转移，国内技术进步及扶持政策持续推动中国集成电路产业持续快速发展。根据SEMI数据，2022年中国大陆半导体设备销售额282.7亿美元，市场规模在2017-2022年的年复合增长率为28%，增速明显高于全球。中国大陆半导体设备市场规模占全球比重26.3%，连续三年成为全球半导体设备的最大市场，其次为中国台湾和韩国。SEMI预计2023年和2024年，中国大陆、中国台湾和韩国仍将是设备支出的前三大目的地，其中预计中国台湾地区将在2023年重新获得领先地位，中国大陆将在2024年重返榜首。——类型对比：晶圆制造设备占比约88%价值最高，光刻设备贡献最大。根据SEMI的统计，2022年全球半导体设备市场规模按类型划分，封装/测试/晶圆制造设备的销售额分别为57.8/75.2/941亿美元，占比分别为5.4%/7.0%/87.6%，其中晶圆制造中光刻、刻蚀及清洗、薄膜沉积为关键工艺设备，该等工艺设备价值在晶圆厂单条产线成本中占比较高，分别约占半导体设备市场的22%/21%/18%。光刻设备2022年全球市场规模约200亿美元，是核心品类之一。半导体设备市场规模受到供需失衡与技术变革影响呈周期性上升趋势，根据SEMI数据，2022年全球半导体设备市场规模达到1074亿美元，其中晶圆制造设备约为941亿美元。晶圆制造设备从类别上可分为刻蚀、薄膜沉积、光刻、检测、离子掺杂等十多类，根据Gartner预测，2022年全球晶圆制造设备市场中光刻设备占比21.3%，综合计算2022年全球半导体光刻设备市场规模约为200亿美元。销量情况：2022年销量超550台，ASML独占高端市场全球光刻机年销量超550台，市场规模超1000亿元，2023年有望迎来新一轮快速增长。全球光刻机销售主要来自于TOP3厂商，根据各厂商公告的数据，2021年光刻机销量为478台，同比增长15.74%，2021年光刻机相关营收达1076亿元，同比增长8.9%，主要由EUV等高端机型出货增加拉动。与半导体行业周期相似，光刻机销售具有较强的周期性，2019年全球半导体进入下行周期，TOP3厂商光刻机销量为354台，同比下降3.8%，光刻机销售与行业保持同步；2021年以来，半导体板块需求反弹，伴随各大晶圆厂先进工艺扩产加速，光刻机市场迎来新一轮快速增长，2021/22年销量分别为478/551台，分别同比+15.74%/+15.27%。随着制程节点和工艺路线的升级，光刻机需求量不断增加，机台单价也不断提升。随着芯片制程不断升级，所需光刻机种类发生变化：逻辑制程从5nm节点开始，必须使用EUV光刻机，光刻设备开支占比明显提升；DRAM芯片从1A节点开始逐步采用EUV光刻机；3DNAND芯片由于多层叠堆技术的发明仍使用较老式的光刻机，光刻设备开支占比有所下降。整体上ArFi和EUV高端光刻机占比有所提升；单台EUV光刻机售价超过1亿美元，推高了平均售价。分品类来看，全球在售光刻机按照级别由高至低主要为EUV光刻机、ArFIm（ArFi）光刻机、ArFDry光刻机、KrF光刻机和i-line光刻机，ArFIm光刻机量价双高且需求稳定。其中：（1）低阶的KrF光刻机和i-line光刻机销量较高，2022年TOP3厂商销量分别为209/185台，占总量的37.93%/33.58%，但价值量相对较低，总价值量占比相对较低。（2）EUV和DUV光刻机价值量较高，EUV光刻机单价约为10-15亿元，DUV光刻机单价约为5亿元。DUV中ArFIm（浸没式）光刻机面向高端工艺、先进制程节点等，出货量较高，2022年TOP3厂商销量为85台，属于量价双高类别。目前7nm-90nm制程工艺已经可以满足大部分领域的芯片需求，而高端先进制程的芯片生产成本激增，故我们认为目前一定周期内行业将普遍采用该区间工艺，对应的ArFIm光刻机需求将保持稳定增长。分品牌来看，全球主要光刻机市场被ASML、Canon、Nikon垄断，ASML独占高端市场，尼康致力追赶，佳能深耕低阶市场。目前全球光刻机市场主要由TOP3厂商垄断，根据芯思想数据，2022年ASML光刻机营收约161亿美元，共出货345台光刻机，同比+12%；2022年，Canon光刻机营收约为20亿美元，主要出货机台是i-line、KrF两类，光刻机出货量达176台，同比+25%；2022年度，Nikon光刻机业务营收约15亿美元，集成电路用光刻机出货30台，较2021年减少5台。由此计算，2022年ASML、Canon、Nikon的销售额市场份额分别达82%/10%/8%；出货量市场份额分别为63%/32%/5%。从EUV、ArFi、ArF三个高端机型的出货来看，ASML仍维持领先地位，出货量分别占100%/95%/87%。因此，光刻机领域ASML处于绝对领先地位。——在高端EUV领域，ASML拥有100%份额，掌握绝对核心技术，目前为满产满销状态。2022年ASML的EUV光刻机营收占光刻机整体收入的44%，2022年单台EUV平均售价超过1.7亿欧元(约11亿元)，同比+15%。这主要是由于2022年公司主要销售TWINSCANNXE:3600D，相较TWINSCANNXE:3400C价格更高。从2011年出售第一台EUV机台以来，截止2022年第四季，公司出货达183台。2022年EUV光刻机共加工晶圆超过4000万片。——在ArF领域，Nikon虽有少量出货，但ASML掌握大量核心技术，尤其在ArFIm领域保持较大领先幅度，占据主要市场份额，不过Nikon正致力于在ArF尤其是ArFIm领域实现对ASML的追赶。2022年，Nikon集成电路用光刻机出货30台，同比减少5台。其中ArFi光刻机出货4台，同比持平；ArF光刻机出货4台，同比增加1台；KrF光刻机出货7台，同比增加2台；i-line光刻机出货15台，同比减少8台。——在低阶的KrF和i-line领域，Canon占据较多份额，随着低阶产品销量的持续增长，2022年在营收上实现了对尼康的超越。2022年Canon光刻机出货量达176台，同比增加36台；其中i-line机台是出货的主力，出货125台。此外，据日经新闻报道，Canon计划在2023年开始新建光刻机工厂，到2025年投产，计划产能为现在的两倍；同时押注纳米压印（NIL）技术，尽快实现5nm精度。ASML对比尼康在设计合理度、生产速度、良品率上领先，国产产品在套刻精度和生产效率上与国外同级别产品存在差距。2022年ASML共出货345台光刻机，同比+12%。其中EUV光刻机出货40台，同比减少2台；ArFi光刻机出货81台，同比持平；ArF光刻机出货28台，同比增加6台；KrF光刻机出货151台，同比增加20台；i-line光刻机出货45台，同比增加12台，在高端光刻机领域处于绝对领先的地位。尼康正致力于在中高端光刻机领域缩小与ASML的差距，在浸没式DUV领域，尼康的NSR-S631E/NSR-S621D分别对标ASML的NXT2000i/NXT1950i，在干式DUV领域，尼康的NSR-S322F对标ASML的XT1460K，在KrF领域，尼康的NSR-S21OD对标ASML的XT860K，综合来看，尼康产品在套刻精度上达到甚至超过ASML的水平，但在生产效率上尚存在差距，同时在设计合理度、良品率上亦落后于ASML。国产替代：光刻机国产化率仅为2.5%，上海微电子处于国内领先光刻机国产化率仅2.5%，目前为设备领域国产化率最低，亟待突破。我们统计了2015-2022年国内三家晶圆厂在中国国际招标网公布的采购数据，根据长江存储、华力集成、华虹无锡累计招标数据，三家国内晶圆厂共公开采购光刻设备157台，光刻设备总体国产化率为2.5%。其中荷兰的阿斯麦中标95台，占比为60.5%；日本的佳能和尼康分别中标35/11台，占比分别为22.3%/7.0%。光刻设备总体国产化率为2.5%，亟待国产突破。上海微电子目前实现低端光刻机的国产替代，共公开中标3台，占国内总市场约1.9%。根据中国国际招标网和上海微官网信息梳理，上海微电子装备600系列光刻机已经可以满足0.28μm-90nm的IC前道制造，目前已共计中标3台半导体用光刻机给晶圆制造厂商（后道封装厂及部分科研单位不算在内），分别供应给上海积塔半导体、中芯绍兴和长江存储。此外，上海微电子的光刻机还进入了士兰微等国内其他芯片厂商。光刻机的发展：不同光源覆盖相应工艺区间，发展五代至EUV设备技术路径：曝光波长缩短至13.5nm，对应工艺节点降低至7nm及以下工艺节点不断缩小至7nm及以下，曝光波长逐渐缩短至13.5nm，光刻技术逐步完善成熟。光刻机最早源于半导体光刻工艺，是通过人工或者自动对准和曝光的操作，把光刻掩模版上的半导体器件或者IC的版图转移到基片表面光致抗蚀剂上的曝光设备，故也称为掩模对准曝光机（Maskaligner或者maskalignmentsystem）。光刻技术经历了接触/接近式光刻、光学投影光刻、步进重复光刻、扫描光刻、浸没式光刻到EUV光刻的发展历程。1、按照有无掩膜：光刻机可分为有掩膜光刻机和无掩模光刻机，有掩膜光刻机目前为产业广泛应用，历经5代已发展至EUV光刻机。（1）无掩模光刻：又称直写光刻机，分为电子束直写光刻、激光直写光刻、离子束直写光刻，灵活性高但生产效率较低，一般用于集成电路器件原型的研制验证制作、光刻掩膜板的制作等。（2）有掩膜光刻机：使用预先定制的掩膜板转移目标电路，分为接触式光刻机、接近式光刻机和投影式光刻机，因其具有更高的精度和生产效率在产业中被广泛应用，一般产业中论及光刻机即指有掩膜光刻机。由于光源是光刻机最核心的组成部分，直接决定光刻机工艺层级，因此一般按照光源波长对光刻机进行分类，目前光刻机历经5代已发展至EUV光刻机。2、按照曝光方式划分：光刻机可以分为接触式曝光、接近式曝光和投影式曝光，操作方式分为手动、半自动和自动。目前主流产品是投影式光刻机。1）接触式光刻机，掩膜版直接与光刻胶层接触，是最简单、经济的光刻设备。出现于20世纪60年代，为小规模集成电路（SSI）时代的主要光刻手段，目前仍应用于小批量产品制造和实验室研究，主要用于5µm以上工艺，其缺点为掩膜板使用寿命较短同时良品率较低。其工作原理为近场菲涅尔衍射(FresnelDiffraction)成像，其分辨率可以达到亚微米级，掩模版上的图形与曝光在衬底上的图形在尺寸上基本是1:1的关系，即掩模版与衬底的尺寸一样大，可以一次曝光整个衬底。在接触/接近式光刻机中，掩模版与衬底表面的光刻胶直接接触，减小了光的衍射效应，但在接触过程中衬底与掩模版之间的摩擦会在二者表面形成划痕，与此同时很容易产生颗粒沾污。这会降低衬底成品率以及掩模版的使用寿命，故接近式光刻技术得以引入。2）接近式光刻机，于20世纪70年代被广泛应用，与接触式光刻相比，接近式光刻中的掩模版与衬底上的光刻胶并未直接接触，而是掩膜版与光刻胶留有被氮气填充的间隙（0-200µm）。掩模版浮在氮气之上，减少了电路缺陷和掩膜版损伤。在接近式光刻中，最小分辨尺寸与间隙成正比，间隙越小，最小分辨尺寸越小，也即分辨率越高。一般来说，衬底的平整度在1~2μm，要使掩模版悬空在衬底上方而不碰到衬底，掩模版与衬底的最小间隙需控制在2~3μm，这使得接近式曝光机的空间分辨率极限约为2μm。3）投影式光刻机，自20世纪70年代中后期开始替代接触/接近式光刻，基于远场傅里叶光学成像原理，在掩模版和光刻胶之间采用了具有缩小倍率的投影成像物镜，突破了衍射限制（接触/接近式光刻机原理均为菲涅尔衍射），同时增加了掩膜版的使用寿命，可以有效提高分辨率。是目前主流的光刻机形态。3、按照迭代次序：投影式光刻机可分为步进重复投影式光刻机、步进扫描投影式光刻机、浸没式步进扫描投影式光刻机、EUV一体式光刻机，目前均在产线中使用。早期，投影光刻技术中掩模版与衬底图形尺寸比例为1：1，然而随着集成电路特征尺寸的不断缩小以及衬底尺寸的增大，缩小倍率的步进重复光刻技术问世，替代了图形比例为1:1的扫描光刻方式。1）步进重复投影式光刻机：利用22mmx22mm的典型静态曝光视场(FOV)和缩小比为5:1或4:1的光学投影物镜，将掩模版上的图形缩小转印到衬底上。在光刻过程中，掩模版固定不动，衬底晶圆步进运动，以完成一片晶圆全部曝光工作。目前步进重复光刻主要应用于0.25μm以上工艺，以及先进封装领域，其优点为生产效率高、结构简单。2）步进扫描投影式光刻机：单场曝光采用动态扫描方式，即掩模板相对衬底晶圆同步完成扫描运动；完成当前曝光后，晶圆由工作台承载步进至下一步扫描场位置，继续进行重复曝光；重复步进并扫描曝光多次直至整个晶圆所有场曝光完毕。步进扫描光刻的投影物镜倍率通常为4:1，即掩模板图形尺寸为晶圆图形尺寸的四倍，掩模台扫描速度也为工作台的4倍。采用动态扫描曝光，视场更大，同时曝光精度、强度、均匀性更好。通过配置不同种类的光源(如i线、KrF、ArF)，步进扫描光刻或者基于步进扫描光刻改进的光刻技术可支撑半导体前道工艺所有的技术节点。对于典型的硅基底CMOS工艺，从0.18μm节点开始便大量采用步进扫描光刻；目前在7nm以下工艺节点使用的极紫外光刻机(EUV)也采用步进扫描方式。3）浸没式光刻机：采用ArF的光源的扫描光刻机的极限就在于65nm的线宽，小于65nm的线宽，光射无法从物镜中出来，即使再增大物镜直径也是徒劳。由于水的折射率和玻璃接近（在193nm波长的雷射中，折射率空气=1，水=1.44，玻璃约为1.5），从投影物镜射出的光进入水介质后，折射角较小，由此折射光就可以正常从物镜中折射出来。目前主流采用的纯净水的折射率为1.44，所以ArF光源加浸润技术实际等效的波长为193nm/1.44=134nm。采用ArF的光源浸润式光刻的最小分辨率可以达到38nm；为了实现更小工艺线宽的要求，通过采用多重图形技术（多重曝光），可使光刻水平进一步提高，可支撑7nm节点工艺。4）EUV一体式光刻机：采用了全反射投影成像系统，用于支持EUV极短光源。其数值孔径为0.33、光源波长为13.5nm、扫描视场为26mm×33mm、光学分辨率可以达到13nm半周期，台积电已使用该设备实现了5nm逻辑芯片的量产。未来，对于更先进的节点，ASML计划2024量产高数值孔径（NA=0.55）极紫外光刻技术，其分辨率为8nm半周期，可以更快更好地曝光更复杂的集成电路图案，同时密度增加2.9倍，全面支持3nm以下乃至埃米级工艺节点。台积电于2022年6月份的技术论坛上表示，新一代HighNA光刻设备将于2024年用于生产纳米片晶体管（GAAFET）架构的2nm（N2）芯片，预计在2025年量产。4、根据所用光源分类：光刻机经历了5代产品发展，每次改进和创新都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。光刻设备光源的波长不断缩短，由原来的e线、g线、h线、i线发展到深紫外、准分子激光、极紫外，X射线以及各种粒子束光源，如电子束、离子束。光刻设备的系统越来越复杂，光刻设备的范畴也不断拓展。1）第一代为g线型，属于可见光源，最初为接触接近式光刻机，使用光源为436nm的g-line，对应800-250nm工艺。2）第二代为i线型，属于紫外光源（UV），最初为接触接近式光刻机，使用光源为365nm的i-line，对应800-250nm工艺。3）第三代为KrF型，属于深紫外光源（DUV），初代为扫描投影式光刻机，采用248nm的KrF光源，对应180-130nm工艺。4）第四代为ArF型，属于深紫外光源（DUV），采用193nm的ArF光源，分为步进扫描投影式光刻机（干式）和浸没式步进扫描投影式光刻机（湿式），分别对应130-65nm和45-7nm工艺（38nm以下开始使用多重曝光工艺）。5）第五代为EUV型（极紫外），为步进扫描投影式光刻机，采用13.5nm的EUV光源，对应7-3nm工艺。5、按照光源发生器划分：光刻机的光源通常使用汞灯或激光器。最早的光刻机光源即为汞灯产生的紫外光源（UV）；之后行业内采用准分子激光的深紫外光源（DUV），将波长进一步缩小到ArF的193nm；为了提供波长更短的光源，采用激发形式的极紫外光源（EUV）为业界采用，目前主要采用的办法是将二氧化碳激光照射在锡等靶材上，激发出13.5nm的光子作为光刻机光源。1）高压汞灯：即高压弧光灯，最早的光刻机光源为汞灯产生的紫外光源（UV），高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的g线（436nm）或i线（365nm），其功率最早为1kW，后续发展至5kW。其特征尺寸在微米级别，可以满足0.8-0.35微米制程芯片的生产。2）准分子激光器（laser）：主要用于产生深紫外光源，包括KrF准分子激光（248nm）、ArF准分子激光（193nm）和F2准分子激光（157nm），其中F2光源未被产业化应用，最高功率可达500kw。随着半导体集成度提升不断提高对193nmArF准分子激光器技术水平也提出更高的要求，目前全球有能力供应高端光刻机所需的准分子光刻光源激光器的厂商有两家，美国的Cymer公司和日本的Gigaphoton公司。为了同时保证谱线宽度和功率的要求，目前先进的光刻机的准分子激光光源都是采用振荡-放大技术的双腔结构。光谱带宽衡量指标E95的大小及稳定性是激光的一个重要参数，目前输出激光的E95都控制在小于0.35pm，脉冲重复频率可以达到6000Hz，激光输出功率可以达到120W。可以满足180-7nm制程芯片的生产。3）激发光源：主要用于生产极紫外光源（13.5nm），采用激光致等离子体（LPP）技术，通过将高功率二氧化碳激光脉冲照射在直径为30微米的锡滴液靶材上发光，激发出高功率的13.5nm的等离子体，作为光刻机的光源，目前只有ASML掌握此项技术。EUV光刻机输出功率约250W，不过其光源转化效率仅0.02%，故实际功率高达1250kw，使得开发成本和使用成本大幅上升。目前可以满足7-3nm制程芯片的生产。应用需求：芯片生产中各种光刻机均有需求，各代光刻机并非绝对的升级和替代关系不同光源光刻机覆盖不同制程区间，各代光刻机并非绝对的升级和替代关系。从光源的角度，虽然更高光刻精度的光刻机可以对制程工艺向下兼容，但并非最具经济效益的方案，因此目前各种光源的光刻机均广泛应用于产业，支持不同制程区间的光刻工艺。在38nm及以上工艺中，光刻分辨率与工艺节点直接对应，在38nm以下工艺中，一方面由于开始使用多重曝光技术，另一方面各Fab厂制造工艺命名开始基于不同工艺指标，因此为区间对应，但通常满足CD=MMP/2（MMP为最小金属间距（MinimumMetalPitch））；从曝光方式角度，传统的接近式和步进重复式在大规模产业化应用上已基本被淘汰，目前主流方案为（浸没式）步进扫描投影。集成电路制造是依靠平面工艺一层一层制备起来的，不同层对于光刻机的产品需求也不同。对于逻辑器件，前沿逻辑芯片的制造可以细分为三个独立的部分：前道工序（FEOL）、中间工序（MOL）和后道工序（BEOL）。各个工序由于加工精度的要求不同，对于光刻机的产品需求也不同。1）用于集成电路关键层光刻工艺，28nm以上节点制造采用的是193nm波长干式DUV光刻机，28nm-10nm节点采用193nm波长浸没式DUV光刻机；7nm及以下集成电路制造中，关键层光刻工艺则需要采用EUV光刻机；下一代产品high-NAEUV光刻机目前正在研发当中，ASML预计未来1-2年有可能被开发出来，其可以支持5nm、3nm及以下的工艺制造。2）非关键层使用的是248nm波长DUV光刻机和I-line光刻机(365nm波长)。（1）前道(frontendofline，FEOL)工艺：为了在Si衬底上实现N型和P型场效应晶体管，涵盖芯片有源部分的加工，即位于芯片底部的晶体管。首先是在Si衬底上划分制备晶体管的区域(activearea)，然后是离子注入实现N型和P型区域，其次是做栅极，随后又是离子注入，完成每一个晶体管的源极(source)和漏极(drain)。前道(FEOL)中的关键光刻层是FIN和栅极(gate)，芯片的制程节点的数值一般指MOS管栅极的最小长度(gatelength)，即最高端光刻机。（2）后道(backendofline，BEOL)工艺：是加工的最后阶段，指的是位于芯片顶部的互连。实际上就是建立若干层的导电金属线，不同层金属线之间由柱状金属相连。互连是复杂的布线方案，BEOL由不同的金属层、局部(Mx)、中间线、半全局线和全局线组成。总层数可以多达15层，而Mx层的典型数量在3~6层之间。这些层中的每层都包含（单向）金属线（组织在规则的轨道中）和介电材料。它们通过填充有金属的通孔结构垂直互连。后道的关键光刻层是V0/M1/V1/M2，其中V0/V1是通孔层，M1/M2是金属层，一般使用成熟制程节点即能满足需求。（3）FEOL和BEOL由MOL联系在一起。MOL通常由微小的金属结构组成，作为晶体管的源极、漏极和栅极的触点。这些结构连接到BEOL的局部互连层。虽然单元尺寸在微缩，但要连接到的引脚数量大致不变，意味着接触它们的难度更大。我们根据上文北京集电的环评报告，对其芯片生产过程中光刻机的分层使用情况进行测算，先进制程产线依然对传统机型有较高需求。根据北京集电报告信息，该芯片共使用了ArFi、ArF、KrF、i-line四种光刻机，分别对应芯片层、下层、中层和上层，采购数量和最高吞吐量采用官方数据，以下为假设参数：实际生产乘数表示实际生产过程中对最高产能的发挥程度，低阶机型需配合高阶机型作业，因此利用率由低至高逐渐提升，假定为50%-90%；芯片层制造采用多重曝光技术，会产生较大比例的产能折损，假定为10%；每月假定工作25天，每日假定工作12小时，良品率假定为80%。根据以上信息，可以测算出不同层的月层产量，对比该项目2万片/月的月产能，可估算出生产层数，其中使用ArFi光刻机的核心芯片层为单层，下层使用ArF光刻机生产5层，中层使用KrF光刻机生产20层，上层使用i-line光刻机生产5层，由此可见，先进制程产线依然对传统机型有较高需求。他山之石：步入ArFi时代，ASML实现弯道超车ASML于1984年由ASMI与飞利浦合资成立，双方各持股50%，得益于在多个技术节点的成功定卡位，ASML逐步实现对尼康、佳能的弯道超车，成为全球光刻机行业的绝对龙头，其跨越赶超可分为如下四个阶段：蛰伏储备期（1984-1988年）：完成技术积累并转向电控，同时日系厂商全面取代美系。初期的ASML基本承袭了飞利浦的光刻团队，在全球经济危机创造的窗口期内持续完成关键技术积累，并抛弃传统油压转向电控，推出PAS2500取得对外出货实绩，为未来公司的跨越赶超奠定了基础。20世纪80年代初期，以GCA为首的美系厂商一度垄断全球光刻机市场，同期基于日本在精密制造领域的既有优势和日本通产省大力发展集成电路的产业政策，尼康、佳能相继推出类似GCA的步进式光刻机，得益于更高的性价比和服务支持而迅速提升市占率，彼时GCA则受陷于蔡司镜头的产能和品质问题，而后尼康通过对g线镜头的改进迅速实现了对GCA的市场淘汰，1988年GCA被迫出售，尼康、佳能成为光刻机行业的绝对龙头。快速发展期（1989-1999年）：坚持传统技术迭代路径，凭借韩系厂商迅速提升市占。在尼康、佳能选择跨越式突破KrF而遇到诸多技术难题时，ASML选择传统路线，依次完成i线、KrF突破，进一步缩小了与日系厂商的差距。1991年ASML推出PAS5500，凭借高吞吐量带来的生产效率优势、平台化带来的生产配置便利性，迅速获得IBM、三星、海力士等厂商的订单，其中韩系客户开始大幅从日系厂商转向ASML。另外凭借对镜头供应商蔡司的成功改造和IPO带来的充足资金支持，ASML的市场占有率快速提升。跨越赶超期（2000-2013年）：突破ArFi+双晶圆系统，实现对尼康的全面超越。20世纪末，光刻行业开始探索ArF后提升精度的技术路线，尼康选择押注157nmF2激光，ASML则仍选择ArF光源，通过浸没式方案提升光刻分辨率。2003年ASML推出与台积电合作研发的全球首台浸没式132nm的ArFi光刻机TWINSCANXT:1150i，相比稍后尼康发布的157nm干式光刻机具有绝对生产优势，迅速取得市场突破。同期ASML发布全球首款双工作台光刻系统TWINSCAN，通过对两个平台的晶圆依次曝光/拆卸极大的提升生产效率，而ASML首款ArFi光刻机即搭载该光刻平台。凭借ArFi+双晶圆系统带来的生产效率和精度优势，ASML迅速实现对尼康的超越，至2009年市场占有率已达7成。绝对统治期（2014年至今）：垄断EUV市场，成为光刻机绝对龙头。2000年ASML通过收购SVG获得了EUV相关技术专利，同时取得了Intel的供应商资格，而Intel则一直为EUV方案的坚定支持者。此后ASML开始投入重金研发EUV光刻机，2014年ASML正式发布EUV光刻机，2018年商用版EUV光刻机开始出货，2019年台积电发布采用EUV方案的7nm工艺。随着尼康放弃EUV光刻机的研发，ASML成为了EUV光刻机的唯一供应商，取得了光刻机行业的绝对垄断地位。股价复盘：两次关键技术突破推动市值快速爬升。1995年ASML上市，经历了20世纪末手机、通讯网络拉动的需求扩张以及互联网泡沫破灭带来的股价波动，进入21世纪，ASML股价上行主要由数次关键技术和产品突破引领。2003年ASML发布搭载了双工作台系统的ArFi光刻机，随后逐渐取得对尼康的追赶超越，公司股价进入上行期；2014年ASML发布EUV光刻机，再一次取得关键技术突破，公司股价开启新一轮爬升；2019年EUV光刻技术正式商用，台积电、三星等陆续成为重要客户，公司股价快速攀升，目前ASML已成为全球市值最高的半导体厂商之一。ASML持续推动技术升级，在更高端的High-NA光刻机领域预计将保持领先优势。目前，EUV光刻机可以支持芯片制造商将芯片制程推进到3nm制程左右，但是如果要继续推进到2nm制程甚至更小的尺寸，就需要更高数值孔径（NA）的High-NA光刻机，ASML预计2023年年底将推出高数值孔径版本的EUV光刻机，具备更高的光刻分辨率，晶圆制造工艺有望持续升级。根据全球半导体观察报道，英特尔、台积电、三星、美光等头部客户有望最早使用High-NAEUV设备，目前，Lam、KLA、HMI和JSR及TEL等正与ASML合作，开发High-NAEUV材料与特用化学品。我们预计将会推动整体半导体行业的持续升级迭代。光刻机难在哪：光刻分辨率决定工艺区间，多重曝光技术拓展工艺边界关键指标：光刻分辨率、套刻精度和产能，工艺节点发展带来需求升级光刻机的精密技术分为三大部分：精密光学（光源、路径）、精密运动控制（自动调焦/调平、掩膜版的输送、自动对准）、精密的环境控制（温控、湿控、真空、减振系统等）。光刻工艺的关键指标为光刻分辨率（CD）、套刻精度和产能，决定了产品的定位和应用场景。其中：1）光刻分辨率：与光源波长、工艺系数因子和数值孔径有关，光刻分辨率表示将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即可以清晰投影最小图像的能力，一般光刻分辨率为MMP的一半，是决定光刻工艺水平的最关键指标，光刻分辨率满足基本公式CD=K1*λ/NA（投影式光刻），λ为光源波长，K1为工艺系数因子，NA为投影光刻物镜数值孔径，由此提高光刻分辨率需要缩短光源波长、降低工艺系数因子和提高物镜数值孔径。在现代光刻工艺中，主要由光源波长决定光刻分辨率区间，数值孔径决定光刻机能达到的最高工艺节点。根据衍射成像原理该系数的理论极限值为0.25，目前ASML的DUV光刻机最高K1已经达到约0.25，而EUV光刻机则约为0.35；数值孔径则与光源波长及光谱带宽、成像视场、光学设计和光学加工水平等因素有关，目前非浸没式DUV光刻机数值孔径的上限一般为1.0，浸没式DUV光刻机则一般为1.35，目前EUV光刻机数值孔径为0.33。ASML公司CEOPeterWennink宣布2023年有望推出业界首款具有0.55数值孔径（NA）的极紫外（EUV）光刻机，该款光刻机分辨率约为8nm，型号名为TwinscanEXE:5200，计划在2025年用于芯片量产。2）套刻精度（Overlay）：影响光刻工艺的良率以及多重曝光工艺的水平，指前后两道光刻工序之间图形成像的对准精度，在中高阶光刻工艺中，晶圆需经过多次对不同区域的曝光形成最终的特定电路，如果对准的偏差过大，就会直接影响产品的良率，一般需要套刻精度小于等于光刻CD值的1/3；同时使用多个掩膜板叠加曝光图形的多重曝光工艺可以实现对更高制程工艺的支持，但由于需要精准对齐曝光图案，套刻精度一般须达到目标光刻CD值的1/10以上。随着光刻机技术水平的提高，线宽的特征尺寸减小到纳米级时，对光刻机对准系统提出了更高对准精度的性能指标。高阶光刻机供应商一般会就套刻精度提供两个数值，一种是单机自身的两次套刻误差，另一种是两台设备（不同设备）间的套刻误差。套刻精度主要与工作台和掩模台的定位精度、光学对准精度、同步扫描精度等因素有关，定位精度、对准精度和同步扫描精度分别约为套刻精度的1/5-1/3。3）产能：是光刻机实现产业化的必要条件。提升光刻机的生产效率与诸多因素相关，需要优化光源强度、重复频率、曝光能量控制、同步扫描方式等技术环节，同时需要减少换片、步进和光学对准等环节的时间，其中稳定可靠的光源系统是提升光刻机产能的基础。目前光刻机的产能一般为100-300wph。4）步进精度：步进扫描光刻机的单场曝光采用动态扫描方式，即掩模版相对圆片同步完成扫描运动；完成当前场曝光后，圆片由工件台承载步进至下一扫描场位置，继续进行重复曝光；重复步进并扫描曝光多次直至整个圆片所有场曝光完毕。步进扫描光刻机需要时刻保持掩模台相对工件台的高速、高精度同步运动。为满足高产出率与高成品率的量产需要，通常要求运动台具备较高的速度和加速度，以及超高相对运动控制精度。以浸没式光刻机为例，其工件台扫描速度高达80mm/s，对应掩模台速度达到3.2m/s同时相对运动控制精度达到m量级。步进扫描光刻机需要解决的核心技术包括整机架构动态稳定性控制技术、同步高精度运动控制技术等。5）工艺节点：工艺节点(nodes)是反映集成电路技术工艺水平最直接的参数。目前主流的节点为0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。传统上(在28nm节点以前)，节点的数值一般指MOS管栅极的最小长度(gatelength)，也有用第二层金属层(M2)走线的最小间距(pitch)作为节点指标的。突破路线：远期自研EUV带来更高分辨率，中短期DUV多重曝光搭建先进制程未来发展：目前随着技术节点向90nm、65nm、40nm、28nm、16/14nm、10nm、7nm和5nm等逐渐缩放，无论它是否仍然是前一个节点的固定百分比，都需要提高分辨率和覆盖精度，需要改进如下数据：数值孔径(NA)增加、波长减少、更好的光刻胶、更好的掩膜版、更高精度的步进精度、更高精度的对准、更小的透镜畸变、更好的晶圆平整度等。我们认为，国内的先进光刻技术的发展有两条可以路线同时在进行：一条是迭代浸没式DUV光刻机，实现多重曝光功能，另一条是长期布局EUV光刻技术。1、EUV光源：ASML典型的沉浸式步进扫描光刻机工作方式，首先是激光器发光，经过矫正、能量控制器、光束成型装置等之后进入光掩膜台，上面放的就是设计公司做好的光掩膜，之后经过物镜投射到曝光台，晶圆上涂抹了光刻胶，具有光敏感性，紫外光就会在晶圆上蚀刻出电路。激光器负责光源产生，而光源对制程工艺是决定性影响的，随着半导体工业节点的不断提升，光刻机缩激光波长也在不断的缩小。现在DUV光刻机是目前大量应用的光刻机，波长是193nm，光源是ArF（氟化氩）准分子激光器，从45nm到10/7nm工艺都可以使用这种光刻机，但是7nm节点已经是DUV光刻的极限，所以Intel、三星和台积电都在7nm这个节点引入极紫外光（EUV）光刻技术，而GlobalFoundries当年也曾经研究过7nmEUV工艺，目前已经放弃。EUV的优势之一是减少了芯片处理步骤，而使用EUV代替传统的多重曝光技术将大大减少沉积、蚀刻和测量的步骤。193nm光源DUV其实是2000年代就开始使用的，然而在更短波长光源技术上卡住了，157nm波长的光刻技术对比193nm波长的进步只有25%，但由于157nm的光波会被193nm所用的镜片吸收，镜片和光刻胶都要重新研制，再加上当时成本更低的浸入式193nm技术已经出来，所以193nmDUV光刻一直用到现在。最初的浸入式光刻是在晶圆光刻胶上加1mm厚的水，水可以把193nm的光波长折射成134nm，后来不断改进高NA镜片、多光照、FinFET、Pitch-split以及光刻胶等技术，一直用到现在的7nm/10nm，但这已经是193nm光刻机的极限了。2、多重曝光：10nm节点及以下工艺制造目前较为普遍采用的是193nm波长浸没式光刻机+多重曝光(MultiplePatterning，MP)技术，也能实现10nm和7nm工艺生产。目前市场上已有多款EUV机型开始出货，三星、台积电均在7nm工艺中采用EUV光刻机。目前业内最先进的是采用波长13.5nm极紫外光的第五代EUV光刻机，可实现7nm工艺制程，但是EUV的技术要求极高，单台价值为1.2亿欧元。通过使用多个掩膜板进行多次曝光，可以实现对更高制程工艺的支持。然而采用多重曝光会带来两大问题：一是光刻加掩膜的成本上升，而且影响良率，多一次工艺步骤就是多一次良率的降低；二是工艺的循环周期延长，多重曝光不但增加曝光次数，而且增加刻蚀和CMP工艺次数。在多重曝光技术中，最重要的是套刻精度，多套图形必须非常精确地对准以避免电路错误。另外高对比度非线性光刻胶、合理的掩膜设计亦是该技术实现的关键。多重曝光工艺使得成本激增，随着曝光次数的增加，光刻机的生产效率、良品率、耗电量等都会受到影响，故会带来成本的激增，使得先进制程芯片的产业化效益降低，因此在对芯片性能没有极高要求的领域，使用多重曝光的工艺具有最优的性价比，预计其需求亦保持稳定。未来技术：无掩模光刻及NIL压印或为替代路径，但技术发展仍存在较高不确定性下一代光刻机面临诸多挑战，无掩模光刻及NIL压印或为潜在替代路径，国产厂商存在弯道追赶机会，但技术发展仍存在较高不确定性。目前ASML已确认推出高数值孔径版本的EUV光刻机，但由于激增的研发费用和耗电量，其是否会推出更高数值孔径的机型仍存在不确定性。同时研发下一代更短波长的光刻机依然面临诸多挑战，首先是高昂的研发费用和造价，其次是耗电量激增会持续推高晶圆的生产成本，另外还会面临量子极限的问题，由此无掩模光刻及NIL压印等其他技术路径逐渐进入行业视野。（1）无掩模光刻：指计算机控制的高精度光束聚焦投影至涂覆有感光材料的基材表面上，无需掩膜直接进行扫描曝光，分为带电粒子直写光刻（CPML）和激光直写光刻（OML）。无掩模光刻首先可以解决光掩模成本不断飞升的问题，根据IBS数据，16/14nm制程中掩膜成本约500万美元，7nm制程中掩膜成本则迅速升至1500万美元，成本占比由1.5%提升至2.5%，使用无掩模光刻有望优化相关成本结构。更重要的是，对于国内厂商而言，无掩模光刻可以避开EUV光刻的技术和专利壁垒。其中电子束光刻为行业主要关注的技术路径，美国纳米技术公司ZyvexLabs已公告其已经采用电子束光刻技术，实现0.7nm芯片的制造。不过在高端工艺大规模量产上，无掩模光刻技术仍存在不确定性：带电粒子直写光刻生产效率较低，单个晶圆扫描时间约10分钟，显著低于有掩膜光刻（普遍可以达到2片/分钟以上），且在大规模生产中会发生较为严重的邻近效应，严重影响图形的分辨率及精度；激光直写光刻技术受限于激光波长，在光刻精度上不及电子束、离子束等带电粒子直写光刻技术，较难应用于高端半导体制造领域。此外，需要开发和处理大数据量（Tb级）的能力。（2）纳米压印光刻（NIL）：指先在模具上刻上纳米电路图案，再将电路图案压印在晶圆上。压印本质上本质上是一种印刷复制技术，是将模板进行大量复制的技术，压印技术加工技术根据图形尺寸的大小可分为纳米压印技术和模压技术。纳米压印技术是华裔科学家美国普林斯顿大学周郁在1995年首先提出的，目前这项技术最先进的程度已经达到5nm以下的水平。纳米压印技术主要包括热压印（HEL）、极紫外压印（UV-NIL）（包括步进-闪光压印S-FIL）和微接触印刷（μCP）。NIL有如下特点：1）超高分辨率：没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象；2）高产量：可以像光学曝光那样并行处理，同时制作成成百上千个器件；3）高保真度：几乎无差别的将掩模板上的图形转移到晶圆上；4）低成本：不像光学曝光机那样需要复制的光学系统或像电子束曝光机那样需要复杂的电磁聚焦系统。——NIL采用机械复制，可以排除光学衍射的影响，理论上可以实现比光刻更高的分辨率，且成本比EUV要低很多（NIL压印研发成本约为EUV光刻的40%，耗电量约为EUV光刻的10%），此外无需先进镜头的支持。目前日本铠侠在该技术上领先，已将NIL技术应用到了15nmNAND闪存器上，并有望在2025年推出采用NIL技术的5nm芯片。铠侠的NIL工艺为解决高端芯片自主化生产提供了新的思路。——不过NIL压印在实现高制程芯片制造中依然面临诸多挑战，首先是高精度印压模具的加工，其次对模具与光刻胶接触和脱离的过程控制要求较高，在10nm以下复杂结构的制备中实现零偏差的难度较高，因此尚存在诸多技术问题有待突破。在芯片制造领域，纳米压印光刻更擅长制造3DNAND、DRAM等存储芯片。与微处理器等逻辑电路相比，存储制造商具有严格的成本限制，且对缺陷要求放宽，纳米压印光刻技术与之较为契合。但是纳米压印也会有一些问题，包括光刻速度慢、良率低，对准难度高、模板寿命低等。据佳能纳米压印设备未来路线图显示，佳能目前量产的纳米压印设备，能用于生产15纳米的芯片，公司预计到2025年，能进一步研发出生产5纳米芯片的设备，初期将率先导入生产NAND、DRAM等，未来还有望导入应用在PC和手机中的需要高阶先进制程的逻辑IC生产。光刻机产业链：上万个零部件，上千家供应商，全球协作打造高端设备零部件：光刻机生产制造的技术要求极高，ASML一台光刻机包含了10万个零部件半导体制程越先进，光刻设备便需要越精密复杂，包括高频率的激光光源、光掩模的对位精度、设备稳定度等，集合了许多领域的最尖端技术。光刻机之所以被称为集成电路产业皇冠上的明珠，是因为集中了目前人类在电子、光学、精密机械和控制领域的最尖端知识，它的主要系统包括曝光光源、光学系统、电系统、机械系统和控制系统，每个系统既要超高精密，又要完美配合，因此对制造和装配技能有极高的要求。1）光学系统：紫外光从光源模组(Source)生成之后，被导入到照明模组(illuminationmodule，该系统要对光的能量、均匀度、形状进行检测和控制)，光穿过光罩后，聚光镜模组(Optics)将影像聚焦成像在晶圆表面的光阻层上。2）传输系统：光罩模组可分为光罩传送模组(ReticleHandler)及光罩平台模组(ReticleStage)。光罩传送模组负责将光罩由光罩盒一路传送到光罩平台模组，而光罩平台模组负责承载及快速来回移动光罩；晶圆模组分为晶圆传送模组(WaferHandler)及晶圆平台模组(WaferStage)。3）曝光系统：晶圆传送模组负责将晶圆由光阻涂布机一路传送到晶圆平台模组，而晶圆平台模组（一般是双平台）负责承载晶圆及精准定位晶圆来曝光。光刻机生产制造的技术要求极高，ASML一台光刻机包含了10万个零部件。光刻机零部件涉及到上游5000多家供应商，比如德国的光学设备与超精密仪器，美国的计量设备与光源等。一台光刻机的主要部件包含测量台与曝光台、激光器、光束矫正器、能量控制器等11个模块。其中比较重要的零部件包括：1）激光器（Laser）：也就是光源的发源地，光刻机核心设备之一。2）束流输送（BeamDelivery）：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。矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。3）物镜（ProjectionLens）：物镜用来补偿光学误差，并将线路图等比例缩小。4）操作控制单元（OperateControlUnit）：操作控制设备的运行控制电脑面板。5）光源（Illuminator）：是光刻的利刃。光源的要求：有适当的波长（波长越短，曝光的特征尺寸就越小），同时有足够的能量，并且均匀地分布在曝光区。紫外光源的高压弧光灯（高压汞灯）的g线（436nm）或i线（365nm）；准分子激光（Excimerlaser）光源，比如KrF（248nm）、ArF（193nm）和F2（157nm），EUV光源（13.5nm）。6）硅片传输系统（WaferTransportSystem，WTS）：用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸，圆片尺寸越大，产率越高。曝光的特征尺寸越小，产率越高。7）隔震器（Airmounts）：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。光源系统：三大核心部件之一，光源波长决定了光刻机的工艺能力光源是高端光刻机核心部件之一，光源波长决定了光刻机的工艺能力。提高光刻分辨率的方法有三种：1）选用更小波长（𝝀）的光源，2）通过增大投影入射角及折射率更高的界面材料来提高数值孔径NA值，3）并通过分辨率增强技术以获取更低的常数k1。光刻机需要体积小、功率高而稳定的光源，更高输出功率，意味着曝光时间缩短和光刻机产能提高。近三十年以来，光源系统推动着五代光刻机的发展，更小波长的光源让光刻机分辨率提高了100倍。i线（365nm波长）及以上波长光刻机使用的光源是高压汞灯；KrF（248nm）和ArF/ArFi（193nm）光刻机使用准分子激光器作为光源；美国Cymer和日本GIGAPHOTON的最新型光源，输出功率已达到120W，脉冲的频率是6000Hz，脉冲持续时间在100～150ns。对应地，从g-Line光源（436nm）到激光激发等离子体光源（EUV=13.5nm），光刻分辨率提升100倍。从193nmArF到13.5nmEUV，光刻分辨率提升10倍以上。随着成像系统越来越复杂，里面涉及的棱镜与反射镜越来越多，NA值在逐渐提高、sinθ接近理论极限值。从ArF到ArFi，由于引入水介质（n=1.45）使得NA值提高了45%。EUV光源是目前最先进的光源，EUV光刻机采用的是CO2激发的LPP光源，主要由主脉冲激光器、预脉冲激光器、光束传输系统、锡液滴靶、锡回收器、收集镜等构成。EUV光源的主要工作方式为：在真空腔体中，将高温熔融并加电磁场使其处于等离子体状态的锡从喷枪中等间隔喷出，每个锡滴的大小保持在7.5-13微米左右。当锡滴经过中心区域时，安装在腔壁上的高分辨率相机捕捉到锡滴，反馈给计算机。计算机综合定位控制、激光光束轴、定时控制器等系统的数据，控制激光枪连续发射两个脉冲击中该锡滴体。第一个激光脉冲可使锡滴压扁为饼状，第二个脉冲紧随其后再次击中该锡滴，两次高能激光脉冲可将该锡滴瞬间加热至50000K，从而使锡原子跃升至高能态，并回归至基态释放出13.5nm的紫外光,经收集镜导入到曝光系统当中。EUV光源的制造难度极大，精度要求很高，目前全球只有美日两家公司可以生产。极紫外光的波长为13.5nm，这种光容易被包括镜头玻璃内的材料吸收，需要使用反射镜来代替透镜；普通打磨镜面的反射率还不够高，必须使用布拉格反射器（BraggReflector，一种复式镜面设计，可以将多层的反射集中成单一反射）。此外，气体也会吸收EUV并影响折射率，所以腔体内必须采用真空系统。EUV光的收集难度极大，因此转化效率也很低，这也是EUV如此耗电的原因之一。这种光非常容易被吸收，连空气都不透光，所以整个生产环境必须抽成真空；同时也无法以玻璃透镜折射，必须以硅与钼制成的特殊镀膜反射镜来修正光的前进方向，而且每一次反射仍会损失3成能量，但一台EUV机台得经过十几面反射镜，将光从光源一路导到晶圆，最后大概只能剩下不到2%的光线。反射镜的制造难度非常大，精度以皮米计（万亿分之一米）。超导磁场系统位于EUV腔外部，并能在EUV腔内产生高强度的磁场，从而保护收集器镜面不受锡等离子体产生的高速锡离子的影响。光学系统：三大核心部件之一，决定光刻机的分辨率以及套刻精度光学镜片是光刻机的核心部件之一，包括照明系统（光源加工）和投影物镜（高分辨成像）。高数值孔径的镜头决定了光刻机的分辨率以及套刻精度，其技术水平很大程度上代表了光刻机的技术水平。照明与投影物镜系统的精确性与稳定性，对于将掩膜版上的图案准确转移到晶圆上，起到决定性的作用，是光刻机的核心组件。ASML拥有不同数值孔径NA的透镜系统，理论极限值与材料折射率成正比，透镜系统长1~2米，对工艺要求极高。目前市面上最高级别的单反相机镜头加工产生的像差在200nm以上，而ASMLDUV高端投影物镜的像差则被控制在2nm内。最高级别的单反镜头可支持全画幅6千万像素分辨率，而ASML的投影物镜的分辨率则可支持1600亿画素。除了工艺加持，物镜内还有多片可动镜片，它们可以用来消除镜头组装及光刻生产等过程中所产生的各种像差，这些像差变形都是肉眼不可见的，但我们必须要把像差控制在2nm内，所以要把所有的误差都考虑进去并进行修正。因此，这些可动镜片覆盖了垂直修正、倾斜修正和多向修正。1、照明系统位于光源和掩模台之间，是光源高质量加工的关键。照明系统为投影物镜成像提供特定光线角谱和强度分布的照明光场。照明系统位于光源与投影物镜之间，这是复杂的非成像光学系统。照明系统的主要功能是为投影物镜成像提供特定光线角谱和强度分布的照明光场。照明系统包括光束处理、光瞳整形、能量探测、光场匀化、中继成像和偏振照明等单元。照明系统有几个组成部件：（1）光束处理单元：与光源相连，主要实现光束扩束、光束传输、光束稳定和透过率控制等功能，其中光束稳定由光束监测和光束转向两部分组成。（2）光瞳整形单元：光刻机需要针对不同的掩膜结构采用不同的照明模式以增强光刻分辨力，提高成像对比度。光瞳整形单元通过光学元件调制激光束的强度或相位分布，实现多种照明模式。（3）光场匀化单元：用于生成特定强度分布的照明光场。引入透射式复眼微镜片阵列，每个微镜片将扩束准直后的光源分割成多个子光源，每个子光源经过科勒照明镜组后在掩膜面叠加，从而实现高均匀性的照明光场。（4）中继镜：在掩膜面上形成严格的