常见的网站建设技术有哪些,临沂哪家做网站最好,昆明网页建站模板,做网站设计的有些什么职位来源#xff1a;公众号「驭势资本」半导体芯片制作分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节#xff0c;光刻作为IC制造的核心环节#xff0c;其主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上。由于光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平#xff0c;光刻成为IC制造中… 来源公众号「驭势资本」半导体芯片制作分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节光刻作为IC制造的核心环节其主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上。由于光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平光刻成为IC制造中最复杂、最关键的工艺步骤光刻的核心设备——光刻机更是被誉为半导体工业皇冠上的明珠。光刻半导体制造的核心工艺光刻工艺是指光刻胶在光照作用下将掩模版上的图形转移到硅片上的技术。光刻的原理起源于印刷技术中的照相制版是在一个平面上加工形成微图形。在半导体芯片制作过程中电路设计图首先通过激光写在光掩模版上然后光源通过掩模版照射到附有光刻胶的硅片表面引起曝光区域的光刻胶发生化学效应再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域使掩模版上的电路图转移到光刻胶上最后利用刻蚀技术将图形转移到硅片上。光刻根据所采用正胶与负胶之分划分为正性光刻和负性光刻两种基本工艺。在正性光刻中正胶的曝光部分结构被破坏被溶剂洗掉使得光刻胶上的图形与掩模版上图形相同。相反地在负性光刻中负胶的曝光部分会因硬化变得不可溶解掩模部分则会被溶剂洗掉使得光刻胶上的图形与掩模版上图形相反。为了追求更小的工艺节点在普通光刻之上已开发出多重图案光刻工艺用来增加图案密度最简单的多重图案工艺是双重图案它将特征密度提高了两倍。最广泛采用的双图案化方案之一是双曝光/双蚀刻LELE。该技术将给定的图案分成两个密度较小的部分。通过在光刻工艺中曝光光刻胶然后蚀刻硬掩模将第一层图案转移到下面的硬掩模上。然后将第二层图案与第一层图案对准并通过第二次光刻曝光和刻蚀转移到硬掩模上。最终在衬底上进行刻蚀得到的图案密度是原始图案的两倍。自对准双重图案(SADP)技术是通过沉积和刻蚀工艺在心轴侧壁上形成的间隔物。然后通过一个额外的刻蚀步骤移除心轴使用间隔物来定义所需的最终结构因此特征密度增加了一倍。SADP技术主要用于FinFET技术中的鳍片形成、线的互连以及存储设备中的位线/字线的形成其关键的优点在于避免了在LELE期间时可能发生的掩模不对齐。将SADP加倍可以得到四重图案化工艺(SAQP)。193nm 浸没式光刻的SADP可以实现~20nm的半间距分辨率但是SAQP可以实现~10nm的半间距分辨率。光刻工艺定义了半导体器件的尺寸是IC制造中的关键环节。作为芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤光刻工艺难度最大耗时最长芯片在生产过程中一般需要进行20~30次光刻耗费时间约占整个硅片工艺的4060%成本极高约为整个硅片制造工艺的1/3。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。光刻机光刻工艺的核心设备光刻机是光刻工艺的核心设备价值含量大、技术要求高。光刻是IC制造中的关键环节工艺难度最大对技术和设备的要求也最高。光刻机作为光刻环节的核心设备也是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备涉及精密光学、精密运动、高精度环境控制等多项先进技术其设备投入相应最多目前世界上最先进的ASML EUV光刻机单价达到近一亿欧元。光刻机工作原理光刻机是一种投影曝光系统由紫外光源、光学镜片、对准系统等部件组装而成。在半导体制作过程中光刻设备会投射光束穿过印着图案的掩模及光学镜片经物镜补偿各种光学误差将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上然后使用化学方法显影得到刻在硅片上的电路图。在光刻机内部结构中激光器作为光源发射光线物镜系统补偿各种光学误差是光刻机的核心设备也是光刻机造价昂贵的重要原因光刻机物镜系统一般由1520个直径为200300mm的透镜组成。光刻机的演变按半导体制造工序分类光刻设备有前道和后道之分。其中前道光刻机又可根据下游适用产品分为面板光刻机和芯片光刻机而后道光刻机则为封装光刻机。封装光刻机对于光刻的精度要求远远低于前道光刻要求因此价值量也较低不属于本文探讨之列。而面板光刻机与芯片光刻机工艺类似只不过不再作用于晶圆而是作用于薄膜晶体管对技术精度要求也不如后者只需要达到微米级即可。本文主要关注IC前道制造光刻技术的演变。尺寸更小的芯片在电子速度一定的情况下信号传递的速度就会越快在一定时间内传输的信息就会越多。随着芯片尺寸的变小相同面积下可以承载更多的晶体管高集成度则意味着芯片的高性能。可见晶体管的尺寸对于芯片的性能具有重大意义而光刻机决定了晶体管的尺寸。随着半导体产业的向前发展不断追求着尺寸更小、速度更快、性能更强的芯片摩尔定律提出当价格不变时集成电路上可容纳的元器件的数目约每隔18-24个月便会增加一倍性能也将提升一倍。正是半导体行业对于芯片的不断追求推动了光刻机产品的不断升级与创新。按曝光方式分类光刻机可分为直写式光刻、接近接触式光刻和投影式光刻三种。直写式由于曝光场太小通常用于制作掩模板接近接触式是指光刻胶与掩模板接触或略有缝隙受气垫影响成像精度较低投影式是指在掩膜板与光刻胶之间使用光学系统聚集光实现曝光进一步提高分辨率。芯片追求更快的处理速度则需要缩短晶体管内部导电沟道的长度而光刻设备的分辨率决定了IC的最小线宽。因而光刻机产品的升级就势必要往更小分辨率水平上发展,光刻机演进过程是随着光源改进和工艺创新而不断发展的。根据所用光源改进和工艺创新光刻机经历了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。前两代均为接触接近式光刻机曝光方式为接触接近式使用光源分别为g-line和i-line接触式光刻机由于掩模与光刻胶直接接触所以易受污染而接近式光刻机由于气垫影响成像精度不高第三代为扫描投影式光刻机利用光学透镜可以聚集衍射光提高成像质量将曝光方式创新为光学投影式光刻以扫描的方式实现曝光光源也改进为KrF激光实现了跨越式发展将最小工艺推进至180-130nm1986年ASML首先推出第四代步进式扫描投影光刻机采用ArF激光光源通过实现光刻过程中掩模和硅片的同步移动和缩小投影镜头将芯片的最小工艺节点提升一个台阶。此外双工作台、沉浸式光刻等新型光刻技术的创新与发展也在不断提升第四代光刻机的工艺制程水平以及生产效率。2001年ASML推出了双工作台系统将测量、对准与光刻流程相分离实现曝光与预对准同时进行大幅提高了生产效率。而浸没式光刻工艺更成为ASML强势崛起的转折点。与传统光刻技术相比浸没式光刻技术需要在光刻机投影物镜最后一个透镜下表面与硅片光刻胶之间充满高折射率的液体以提高分辨率目前主要有三种液体浸没方法硅片浸没法工作台浸没法局部浸没法业界多采用局部浸没法。尼康、佳能由盛转衰ASML强势崛起。在45nm制程下ArF光刻机遇到了分辨率不足的问题业内对下一代光刻机的发展提出了两种路线。一是开发波长更低的157nmF2准分子激光做为光源二是林本坚台积电研发副总经理提出的浸没式光刻。2002年以前业界普遍认为193nm光刻无法延伸到65nm技术节点而157nm将成为主流技术但157nm光刻技术同样遭遇到了来自光刻机透镜的巨大挑战。在时代的十字路口上TSMC提出了193nm浸入式光刻的概念尼康、佳能则倒向了开发波长更低的光源随着ASML与台积电合作开发于2007年成功推出第一台浸没式光刻机。193nm光波在水中的等效波长缩短为134nm足可超越157nm的极限193nm浸入式光刻的研究随即成为光刻界追逐的焦点。到2010年193nm液浸式光刻系统已能实现32nm制程产品并在20nm以下节点发挥重要作用浸没式光刻技术凭借展现出巨大优势成为EUV之前能力最强且最成熟的技术。从液浸式到EUV第五代光刻机迎头赶上。前四代光刻机使用都属于深紫外光ArF已经最高可以实现22nm的芯片制程但在摩尔定律的推动下半导体产业对于芯片的需求已经发展到14nm甚至是7nm浸入式光刻面临更为严峻的镜头孔径和材料挑战。第五代EUV光刻机采用极紫外光可将最小工艺节点推进至7nm。EUV的发展过程面临有五大问题这也是EUV造价极其昂贵的重要原因。第一真空环境约束。光蚀刻系统制造的精细程度取决于很多因素。但是实现跨越性进步的有效方法是降低使用光源的波长。几十年来光刻机厂商的做法都是将晶圆曝光工具从人眼可见的蓝光端开始逐渐减小波长直到光谱上的紫外线端UV。ASML最终选择的13.5nm波长射线可以轻易地被很多材料吸收所以EUV光刻机只能在真空下运行。第二弯曲射线。由于EUV能被玻璃吸收所以必须在机器中改变其走向如此一来则必须用反射镜来代替透镜而且必须使用布拉格反射器一种多层镜面可以将很多小的反射集中成一个单一而强大的反射。第三强大光源。一个EUV光束在经过长途跋涉后只有不到2%的光线能保留下来。为了减少成本射线光源必须足够强这个强度需要达到中心焦点功率达到250W。这种强度的光可以使机器每小时处理约125个晶片其批量处理的效率仅有现今使用的高级193nm技术的一半。目前全球最领先的技术也不过是能够在实验室中实现200W功率ASML2017年上半年实现。第四独特光刻胶。现有的光刻胶是化学放大光刻胶由分子链聚合而成可以增强入射光子的效果。但这些材料对EUV的吸收效果并不好。此外由于入射光引起的放大反应在材料内部散射光刻胶形成的图像会有轻微模糊。第五保护掩模板。在193nm液浸式光刻机中掩模版由一层被薄膜即护膜保护着这层薄膜距离掩模版有一点悬空的距离像保鲜膜一样紧绷在上方其作用在于当灰尘落在护膜上时影响聚焦而不能在晶圆上形成图案因此不会损坏整个晶圆。但193nm的护膜不适用于13.5nm的光EUV会损坏护膜若不使用护膜则很可能是最终良率为0。所以解决这个难题的关键在于研究制造出能够抵抗EUV破坏的护膜。事实上ASML从1999年就已开始EUV光刻机的研发工作但由于上述五大难题难以支付高昂的研发费用其三大客户三星、台积电和英特尔加大投资52亿欧元积极支持EUV的研发和生产。原计划在2004年推出产品直到2010年ASML才研发出第一台EUV原型机2016年才实现下游客户的供货比预计时间晚了十几年也正是这一滞后使得摩尔定律的更替时间从理论上的18-24个月延长至3-4年。目前ASML在EUV技术上具有绝对领先地位。复盘ASML如何通过光刻产业链垄断全球光刻机市场浸没式技术与EUV光刻产业链构建成为ASML发展的两大里程碑事件。上世纪50年代末仙童半导体发明掩膜版曝光刻蚀技术拉开了现代光刻机发展的大幕在ASML成立之前光刻机光源还是以高压汞灯光源g-line/i-line为主ArF、KrF等准分子激光光源概念刚刚被提出光刻机工艺技术从接触式、接近式发展到步进投影式。目前ASML在浸没式DUV光刻机市占率达97%EUV光刻机市占率100%按营收计算为全球第二大半导体设备公司。复盘ASML过往36年发展历程面对美、日等竞争对手ASML主要通过两个关键节点成为全球霸主分别为浸没式系统的使用和EUV产业链的构建。根据这两个节点可将ASML的发展分为三个过程:1、1984年成立到20世纪末凭借PAS5500系列在i-line、干法准分子光源光刻领域占有一席之地2、21世纪初的10年依靠浸没式光刻技术弯道超车一举击溃尼康成为全球光刻机头号厂商3、2010年以后打通EUV产业链推出EUV光刻机成为高端光刻市场绝对垄断玩家。ASML成立之前光刻机即将进入准分子激光时代美国三雄称霸光刻市场i-line与步进投影为光刻主流技术。1960年代位于加州硅谷的仙童半导体发明了至今仍在使用的掩膜版光刻技术。70年代初Kasper仪器公司发明接触式对齐机台但随后接近式光刻机台逐渐淘汰接触式机台。1973年拿到美国军方投资的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系统搭配正性光刻胶非常好用而且良率颇高因此迅速占领了市场。1978年GCA推出真正现代意义的自动化步进式光刻机(Stepper)GCA8500分辨率比投影式高5倍达到1微米。1980年尼康发售了自己首台商用Stepper NSR-1010G1.0um拥有更先进的光学系统光源还是i-line极大提高了产能。与GCA的stepper一起统治主流市场。1982年IBM的Kanti Jain开创性的提出准分子激光光刻光源为KrF和ArF。美国三雄统治1980年之前的光刻机市场日本佳能、尼康抓住产业转移机会接棒。美国作为半导体技术的诞生地自然汇集了光刻机产业早期的垄断霸主1980年代前的全球光刻机市场主要被三家美国光刻机厂商GCA、Ultratech和PE垄断。1980年代末全球半导体市场遭遇危机日本的尼康和佳能抓住同时期日本半导体产业大发展的机遇取代三家美国光刻机厂商成为国际光刻机市场的主导者。尤其是尼康从80年代后期开始市场占有率便超过50%一直到ASML崛起为止佳能则凭借对准器的优势也占领了一席之地。而三家美国光刻机厂商GCA、Ultratech和PE则均因为严重的财务问题而被收购或被迫转型。1984-2000PAS5500帮助公司立足全球光刻市场ASML成立于1984年脱胎于飞利浦实验室。ASML成立于1984年由菲利普和覆盖沉积、离子注入、封装设备的ASMI合资创办主营业务来源于菲利普原本计划关停的光刻设备业务。在ASML成立的1984年尼康和GCA分别占国际光刻机市场三成Ultratech占约一成Eaton、PE、佳能、日立等均不到5%。1988年ASML跟随飞利浦在台湾的合资流片工厂台积电开拓了亚洲业务彼时刚刚成立不久的台积电为ASML送来急需的17台光刻机订单使得ASML的国际化拓展初见成功。尽管如此在异常激烈的市场竞争下初创期的ASML还不能完全自立产品没有明显技术优势客户数量屈指可数。在1980年代末的半导体市场危机中由于投资巨大且短期内难以看到回报ASML的两大股东ASMI和飞利浦均有退出投资的倾向但最后ASMI将股权出售给飞利浦公司后者则继续支持ASML的光刻设备业务。凭借PAS5500系列获得突破开拓新兴市场与日本厂商差距缩小。1991年ASML推出PAS5500系列光刻机这一设计超前的8英寸光刻机具有业界领先的生产效率和精度成为扭转时局的重要产品。PAS5500为ASML带来台积电、三星和现代等关键客户通过对PAS5500大多数客户建立起对ASML产品的深厚信任并决定几乎全部改用ASML的光刻设备到1994年公司市占率已经提升至18%。1995年ASML分别在阿姆斯特丹及纽约上市。ASML利用IPO资金进一步扩大研发与生产规模其中扩建了位于荷兰埃因霍温的厂房现已成为公司新总部。市场策略方面尼康与佳能正携上位之余威加速占领美国市场。而ASML则避其锋芒将重点放在新兴市场在欧洲、中国台湾、韩国等地区攻城略地。由于ASML多方面主动出击公司获得了极大的发展。1999年公司营收首次突破10亿欧元达到12亿欧元而2000年时营收更是翻了两倍以上达到27亿欧元。2001-2010双工作台技术提升效率先发浸没式系统打败尼康、佳能Twinscan双工件台系统将生产效率提升35%精度提升10%。在2000年前的光刻设备只有一个工作台晶圆片的对准与蚀刻流程都在上面完成。ASML公司在2001年推出的Twinscan双工件台系统在对一块晶圆曝光的同时测量对准另外一块晶圆从而大大提升了系统的生产效率和精确率并在第一时间得到结果反馈生产效率提高大约35%精度提高10%以上。双工件台对转移速度和精度有非常高的要求ASML独家开发出磁悬浮工件台系统使得系统能克服摩擦系数和阻尼系数其加工速度和精度明显超越机械式和气浮式工件台。双工件台技术几乎应用于ASML所有系列的光刻机成为ASML垄断的隐形技术优势。浸没式系统打破光源波长瓶颈。光刻设备中最初采用的干式微影技术沿用到上世纪90年代镜头、光源等一直在改进然后遇到瓶颈始终无法将光刻光源的193nm波长缩短到157nm。为缩短光波长度全球半导体产业精英及专家提出了多种方案其中包括157nm F2激光、电子束投射(EPL)、离子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光。但这些方案要么需要增大投资成本要么以当时的技术难以实现比如极紫外EUV光刻。各大厂家都只能对干法系统进行微小升级且均无法在市场中占据完全主导地位。2002年时任台积电研发副总、世界微影技术权威林本坚博士提出了一个简单解决办法放弃突破157nm退回到技术成熟的193nm把透镜和硅片之间的介质从空气换成水由于水对193nm光的折射率高达1.44那么波长可缩短为193/1.44134nm大大超过攻而不克的157nm。ASML率先突破浸没式系统自此引领全球光刻市场。由于尼康已经在157nm F2激光和电子束投射(EPL)上付出了巨大的沉没成本因此没有采纳这一捷径。而ASML抓住机会决定与台积电合作在2003年开发出了首台样机TWINSCAN AT:1150i成功将90nm制程提升到65nm。同期尼康宣布采用干式微影技术的157nm产品和电子束投射EPL产品样机研制成功。但阿斯麦的产品相对于尼康的全新研发属于改进型成熟产品半导体芯片厂应用成本低设备厂商只需对现有设备做较小的改造就能将蚀刻精度提升1-2代而且缩短光波比尼康的效果还好多缩短25nm。因此几乎没有厂商愿意选择尼康的产品尼康溃败由此开始。在后期尼康也选择调转方向研发浸没式光刻系统并推出NSR-S622D、NSR-S631E、NSR-S635E等产品但半导体产业更新换代迅速而新产品总是需要至少1-3年时间由前后道多家厂商通力磨合。ASML在浸没式系统上的领先比尼康多了时间去改善问题和提高良率。导致尼康产品可靠性始终落后于ASML也是从此刻代表日本高端光刻机的尼康逐渐败给了日后的高端光刻龙头ASML。利用浸没式系统持稳固竞争优势。2006年ASML首台量产的浸入式光刻机TWINSCAN XT:1700i发布该光刻机比之前最先进的干法光刻机分辨率提高了30%可以用于45nm量产。2007年阿斯麦配合台积电的技术方向发布首个采用193nm光源的浸没式光刻系统TWINSCAN XT:1900i由此一举垄断市场。得益于浸没式光刻ASML光刻机销量占全球销量比例从2001年的25.0%上升2010年的68.9%。ASML和台积电的合作也更为紧密。反过来选择ASML产品的台积电、三星、英特尔也在之后不断突破制程束缚成为世界半导体制造豪强。随着工艺进步浸没式光刻的诸多缺点也被ASML一一解决缺陷率和产能都有较好改善目前仍未主流的光刻机型之一。积极改进浸没式系统推进制程极限至7/5nm。到了2010年后制程工艺尺寸进化到22nm已经超越浸没式DUV的蚀刻精度。在EUV技术取得应用突破之前包括ASML在内的相关企业也在积极改进浸没式光刻系统。从设备、工艺和器件方面多管齐下开发出高NA镜头、多光罩、FinFET、两次曝光、Pitch-split、波段灵敏光刻胶等技术。目前对于ASNL最先进的浸没式光刻机Twinscan NXT:2000i在各种先进工艺与材料的配合下制程极限已达7/5nm。这使得浸没式光刻系统在EUV面世前得以继续延续摩尔定律并促进ASML进一步拉开与尼康、佳能的差距。中国首台Twinscan NXT:2000i已于2018年12月正式搬入SK海力士位于无锡的工厂。2010-至今打通EUV光刻产业链成为全球EUV光刻机独家供应商13.5nm引领下一代光源新技术面临巨大挑战。下一代 EUV光刻系统采用波长为13.5nm的极紫外光作为曝光光源是之前193nm的1/14。该光源被称为激光等离子体光源是通过用高功率二氧化碳激光器激发锡Sn金属液滴通过高价Sn离子能级间的跃迁获得13.5nm波长的辐射。除上文所述问题外该光源的稳定性和聚光元件的保护也是巨大的挑战因为用于激发的激光器本身存在抖动激光与等离子体作用时产生的污染将会对光源聚光元件造成影响和破坏。EUV光源的技术基本只掌握在美国 Cymer公司手中。EUV光刻机——顶级科学与顶级制造的结合。EUV波长只有13.5nm穿透物体时散射吸收强度较大这使得光刻机的光源功率要求极高此外机器内部需是真空环境避免空气对EUV的吸收透镜和反射镜系统也极致精密配套的抗蚀剂和防护膜的良品率也需要更先进技术去提升一台EUV光刻机重达180吨超过10万个零件需要40个集装箱运输安装调试都要超过一年时间。总之EUV光刻机几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。所以EUV不仅是顶级科学的研究也是顶级精密制造的学问。2010年首发EUV光刻机目前成为全球唯一一家EUV光刻机供应商。2010年ASML首次发售概念性的EUV光刻系统NXW:3100从而开启光刻系统的新时代。2013年ASML发售第二代EUV系统NXE:3300B但是精度与效率不具备10nm以下制程的生产效益2015年又推出第三代EUV系统NXE:3350。2016年第一批面向制造的EUV系统NXE:3400B开始批量发售NXE:3400B的光学与机电系统的技术有所突破极紫外光源的波长缩短至13nm每小时处理晶圆125片或每天可1500片连续4周的平均生产良率可达80%兼具高生产率与高精度。2019年推出的NXE:3400C更是将产能提高到每小时处理晶圆175片。目前ASML在售的EUV光刻机包括NXE:3300B和NXE:3400C两种机型。EUV成功来源于ASML光刻机上游产业链的贯通。在EUV光刻机超过10万个零件之中来自硅谷光科集团的微激光系统、德国蔡司的镜头和Cymer的EUV光源是最重要的三环。1997年英特尔牵头创办了EUV LLC联盟随后ASML作为惟一的光刻设备生产商加入联盟共享研究成果2000年ASML收购了美国光刻机巨头SVGL(硅谷光刻集团)2012年ASML收购EUV光源提供商Cymer此前Cymer就和ASML合作已久2016年ASML公司取得光学镜片龙头德国蔡司24.9%的股份以加快推进更大数值孔径NA的EUV光学系统。这些收购使得ASML几乎参与了整个EUV光刻上游产业链。但收购美国企业的过程使ASML必须同意在美国建立一所工厂和一个研发中心以此满足所有美国本土的产能需求另外还需要保证55%的零部件均从美国供应商处采购并接受定期审查这也为日后ASML向中国出口光刻机受到美国管制埋下伏笔。EUV设备在下游市场供不应求。由于上游零部件供应不足如蔡司的镜头ASML的EUV光刻机产量一直不高而下游市场对7nm制程的需求却十分旺盛。2011年英特尔、三星和台积电共同收购ASML 23%的股权帮助ASML提升研发预算同时也享受EUV光刻机的优先供应权。近年来ASML已经出货的EUV光刻机主要优先供应给台积电、三星、英特尔等有紧密合作关系的下游厂商。目前所有中国企业中只有中芯国际向ASML订购了一台EUV光刻机原计划于2019年交付但由于2018年底ASML的元件供应商Prodrive工厂的部分库存、生产线被火灾摧毁再加上2020年疫情原因直到现在ASML的EUV设备还未向中芯国际交付。目前预计这批设备最快在2020年底前完成装机。ASML光刻机已经覆盖EUV销量、价格节节攀升。自2010年第一台EUV光刻机面世起ASML的EUV光刻机出货量呈增长趋势尤其是2017年开始大幅增加产能到2019年已经实现年出货量26台。而如上文所述EUV十分复杂的结构与系统使得其单价也逐年攀升2019年ASMLEUV光刻机小猴26台占光刻机销售量的11.4%销售金额达30亿欧元占光刻机销售金额的33.6%。EUV光刻机单价更是达到了惊人的1.15亿欧元/台约合1.3亿美元9.2亿人民币是浸没式光刻机价格的两倍。光刻机市场上游供给不足下游需求强劲光刻机上下游市场。从光刻机结构来看它由光源、光学镜片和对准系统等部件组成其工艺中十分关键的两个元素是光刻胶和掩膜版。而光刻处理后的晶圆片再经刻蚀和沉积等过程制成芯片成品用于电脑、手机等各种设备之中。下游旺盛的终端市场需求决定了光刻设备必然也面临巨大的需求。目前光刻系统市场供给远远不足需求很重要的原因在于上游原材料/部件精度不符要求譬如上文总结出的EUV面临的五大问题光源功率、掩膜版、光刻胶、镜头等都是上游技术难关。除了来自蔡司的镜头的供应不足之外还有设备上的芯片保护膜仍需要改进。此外光刻作用基础硅片/硅基材纯度要求极高通常11个9即99.999999999%的级别以上。光刻设备厂商的下游客户主要在于存储和逻辑芯片制造商。我们认为未来下游内存市场需求将继续保持强劲存储芯片尤其是DRAM价格仍然持续增长。全球局势三分天下高端市场一家独大从全球角度来看高精度的IC芯片光刻机长期由ASML、尼康和佳能三家把持从2011-2017历年全球光刻机出货比例可以看出ASML尼康佳能三家公司几乎占据了99%的市场份额其中ASML光刻机市场份额常年在60%以上市场地位极其稳固。顶级光刻机市场ASML一家独大。2011-2017年顶级光刻机累计出货量中EUV完全由ASML垄断出货来源达到100%ArFi光刻机超过80%也都由ASML提供。英特尔、台积电、三星用来加工14/16nm芯片的高端光刻机均来自ASML。相对而言尼康和佳能的先进制程远落后于ASML主要市场在中低端最大优势仅在于成本很多同类机型价格甚至低于ASML的1/2。ASML高端光刻机垄断者ASML Holding NV(ASML)是世界领先的半导体设备制造商之一总部位于荷兰向全球复杂集成电路生产企业提供领先的综合性关键设备。它为亚洲欧洲和美国的半导体生产商提供提供光刻机及相关服务。它还为客户提供一系列的支持服务包括先进的工艺和产品应用知识并以二十四小时服务支持。2006年ASML交付第一台光刻机2007年成功推出第一台浸没式光刻机TWINSCANXT:1990i采用折射率达到1.44的去离子水做为媒介实现了45nm的制程工艺并一举垄断市场。当时的另两大光刻巨头尼康、佳能主推的157nm光源干式光刻机被市场抛弃。外延并购加速研发。ASML为加速EUV发展ASML于2013年5月以31亿欧元收购Cymer。2016年ASML终于实现首次发货EUV并预计在2018年可实现最新的微处理器和存储器的批量生产。同时2016年6月收购拥有最先进的电子束检测技术厂商HMI与ASML现有曝光技术互补有助于控制半导体产业良率。2017年以24.8%股权收购镜头老字号生产商卡尔蔡司进一步为其EUV光刻设备的镜头部分提供竞争力。公司的主要产品是光刻系统也称为扫描仪有PAS5500和TWINSCAN系列产品从低端到高端系列依次为XTNXT和NXE。另外近年来还推出测量工具YieldStar。其技术实力在光刻设备领域遥遥领先根据半导体行业观察数据45nm以下的高端光刻机的市场中占据80%以上的份额尤其在极紫外光EUV领域目前处于垄断地位。ASML 2018Q1实现营收22.85亿欧元主要来自系统销售占比73%其中ArF浸没式设备贡献72%的营收KrF型以14%的贡献居于第二。平均来说ASML中高端设备单台售价超过7000万美元高端EUV设备单台售价超过1亿美元。从Q1业务拆分情况看出高价值的EUV销售量仅一台就贡献7%的营收公司预计2018全年EUV收入将达到21亿欧元。从终端市场看来主要下游市场在于存储芯片营收1227百万欧元占比达53.7%较之2017年的32.8%有很大提升。FY2017前三大下游市场是韩国、台湾、美国占比分别达到34%、24%、17%主要原因在于ASML的三大主要客户为三星、台积电和英特尔。大陆市场位居第四营收占比为10%达9.21亿欧元。到2018Q1格局发生了较大变化韩国市场比重跃升到51%主要原因在于三星加大EUV投资。大陆市场购买高端机型的限制逐渐放开占比提升到20%美国和台湾市场占比有较大下滑。公司营业收入和净利润始终保持较高水平但变化幅度较大。自2016年真正意义上推出EUV设备后营收和净利润实现大幅增长。自2013年以来毛利率和净利率均实现稳步增长18Q1毛利率达48.7%净利率达23.6%。其中系统设备尤其是光刻设备贡献在各个季度均超过 60%2018Q1设备营收环比有所下降但同比实现 37.2%增长YoY。光刻机订单量与订单额有类似的趋势。ASML在光刻设备市场具有不可撼动的霸主地位尼康和佳能难以与之抗衡的一大重要原因在于其积极研发和开放式创新发展思路在新品研发和工艺改进上充分发挥其网络创新优势比佳能和尼康的“孤岛式”研发模式更具效率和灵活性。尼康发挥面板光刻比较优势尼康7731.T是日本的一家著名相机制造商成立于1917年当时名为日本光学工业株式会社。1988年该公司依托其照相机品牌更名为尼康株式会社。最早通过相机和光学技术发家1980年开始半导体光刻设备研究1986年推出第一款FPD光刻设备如今业务线覆盖范围广泛。尼康既是半导体和面板光刻设备制造商同时还生产护目镜眼科检查设备双筒望远镜显微镜勘测器材等健康医疗和工业度量设备。在FPD光刻方面尼康则可发挥其比较优势尼康的机器范围广泛从采用独特的多镜头投影光学系统处理大型面板到制造智能设备中的中小型面板为全球领先的制造商提供多样化的机器。尼康FY2017营收5.25千亿日元同比下降7.2%在成像产品和精密设备光刻设备领域利润均有增长经营利润达4.15百亿日元增长123.2%归母净利润达2.23百亿日元增长56.7%。2018Q3营收下降11%由于成像产品和FPD及芯片光刻设备单位产品销售额下降但成像产品业务高附加值产品和精密设备领域的重大技术突破带来了经营利润上涨。预计全年营收下降7%主要在于FPD光刻设备单位产品销售额下降但成像产品和芯片光刻设备扭转了上半年的败局使得经营利润增加124%。尼康虽然在芯片光刻技术上远不及ASML目前的产品还停留在ArF和KrF光源且售价也远低于ASML和EUV更加难以相提并论。但目前其盈利性也很大程度上依赖光刻设备尤其是芯片光刻设备。虽然研发投入也持续增长但其中对于光刻设备的投入比重却在下降。佳能光电为主光刻为辅佳能CAJ.N是日本的一家全球领先的生产影像与信息产品的综合集团1937年凭借光学技术起家、并以制造世界一流相机作为目标此后逐渐进入复印机、打印机、光刻设备和机器视觉市场如今业务已经扩展到各个领域并成功全球化。佳能目前有四大业务线即办公设备包括打印机、复印机等、成像系统相机及其零配件、工业设备包括芯片光刻机、面板光刻机、网络摄像头和商用打印机等以及医疗系统包括视网膜相机、角膜曲率机等。佳能最早从1970年开始光刻相关业务但近几年来并无技术突破推出的新产品均非光刻设备领域。2018Q1公司销售不振但盈利情况仍有提升营业收入为9.607千亿日元同比下降1.2%但净利润同比上升3.7%达571亿日元毛利率和净利率分别达46.3%和5.9%。原因在于光刻设备拉动抵消镜头/相机收入下降的部分整体收入与上年持平。受制于某些临时因素图像系统和医疗业务营收分别下降8.4%和11.1%营业利润分别下降15%和增长6%工业领域业务营收增长16.1%营业利润增长113.6%。单看佳能工业设备销售业绩整体上处于上升态势但光刻设备的比重越来越低尽管从2016年到2018年光刻设备尤其是芯片光刻设备的销售量有显著上升但价值量贡献却并无相同趋势。FY2017其他工业设备如网络摄像头、商用打印机和三维机器视觉系统加总销售额贡献超过80%反映出佳能在光刻设备市场上议价能力不足深层原因还是技术精度未能达到高端市场要求仅能通过价格优势获得销售量的提升。国产化进程前路漫漫曙光微现光刻机研发的技术门槛和资金门槛非常高也正是因此能生产高端光刻机的厂商非常少到最先进的14-7nm光刻机就只剩下ASML能生产日本佳能和尼康已经基本放弃EUV光刻机的研发。光刻机国产化仍有很长的路要走处于技术领先的上海微电子装备有限公司已量产的光刻机中性能最好的是90nm光刻机制程上的差距非常大国内晶圆厂所需的高端光刻机只能完全依赖进口。但在《瓦森纳协定》的封锁下高端光刻机在中国被禁售即使中端光刻机也有保留条款——禁止给国内自主CPU做代工导致自主技术成长困难重重光刻设备国产化前路漫漫。上海微电子国产光刻机的星星之火目前国内光刻机设备商较少在技术上与国外还存在巨大差距且大多以激光成像技术为主在IC前道光刻设备方面上海微电子装备集团股份有限公司SMEE代表了国内顶尖水平。公司主要致力于半导体装备、泛半导体装备、高端智能装备的开发、设计、制造、销售及技术服务。设备广泛于集成电路前道、先进封装、FPD面板、MEMS、LED、Power Devices等制造领域。公司的封装光刻机在国内市占率高达80%全球市占率也可达到40%前道制造光刻机最高可实现90nm制程有望快速将产品延伸至65nm和45nm。上海微电子承担着多项国家重大科技专项以及02专项光刻机科研任务有望实现国产光刻设备的重大突破。SMEE前道光刻产品为660系列为步进扫描投影型采用四倍缩小倍率的投影物镜、工艺自适应调焦调平技术以及高速高精的自减振六自由度工件台掩模台技术曝光光源有ArF、KrF和i-line目前只能达到90nm制程与国际先进水平差距较大。500系列步进投影光刻机不仅适用于晶圆级封装的重新布线以及Flip Chip工艺中常用的金凸块、焊料凸块、铜柱等先进封装光刻工艺还可以通过选配背面对准模块满足MEMS和2.5D/3D封装的TSV光刻工艺需求。除芯片光刻设备公司还有FPD光刻设备。200系列投影光刻机采用先进的投影光刻机平台技术专用于AMOLED和LCD显示屏TFT电路制造可应用于2.5代6代的TFT显示屏量产线。该系列设备具备高分辨率、高套刻精度等特性支持6英寸掩模显著降低用户使用成本。另外SSB300/30投影光刻机适用于2-6英寸基底LED的PSS和电极光刻工艺该设备具有高分辨率、高线宽均匀性等特点SSB320/10投影光刻机专用于LED生产中芯片制作光刻工艺采用超大曝光视场通过掩模优化设计减少曝光场减少重复芯片损失显著提高产能。截至2018年1月SMEE直接持有各类专利及专利申请超过2000项同时通过建设并参与产业知识产权联盟进一步整合共享了大量联盟成员知识产权资源涉及光刻设备、激光应用、检测类、特殊应用类等各大产品技术领域全面覆盖了SMEE产品的主要销售地域上微公司承接着我国光刻设备星火燎原的希望。参考资料来自西南证券、驭势资本研究所未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市云脑研究计划构建互联网城市云脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
