目錄目錄一、光刻是芯片生產流程中最復雜、最關鍵的步驟 （一）光刻是IC制造中的關鍵環節，耗時長，成本高 （二）光刻工藝流程詳解 4二、光刻機：半導體制造業皇冠上的明珠 （一）光刻機原理與內部結構 （二）光刻機的發展本質是為了滿足更高性能、更低成本芯片的生產需求 10（三）光刻機發展史：光源改進工藝創新推動光刻機更新換代 11三、全球光刻機絕對龍頭 15（一）17年業績大幅增長，EUV光刻機高價值充足訂單保障成長動力 15（二）ASML的龍頭之路：開放式創新模式下時代的必然選擇 18四、上海微電子：國產光刻機的希望 19五、風險提示 21圖表目錄圖表目錄圖表1 IC芯片制造核心工藝主要設備全景圖 4圖表2 在硅片表面構建半導體器件的過程 5圖表3 正性光刻與負性光刻對比 6圖表4 旋轉涂膠步驟 7圖表5 涂膠設備 7圖表6 光刻原理圖 7圖表7 顯影過程示意圖 7圖表8 干法（物理、濕法（化學）刻蝕原理示意圖 8圖表9 光刻機工作原理圖 10圖表10 晶體管內部結構圖 11圖表11 按所用光源，光刻機經歷了五代產品的發展 12圖表12 步進式投影示意圖 12圖表13 雙工作臺光刻機系統樣機 13圖表14 浸沒式光刻機原理 14圖表15 ASMLTWINSCANNXE:3350B型號EUV光刻機 15圖表16 ASML產品變遷史 16圖表17 ASML營業收入（億歐元） 16圖表18 ASML凈利潤（億歐元） 16圖表19 ASML下游客戶結構（單位：億歐元） 17圖表20 ASML客戶地區分布 17圖表21 ASML設備產品結構 17圖表22 2017ASML各類光刻機銷售量 17圖表23 ASML成立初期面臨的困境 18圖表24 1995-2016年ASML研發支出 19圖表25 、Nicon和Canon研發占比 19圖表26 上海微電子主要設備產品 20一、光刻是芯片生產流程中最復雜、最關鍵的步驟（一）光刻是IC制造中的關鍵環節，耗時長，成本高半導體芯片生產主要分為IC設計、IC制造、IC封測三大環節。IC設計主要根據芯片的設IC制造實IC前的最后工序。圖表1IC芯片制造核心工藝主要設備全景圖光刻是半導體芯片生產流程中最復雜、最關鍵的工藝步驟，耗時長、成本高。半導體芯片生產的難點和關鍵點在于將電路圖從掩模上轉移至硅片上，這一過程通過光刻來實現，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生產中需要進行20-30次的光刻，耗時占到IC生產環節的50%左右，占芯片生產成本的1/3。（二）光刻工藝流程詳解光刻的原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線（一般是紫外光、深紫外光、極紫外光）透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發生反應。此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠，就實現了電路圖從掩模到硅片的轉移。光刻完成后對沒有光刻膠保護的硅片部分進行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠，就實現了半導體器件在硅片表面的構建過程。光刻分為正性光刻和負性光刻兩種基本工藝該部分硅片不會在后續流程中被腐蝕掉，負性光刻光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。正性光刻與負性光刻相反，曝光部分的光刻膠會被破壞從而被溶劑洗掉，該部分的硅片沒有光刻膠保護會被腐蝕掉，正性光刻光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相同。圖表2在硅片表面構建半導體器件的過程圖表3正性光刻與負性光刻對比氣相成底膜硅片在清洗、烘培后首先通過浸泡、噴霧或化學氣相沉積（CVD）等工藝用六甲基二胺烷成底膜，底膜使硅片表面疏離水分子，同時增強對光刻膠的結合力。底膜的本質是作為硅片和光刻膠的連接劑，與這些材料具有化學相容性。旋轉涂膠形成底膜后，要在硅片表面均勻覆蓋光刻膠。此時硅片被放置在真空吸盤上，吸盤底部與轉動電機相連。當硅片靜止或旋轉的非常緩慢時，光刻膠被分滴在硅片上。隨后加速硅片旋轉到一定的轉速，光刻膠借助離心作用伸展到整個硅片表面，并持續旋轉甩去多余的光刻膠，在硅片上得到均勻的光刻膠膠膜覆蓋層，旋轉一直到溶劑揮發，光刻膠膜幾乎干燥后停止。圖表4旋轉涂膠步驟 圖表5涂膠設備 軟烘涂完光刻膠后，需對硅片進行軟烘，除去光刻膠中殘余的溶劑，提高光刻膠的粘附性和均勻性。未經軟烘的光刻膠易發粘并受顆粒污染，粘附力會不足，還會因溶劑含量過高導致顯影時存在溶解差異，難以區分曝光和未曝光的光刻膠。曝光曝光過程是在硅片表面和石英掩模對準并聚焦后，使用紫外光照射，未受掩模遮擋部分的光刻膠發生曝光反應，實現電路圖從掩模到硅片上的轉移。顯影使用化學顯影液溶解由曝光造成的光刻膠可溶解區域，使可見圖形出現在硅片上，并區分需要刻蝕的區域和受光刻膠保護的區域。顯影完成后通過旋轉甩掉多余顯影液，并用高純水清洗后甩干。圖表6光刻原理圖 圖表7顯影過程示意圖 堅膜顯影后的熱烘叫做堅膜烘培，溫度比軟烘更高，目的是蒸發掉剩余的溶劑使光刻膠變硬，提高光刻膠對硅片表面的粘附性，這一步對光刻膠的穩固，對后續的刻蝕等過程非常關鍵。檢測對硅片的顯影結果進行檢測，合格的硅片進入后續的刻蝕等流程，不合格的硅片在清洗后進入最初流程?？涛g刻蝕是通過化學或物理的方法有選擇地從硅片表面除去不需要材料的過程，通過刻蝕能在硅片上構建預想的電子器件。刻蝕分為干法刻蝕和濕法刻蝕兩種。干法刻蝕是將硅片表面暴露在惰性氣體中，通過氣體產生的等離子體轟擊光刻膠開出的窗口，與硅片發生反應去掉暴露的表面材料，是亞微米尺寸下刻蝕器件的最主要方法。濕法刻蝕使用液態化學劑（酸、堿、有機溶劑等）用化學方式去除硅片表面的材料，一般只用于尺寸較大的情況。圖表8干法（物理）、濕法（化學）刻蝕原理示意圖去膠刻蝕完成后，通過特定溶劑，洗去硅片表面殘余的光刻膠。二、光刻機：半導體制造業皇冠上的明珠（一）光刻機原理與內部結構主要討論用于芯片制造領域的光刻機。光刻機涉及系統集成、ASML7nm制程芯片的生產。：光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖顯影，得到刻在硅片上的電路圖。不同光刻機的成像比例不同，有5:1，也有4:1光刻機內部結構圖如圖9所示。激光器：光源，光刻機核心設備之一。光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會嚴重影響成像質量。光束形狀設置：設置光束為圓型、環型等不同形狀，不同的光束狀態有不同的光學特性。遮光器：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到硅片。能量探測器：檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進行調整。掩模版：一塊在內部刻著線路設計圖的玻璃板，貴的要數十萬美元。掩膜臺：承載掩模版運動的設備，運動控制精度達到納米級。20度的要求高。能有效提升工作效率。持穩定的溫度、壓力。圖表9光刻機工作原理圖（二）光刻機的發展本質是為了滿足更高性能、更低成本芯片的生產需求半導體芯片具有不同的制程，即不同的技術節點，經常看到的45nm28nm10nm即是對不同制程的描述，那么不同的制程該如何理解，不同制程的芯片又有何差異呢？01區信號很難穿過不導電的P型襯底到達漏區，即表示電路關閉（數字信號0，如果在柵區和襯底間加上電壓，襯底中的電荷就會在異性相吸的作用下在絕緣氧化層下大量聚集，形成（信號1而柵極下方兩個阱間的距離，即導電溝道的長度，被定義為晶體管的尺寸。在現代晶體管中，電子的速度是有限的，且一般以飽和速度運行，因此信息傳遞的速度就由導電溝道的長度來決定，溝道越短，信息傳遞速度越快。圖表10晶體管內部結構圖芯片的制程可以近似理解為內部晶體管導電溝道的長度，制程小的芯片具有兩大優勢：處理速度快處理更多的信息，時鐘頻率更高。光刻工藝水平決定了晶體管尺寸的大小了光刻機設備的不斷創新與發展。光刻機是延續摩爾定律的關鍵。摩爾定律提出，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。半導體行業最初三十年的發展能夠基本滿足摩爾定律，關鍵就在于光刻機能不斷實現更小的分辨率水平。近十年來摩爾定律的時間間隔已經延長至3-4年，原因就在于光刻機的發展低于行業的預期。（三）光刻機發展史：光源改進+工藝創新推動光刻機更新換代R所用光源的波長；NANA越展，不斷提升芯片的生產效率和良率。根據所使用的光源的改進，光刻機經歷了5不斷提升光刻機的工藝制程水平，以及生產的效率和良率。圖表11按所用光源，光刻機經歷了五代產品的發展光源光源波長（nm）對應設備接觸式光刻機第一代g-line436接近式光刻機接觸式光刻機第二代i-line365接近式光刻機第三代KrF248掃描投影式光刻機步進掃描投影光刻機第四代 ArF 193浸沒式步進掃描投影光刻機第五代EUV13.5極紫外光刻機最小工藝節點（nm）800-250800-250800-250800-250180-130130-6545-2222-7436nmg-line365nmi-line作為光刻光源，可以滿足0.8-0.35第三代光刻機采用248nm的氟化氪）準分子激光作為光源350-180nm水平，在光刻工藝上也采用了掃描投影式光刻，即現在光刻機通用的，光源通過掩模，經光學鏡頭調整和補償后，以掃描的方式在硅片上實現曝光。第四代ArF193nm的Ar（化氬65nm刻機，也是最具有代表性的一代光刻機。由于能夠取代ArF實現更低制程的光刻機遲遲無法研發成功，光刻機生產商在ArF光刻機上進行了大量的工藝創新，來滿足更小制程和更高效率的生產需要。創新一：實現步進式掃描投影。此前的掃描投影式光刻機在光刻時硅片處于靜止狀態，通過1986年ASML了光刻過程中，掩模和硅片的同步移動，并且采用了縮小投影鏡頭，縮小比例達到5：1，有效提升了掩模的使用效率和曝光精度，將芯片的制程和生產效率提升了一個臺階。圖表12步進式投影示意圖創新二：雙工作臺光刻機。硅片在進入光刻流程前要先進行測量和對準，過去光刻機只有一個工作臺，測量、對準、光刻等所有流程都在這一個工作臺上完成。2001年ASML推出了雙工作臺系統（TWINSCANsystem），雙工作臺系統使得光刻機能夠在不改變初始速度和加速度的條件下，當一個工作臺在進行曝光工作的同時，另外一個工作臺可以同時進行曝光之前的預對準工作，使得光刻機的生產效率提升大約35%。雖然從結果上來看，僅僅是增加了一個工作臺，但其中的技術難度卻不容小覷，雙工作臺系統對于換臺的速度和精度有極高的要求，如果換臺速度慢，則影響光刻機工作效率；如果換臺精度不夠，則可能影響后續掃描光刻等步驟的正常開展。圖表13雙工作臺光刻機系統樣機創新三：浸沒式光刻系統45nm制程節點時，ArF此時業內對下一代光刻機的發展提出了兩種路線圖。一是開發波長更低的157nmF2準分子激光做為光源，二是由2002年臺積電林本堅提出的浸沒式光刻。此前的光刻機都是干式機臺，NA與折射率成正相關，如果用折射率大于1刻系統的原理。ASML率先推出浸沒式光刻機，奠定自身市場地位ASML2007年成功推出第一臺浸沒式光刻機TWINSCANXT:1900i1.4445nm的制程工藝，并157nm光源干式光刻機被市場拋棄，不僅損失了巨大的人力物力，也在產品線上顯著落后于ASML一家獨大的重要轉折點。圖表14浸沒式光刻機原理ArF22nm但是在摩爾定律的推動下，半導體產業對于芯片制程的需求已經發展到14nm、10nm7nm，ArFEUV光刻機。第五代EUV1-4光刻機使用的則是波長13.5nm1999年開始EUV20042010ASMLEUV三星、臺積電、英特爾共同入股ASML推動EUV光刻機研發。EUV光刻機面市時間表的不斷延后主要有兩大方面的原因，一是所需的光源功率遲遲無法達到250瓦的工作功率需求，ASML2012年ASMLASML52.59億歐元，用于支持EUV光刻機的研發。此后ASML收購了全球領先的準分子激光器供應商Cymer，并以10億歐元現金入股光學系統供應商卡爾蔡司，加速EUVEUV光刻機能研發成功的重要原因。圖表15ASMLTWINSCANNXE:3350B型號圖表15ASMLTWINSCANNXE:3350B型號EUV光刻機三、ASML：全球光刻機絕對龍頭（一）17年業績大幅增長，EUV光刻機高價值充足訂單保障成長動力ASML1984年，由菲利普與先進半導體材料國際機設備的開發，總部位于荷蘭的費爾德霍芬。1995年，ASML收購了菲利普持有的股份，稱為完全獨立的公司，同年在阿姆斯特丹和納斯達克交易所上市。成立當年，ASMLPAS2000PAS2000技術已經過時。1986ASMLPAS2500步進式光刻機，開始在市場上建立起一定的名氣，同年與透鏡制造商卡爾蔡司建立密切的合作關系，為此后發展打下重要基礎。1991PAS50005000取得了巨2000-2001TwinscanTwinscanNXT系列研制成功，一舉奠定ASML在光刻機領域的霸主地位，尼康、佳能市場份額被急劇壓縮。2007EUVTwinscanNXEASML75%-80%，成為行業內的絕對龍頭。圖表16ASML產品變遷史公司具有完善全球布局，在半導體設備企業中市值排名第一。截止2017年底，ASML在16個國家60多個城市設有辦事處，在荷蘭、美國、中國大陸、臺灣、韓國均設有研發與生產中心，公司共有員工超過19000名，其中7000名以上屬于研發人員。目前ASML總市值將近900億元，在全球半導體設備商中排名第一。公司2017年營收、凈利潤大幅增長2013-2016年間ASML營收增長較為平穩，復合增長率達到9%，同期凈利潤也保持平穩增長態勢。2017年公司業績實現了大幅增長，營業收入達到90.53億歐元，同比增長33%，凈利潤達到21.19億歐元，同比增長53%17年公司業績的大圖表17ASML營業收入（億歐元） 圖表18ASML凈利潤（億歐元）10040%8010040%8030%6020%402010%00%20132014營收20152016YOY20175060%50%40%30%20%10%0%10%20132014凈利潤20152016 2017YOY儲存器是最大下游設備客戶。ASML201763.74億歐元，占總營收70%26.7930%。下游設備客戶中，儲存器客戶份額最大，達29.6846.6%FoundryIDM35.9%、17.5%。亞洲是主要設備下游市場，大陸市場居第四。ASML2017年營收中，設備營收達到63.7436%26%、13%，主要是因為三星、臺積電、英特爾是ASML的三大主要客戶。ASML7.211%，是第四大市場。10080306015222111401542185100803060152221114015421851710222320 13272021012152013 2014 2015服務 Foundry IDM2016Memory20173% 1%11%36%10%13%韓國臺灣美國中國大陸日本其他亞洲國家26%EUVASMLEUV22nm125片晶圓，穩定性達到90%20162017年EUV光刻機營10.9217%ArF。數量上看，2017ASML11EUV1億歐元，ArFKrF76臺、71臺，ArF14臺?？梢娫谥懈叨诵酒圃熘校珹rFKrF光刻機，ArF刻機需求量較少。EUV光刻機產能將進一步提升，充足訂單保障ASML業績增長11臺光刻機，ASML201822臺，20192017年底，ASML282019年，預計2018ASMLEUV2825%-30%。01114EUV ArF浸沒式 ArF干式 KrF i-line圖表01114EUV ArF浸沒式 ArF干式 KrF i-line1%4%11%1%4%11%17%4%EUVArF干式KrFi-line測量、檢測設備63%807671706050403026（二）ASML的龍頭之路：開放式創新模式下時代的必然選擇ASML1984年成立，30年的時間即發展為光刻機領域的絕對龍頭，市占率達到近ASML的龍頭之路既與產業大環境密切相關，也是其自身重視研發，對研究創新始終采取開放態度的必然結果。ASML創立初始即面對“微影雙雄”兩大巨頭。在ASML創立之時，光刻機市場存在兩大IDM1993GCA公司由于本土企業需求量減少以及技術落后，被迫退出市場，到1994年，“微影雙雄”已80%的市場份額。ASML成立之初也面臨著資金短缺和技術落后的問題ASML研發的PAS2000光刻機技術過時，未能貢獻利潤。1992年全球半導體產業滑坡，ASML資金鏈斷裂，幾近關門，幸虧菲利普及時出手援助才渡過難關。圖表23ASML成立初期面臨的困境走出困境后的ASML能把穩住這一關鍵的歷史因素，具有自身特質以及時代背景兩大方面的原因。內因：ASMLASML每年的研發投入都在營業收入的15%右，與凈利潤水平基本相當，遠超尼康、佳能5%-6%的研發投入，即使在互聯網泡沫破裂和金融危機期間，ASML依然保持極高的研發投入。對于研發，ASML采取大膽的外包合作和開放式創新模式，公司將眾多的光刻機核心設備外包給各細分設備頂尖供應商生產，如光學部件由德國卡爾蔡司生產，計量技術裝備由美國的Hewlett-PackardCymerASMLASML也與供應商及全球頂尖的科研機構共同研發，共享專利，并鼓勵供應商在制造過程中提出改進意見，具有極高的效率和靈活性。ASMLArF沉浸式光刻機和F2光刻機的對決中一敗涂地，丟掉自己的龍頭地位。2500%150-10%50-20%-5092500%150-10%50-20%-509999900111 101 22202400702 22222 2 22 2012 210100120 -30%營業收入（億元）凈利潤占比凈利潤（億元）研發支出占比研發支出（億元）

圖表25 、Nicon和Canon研發占比19901992199419961998200020022004200620082010201220142016ASMLCanon19901992199419961998200020022004200620082010201220142016ASMLCanonNicon55030%30%45020%25%35010%20%外因：ASML乘上產業轉移東風，把握住韓國與臺灣市場導體產業的政策從最初的扶持轉向抑制，1985年《廣場協議》使得日元大幅升值，日本半導體產品價格失去競爭力。1986年、1991年兩次簽訂《美日半導體協議》，對日本產品進行最低價格限制，并要求日本提高國外半導體產品在國內市場所占的份額。日本半導體產業開始由盛轉衰。ASML敏銳地抓住這一歷史機遇，大ASML賴以登上龍頭之位的浸沒式光刻機產品就是與臺積電共同研發的。四、上海微電子：國產光刻機的希望光刻機產品長期受到國外封鎖。用等各領域集成電路芯片的生產制造。長期以來，在《瓦森納協議》的框架下，歐美國家最先進的幾代光刻機一直對華禁售。出售的光刻機也都有保留條款，禁止給國內自主CUP做代工，即使是小批量生產用于科研和國防領域的芯片，也存在一定風險，而且在宣傳上也只能含糊其辭的說明是境內流片，這很大程度上影響了中國半導體產業的發展。如今雖然ASML正逐漸解除對華產品的禁售，但EUV這類的頂尖光刻機由于產能有限，訂單已經排到2019年，且優先供應臺積電、三星、英特爾等客戶，國內晶圓廠商短期內仍然拿不到ASML的高端光刻機產品。上海微電子深耕光刻機產品研發，承擔多項專項科研任務。上海微電子成立于2002年，致02專項“浸沒光刻機關鍵技術預研項目”（通過國家驗收）和“90nm光刻機樣機研制”（02專項專家組現場測試）任務。