半导体设备深度报告（三）详解光刻机——半导体制造业皇冠上的明珠.pdf

证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 未经许可，禁止转载 证券研究 报告 行业深度研究报告 机械设备 半导体设备深度报告 （三） ： 详解光刻机 半导体制造业皇冠上的明珠 行业 评级 推荐 评级变动 维持 主要观点 1.光刻机是半导体制造业中最核心的设备 光刻环节实现芯片设计图从掩模到硅片上的转移，是芯片生产流程中的最关键步骤，直接决定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生产过程中需要进行20-30次的光刻，耗时占到制造环节的 50%左右，占芯片生产成本的 1/3。 光刻机是光刻工艺的核心设备，设计系统集成、精密光学、精密运动等多项先进技术，具备极高的技术含量和单台价值量，目前最先进的 ASML EUV 光刻机单价达到近一亿欧元。 2.光刻机的不断发展满足了芯片更小制程、更低成本的生产要求 芯片制造的发展方向是更小的制程以及更低的成本，这要求光刻机能不断实现更小的分辨率 水平。按照所用光源划分，光刻机经历了五代产品的发展，每次光源的更替都是的制程水平有了极大的提升。目前最先进的光刻机采用EUV光源，已经可以实现 7nm 制程芯片的生产。 光刻机发展过程也伴随着工艺的不断创新改进， ASML 推出的双工作台系统、沉浸式光刻系统填补了在光源没有发展的情况下实现了制程水平和制造效率的提升，也奠定了其光刻机龙头的地位。 3.开放式创新模式下时代的选择铸就光刻机绝对龙头 ASML ASML 能击败日本的“微影双雄”成长为光刻机领域的绝对龙头，根本原因在于 ASML 极其重视研发，并采用开放式创新的模 式，在新品研发和工艺改进上具有极高的效率和灵活性，与尼康、佳能的孤岛式研发形成鲜明对比。高灵活性使得 ASML 能抓住半导体产业转移的历史机遇，把握住韩国与台湾市场，并与台积电合作研发沉浸式光刻机，一举登上行业龙头地位。 目前 ASML在光刻机领域市占率近 80%，基本垄断高端光刻机，公司的 EUV光刻机产品供不应求，订单已排至 2019 年，数额近 28 亿欧元，为公司业绩增长提供有力保障。 4.上海微电子：国产光刻机的希望 上海微电子是国内光刻机龙头，承担多项国家重大科技专项和 02 专项光刻机科研任务，公司的前道制造光刻机 最高已能实现 90nm 制程，封装光刻机能满足各类先进封装工艺的需求。公司的封装光刻机已在国内外市场广泛销售，国内市占率达到 80%，全球市占率 40%。 90nm是光刻机的重要技术台阶，在功课 90nm节点后，公司有望快速将产品延伸至 65nm、 45nm制程，实现国产半导体设备的巨大突破。 5.风险提示： 行业发展不及预期，下游需求不及预期 证券分析师：李佳 执业编号： S0360514110001 电话： 021-20572551 邮箱： lijiahcyjs 证券分析师：鲁佩 执业编号： S0360516080001 电话： 021-20572553 邮箱： lupeihcyjs 证券分析师：赵志铭 执业编号： S0360517110004 电话： 021-20572550 邮箱： zhaozhiminghcyjs 联系人：吴纬烨 电话： 021-20572567 邮箱： wuweiyehcyjs 联系人：娄湘虹 电话： 021-20572552 邮箱： louxianghonghcyjs 机械设备行业报告：集成电路列入实体经济发展第一位，政策力度不断增强行业迎来发展黄金期 2018-03-06 显示面板装备行业跟踪点评：京东方拟投 965亿新建面板产线，持续提振行业景气度 2018-03-11 机械设备行业第 10 周周报：京东方公布千亿投资计划，半导体销售额改写年度新高 2018-03-11 -26%-8%9%27%17/03 17/05 17/07 17/09 17/11 18/012017-03-13 2018-03-09 沪深 300 机械设备 相关研究报告 行业 表现对比图 (近 12 个月 ) 华创 证券 研究所 行业 研究 机械设备 2018 年 03 月 12 日 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 2 目录 一、光刻是芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤 . 4 （一）光刻是 IC 制造中的关键环节，耗时长，成本高 . 4 （二）光 刻工艺流程详解 . 4 二、光刻机：半导体制造业皇冠上的明珠 . 9 （一）光刻机原理与内部结构 . 9 （二）光刻机的发展本质是为了满足更高性能、更低成本芯片的生产需求 . 10 （三）光刻机发展史：光源改进 +工艺创新推动光刻机更新换代 .11 三、 ASML：全球光刻机绝对龙头 . 15 （一） 17 年业绩大幅增长， EUV光刻机高价值 +充足订单保障成长动力 . 15 （二） ASML 的龙头之路：开放式创新模式下时代的必然选择 . 18 四、上海微电子：国产光刻机的希望 . 19 五、风险提示 . 21 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 3 图表目录 图表 1 IC 芯片制造核心工艺主要设备全景图 . 4 图表 2 在硅片表面构建半导体器件的过程 . 5 图表 3 正性 光刻与负性光刻对比 . 6 图表 4 旋转涂胶步骤 . 7 图表 5 涂胶设备 . 7 图表 6 光刻原理图 . 7 图表 7 显影过程示意图 . 7 图表 8 干法（物理）、湿法（化学）刻蚀原理示意图 . 8 图表 9 光刻机工作原理图 . 10 图表 10 晶体管内部结构图 .11 图表 11 按所用光源，光刻机经历了五代产品的发展 . 12 图表 12 步进式投影示意图 . 12 图表 13 双工作台光 刻机系统样机 . 13 图表 14 浸没式光刻机原理 . 14 图表 15 ASML TWINSCAN NXE:3350B 型号 EUV光刻机 . 15 图表 16 ASML 产品变迁史 . 16 图表 17 ASML 营 业收入（亿欧元） . 16 图表 18 ASML 净利润（亿欧元） . 16 图表 19 ASML 下游客户结构（单位：亿欧元） . 17 图表 20 ASML 客户地区分布 . 17 图表 21 ASML 设备产品结构 . 17 图表 22 2017ASML 各类光刻机销售量 . 17 图表 23 ASML 成立初期面临的困境 . 18 图表 24 1995-2016 年 ASML 研发支出 . 19 图表 25 ASML、 Nicon 和 Canon 研发占比 . 19 图表 26 上海微电子主要设备产品 . 20 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 4 一 、光刻 是 芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤 （一）光刻 是 IC制造中的关键环节，耗时长，成本高 半导体芯片生产主要分为 IC 设计、 IC 制造、 IC 封测三大环节 。 IC 设计主要根据芯片的设计目的进行逻辑设计和规则制定，并根据设计图制作 掩模 以供后续光刻步骤使用。 IC 制造实现芯片电路图 从 掩模 上转移至硅片上，并实现预定的芯片功能，包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。 IC 封测完成对芯片的封装和性能、功能测试，是产品交付前的最后工序。 图表 1 IC 芯片制造核心工艺主要设备全景图 资料来源：华创证券 整理 光刻是半导体芯片生产流程中 最复杂、最关键的工艺步骤 ，耗时长、成本高 。半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从 掩模 上转移至硅片上，这一过程通过光刻来实现， 光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生产中需要进行 20-30 次的光刻，耗时占到 IC 生产环节的 50%左右，占芯片生产成本的 1/3。 （二） 光刻 工艺流程详解 光刻 的 原理 是在 硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再用光线（一般是紫外光、深紫外光、极紫外光）透过 掩模 照射在硅片表面，被光线照射到的光刻胶会发生反应。此后用特定溶剂洗去被照射 /未被照射的光刻胶， 就实现了电路图从 掩模 到硅片的转移。 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 5 光刻完成后 对没有光刻胶保护的硅片部分进行刻蚀，最后洗去剩余光刻胶， 就实现了半导体器件在硅片表面的构建过程。 光刻分为 正性光刻和负性光刻两种基本工艺 ，区别在于两者使用的光刻胶的类型不同。负性光刻使用的光刻胶在曝光后会因为交联而变得不可溶解，并会硬化，不会被溶剂洗掉，从而该部分硅片不会在后续流程中被腐蚀掉，负性光刻光刻胶上的图形与掩模版上图形相反。 正性光刻与负性光刻相反，曝光部分的光刻胶会被破坏从而被溶剂洗掉，该部分的硅片没有光刻胶保护会被腐蚀掉，正性光刻光刻胶上的图形与掩模版上图形相同。 图表 2 在硅片表面构建半导体器件的过程 资料来源： 智能电子集成网，华创证券 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 6 图表 3 正性光刻与负性光刻对比 资料来源：智能电子集成网，华创证券 1）气相成底膜 硅片在清洗 、烘培 后 首先通过浸泡、喷雾或化学气相沉积（ CVD）等工艺用六甲基二胺烷成底膜，底膜使硅片表面疏离水分子，同时增强对光刻胶的结合力。底膜的本质是作为硅片和光刻胶的连接剂，与这些材料具有化学相容性。 2）旋转涂胶 形成底膜后，要在硅片表面均匀覆盖光刻胶。此时硅片被放置在真空吸盘上，吸盘底部与转动电机相连。当硅片静止或旋转的非常缓慢时，光刻胶被分滴在硅片上。随后加速硅片旋转到一定的转速，光刻胶借助离心作用伸展到整个硅片表面，并持续旋转甩去多余的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层，旋转一直到溶剂挥发，光刻胶膜几乎干燥后停止。 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 7 图表 4 旋转涂胶步骤 图表 5 涂胶设备 资料来源：智能电子集成网，华创证券 资料来源：智能电子集成网，华创证券 3）软烘 涂完光刻胶后，需对硅片进行软烘，除去光刻胶中残余的溶剂，提高光刻胶的粘附性和均匀性。未经软烘的光刻胶易发粘并受颗粒污染，粘附力会不足，还会因溶剂含量过高导致显影时存在溶解差异，难以区分曝光和未曝光的光刻胶。 4）曝光 曝光过程是在硅片表面和石英 掩模 对准并聚焦后，使用紫外光照射，未受 掩模 遮挡部分的光刻胶发生曝光反应，实现电路图从 掩模 到硅片上的转移。 5）显影 使用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶可溶解区域， 使可见图形出现在硅片上，并区分需要刻蚀的区域和受光刻胶保护的区域。显影完成后通过旋转甩掉多余显影液，并用高纯水清洗后甩干。 图表 6 光刻原理图 图表 7 显影过程示意图 资料来源： OFweek，华创证券 资料来源：智能电子集成网，华创证券 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 8 6）坚膜 显影后的热烘叫做坚膜烘培，温度比软烘更高，目的是蒸发掉剩余的溶剂使光刻胶变硬，提高光刻胶对硅片表面的粘附性，这一步对光刻胶的稳固，对后续的刻蚀等过程非常关键。 7）检测 对硅片的显影结果进行检测，合格的硅片进入后续的刻蚀等流程，不合格的硅片在清洗后进入最初流程。 8）刻蚀 刻蚀是通过化学或物理的方法有选择地从硅片表面除去不需要材料的过程，通过刻蚀能在硅片上构建预想的电子器件。 刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀两种。干法刻蚀是将硅片表面暴露在惰性气体中，通过气体产生的等离子体轰击光刻胶开出的窗口，与硅片发生反应去掉暴露的表面材料，是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法。湿法刻蚀使用液态化学剂（酸、碱、有机溶剂等）用化学方式去除硅片表面的材料，一般只用于尺寸较大的情况。 图表 8 干法（物理）、湿法（化学）刻蚀原理示意图 资料来源：智能电子集成网，华创证券 9）去胶 刻蚀完成后，通过特定溶剂，洗去硅片表面残余的光刻胶。 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 9 二、光刻机 ： 半导体制造业皇冠上的明珠 （一）光刻机原理与内部结构 光刻机 根据应用工序不同，可以分为用于生产芯片的光刻机，以及用于封装的光刻机，其中封装光刻机对于光刻精度和控制精度的要求都比制造用光刻机低很多，价值量也相对较低，本文主要讨论用于芯片制造领域的光刻机。 光刻机是 芯片制造中光刻环节的核心设备， 技术含量、价值含量极高。 光刻机 涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术 ，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备 ，因此也具备极高的单台价值量，目前世界上最先进的 ASML EUV光刻机单价达到 近一亿欧元 ，可满足 7nm制程芯片的生产。 光刻机工作原理 ：光刻机 通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的 掩模 ，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图 。 不同光刻机的成像比例不同，有 5:1，也有 4:1。 光刻机内部结构图如图 9所示 。 激光器：光源，光刻机核心设备之一。 光束矫正器：矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。 能量控制器：控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。 光束形状设置：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。 遮光器：在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。 能量探测器：检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。 掩模版：一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。 掩膜台：承载掩模版运动的设备，运动控制精度达到纳米级。 物镜：物镜由 20 多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。 量台、曝光台： 承载硅片的工作台， 一般的光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，ASML 的双工作台光刻机则可以实现一片硅片曝光同时另一片硅片进行测量和对准工作，能有效提升工作效率。 内部封闭框架、减振器：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。 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 10 图表 9 光刻机工作原理图 资料来源： 智能电子集成网 ，华创证券 （二） 光刻机的发展本质是为了满足更高性能、更低成本芯片的生产需求 半导体芯片具有不同的制程，即不同的技术节点，经常看到的 45nm、 28nm、 10nm等字样即是对不同制程的描述，那么不同的制程该如何理解，不同制程的芯片又有何差异呢？ 这要从集成电路的最基本单元 晶体管说起， 用半导体制造晶体管是利用其特殊的导电能力来传递 0或 1 的数字信号。晶体管的内部结构图如下图所示，在栅区不通电的情况下，源区信号很难穿过不导电的 P 型衬底到达漏区，即表示电路关闭（数字信号 0），如果在栅区和衬底间加上电压，衬底中的电荷就会在异性相吸的作用下在绝缘氧化层下大量聚集，形成一条细窄的导电区，使得源区 和漏区导通，电流就可以顺利从源区传递到漏区（信号 1），这就是晶体管最基本的工作原理。 而栅极下方两个 N 阱间的距离，即导电沟道的长度，被定义为晶体管的尺寸。 在现代晶体管中，电子的速度是有限的，且一般以饱和速度运行，因此信息传递的速度就由导电沟道的长度来决定， 沟道越短，信息传递速度越快。