光刻机产业链分析

光刻机产业链全景图

光刻机组成及整体结构

DUV是目前应用极为广泛的光刻机类型，主要包括光源系统、光学系统(照明+投影)、双工作台、掩膜版、晶圆传送系统等子系统，技术相对较为成熟。DUV光刻机工作原理为：激光光源产生深紫外光，经过照明系统的均化、成型等照射至掩膜，最后经物镜投影至Wafer,目前投影系统4:1的掩膜图像转移比例较为常见。按照光源波长划分，DUV主要有248nm和193nm两种，对应KrF和ArF准分子激光光源;按照物镜的出射介质划分，DUV可分为干式和浸没式两种，浸没式是将投影物镜出射处采用水介质，可增加光刻机NA值，提高分辨率。

EUV整体结构与DUV类似，也是由光源系统、照明系统、投影系统、双工作台以及掩膜版、晶圆传送台等子系统构成。EUV是目前最先进的光刻设备，对各子系统的精密度要求极高，目前EUV市场被ASML公司垄断。光源系统、光学系统是EUV区别于DUV的主要差异所在，High-NA是EUV设备未来的重要发展方向。EUV光源波长为13.5nm，极短的波长意味着EUV紫外光几乎能被所有物质吸收，因此DUV的透镜光学系统无法复用，只能采用反射式光学系统。

光刻机上游市场

一、镜头

光学镜头是光刻机中重要的组成部分之一，其作用是对光线进行聚焦，在光刻胶层中形成所需的图案。在光刻的过程中，如果使用的光学镜头精度不够高，会对芯片的成品率和性能造成很大影响。

光学镜头的质量会直接影响到光刻机的分辨率、像差、畸变等关键参数，如果这些参数无法保证，会显著影响制造芯片的成品率和性能。

二、光源

光刻机的常见光源有：汞灯，LED灯，准分子激光器，EUV光源。

汞灯

汞灯作为光刻机的光源具有悠久的历史，也是光刻机中目前最普遍的光源。汞灯属于气体放电灯的一种，其中充满了低压的汞蒸汽。当电流通过灯时，汞蒸汽中的电子会受到激发，从而发射光。发出的光的波长与汞的原子特性有关。因此叫做汞灯。

主要特点：

发光特性：汞灯的发光主要分布在几个特定的紫外和可见光波段，最常见的波长为365nm，405nm和436nm。

寿命：虽然汞灯的寿命相对有限，但在其保质期种，光的输出相对稳定。一旦达到寿命末期，其亮度和稳定性可能会显著下降。

热量：汞灯在操作时会产生大量的热量，因此需要有效的冷却系统。

LED灯

LED(发光二极管)的发光原理基于半导体材料的电致发光效应。近年来作为光刻机的光源，在光刻机市场中的比重越来越大。

LED作为光刻机光源优势：

长寿命：与汞灯相比，LED具有更长的使用寿命。

不发热：汞灯的外壳在长时间工作后会变得很热，与传统的汞灯等光源相比，LED发出的热量较少。属于冷光源

LED虽好，但是相对于汞灯，价格更贵。

准分子激光器

准分子激光是半导体制造中常用的深紫外(DUV)光源之一。它是一种特殊类型的气体激光，利用气体分子束的放电来产生激光，当放电发生时，它会引起准分子从一个高能态转移到低能态，释放出特定波长的光。准分子激光一般分为三种，分别是：KrF，ArF，F2

KrF(氪氟)准分子激光：

波长：248nm

应用：由于它的中等波长特性，KrF在多年前的半导体生产中起到了主导作用，特别是在大约180nm到130nm的技术节点。

ArF(氩氟)准分子激光：

波长：193nm

应用：ArF准分子激光因其较短的波长被用于更先进的技术节点，特别是在90nm到45nm的范围内。随着光刻技术的进步，如浸润光刻，ArF激光器也开始被用于更小的特征尺寸。

F2(氟)准分子激光：

波长：157nm

应用：F2准分子激光的波长非常短，理论上可以达到非常高的分辨率。然而，由于这个波长的实际应用中存在的技术挑战，它并未被广泛采用。

EUV光源

EUV光源主要是通过高功率CO2激光照射锡(Sn)微滴产生的。这个过程产生一个高温的等离子体，该等离子体发射出13.5nm的EUV光。

光刻机核心系统

一、光源系统

光源系统为光刻机提供光源，是光刻工艺中不可或缺的部分。

光源经历了从汞灯到准分子激光，再到极紫外光(EUV)的演进，满足了不同制程节点对光源波长的需求。

ASML光刻机使用的EUV光源波长为13.5纳米，能实现3纳米等先进制程的芯片生产。

二、光路系统

光路系统负责将光源发出的光束进行整形、匀化后照明掩膜面，再由投影物镜系统将掩膜面上的图形复制到硅片表面。

照明系统光路中包括扩束准直、传输、光瞳整形单元和照明匀化单元，以实现特定分布的照明光场。

中继镜组位于扫描狭缝与掩膜版之间，负责将照明光场中继成像到掩膜面上。

三、双工件台系统

双工件台系统由掩膜台、硅片台和控制系统组成，实现了双台交替配合，大幅提升了设备产能。

硅片台具有双运动台结构，粗动台负责大行程运动，微动台实现纳米级别的精确定位。

双工件台系统要求对准精度高、运动速度快、运作稳定，以满足高效率、高精度的芯片制造需求。

四、测量系统

测量系统负责晶圆精确曝光，直接影响套刻精度。

主流技术方案包括双频激光干涉仪和二维光栅测试系统，用于测量晶圆六自由度的位移。

定位误差在误差分配中通常占总套刻误差的十分之一，因此超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键子系统之一。

五、聚焦系统

聚焦系统确保光刻胶在晶圆表面的高度差在焦深范围内，避免失焦导致缺陷。

聚焦系统通过水平传感系统完成晶圆表面平整度的测量，并在曝光过程中不断调整晶圆位置。

六、光刻对准系统

光刻对准系统负责把掩膜上的图形和晶圆上已经有的图形对准，以保证曝光后图形之间的准确套刻。

主要过程包括掩膜的预对准和定位、晶圆的预对准、掩膜工件台与晶圆工作台之间的对准、掩膜与晶圆的对准四个步骤。

七、框架/减振/环境控制系统

框架/减振/环境控制系统为光刻机提供稳定的工作环境和精确的机械支撑。

减振系统减少外部振动对光刻精度的影响，环境控制系统确保光刻过程中温度、湿度等参数的稳定。

八、传输系统

传输系统包括掩模传输系统和硅片传输系统，负责在光刻过程中快速、准确地传输掩模和硅片。

高效的传输系统能够减少生产过程中的停机时间，提高设备利用率。

光刻机下游市场分析

一、晶圆制造市场

据Counterpoint Research，由于疲软的内存支出、宏观经济放缓、库存调整以及智能手机和 PC 等终端市场需求低迷，2023 年全球五大晶圆厂设备制造商的营收同比下降 1% 至 935 亿美元。在这五家厂商中，仅有 ASML 和应用材料实现同比增长，而泛林研究、东京电子和 KLA 的收入分别同比下降 25%、22% 和 8%。得益于深紫外 (DUV) 和极紫外 (EUV) 光刻机的强劲销售，ASML 在 2023 年拔得头筹。

库存调整和内存市场下行趋势严重影响了整体营收。然而，下半年库存逐渐正常化以及 DRAM 需求回升，帮助抑制了全年营收的整体跌幅。

晶圆代工领域的收入在 2023 年同比增长 16%，得益于 GAA 架构的逐步采用以及各领域客户(包括物联网、人工智能、云计算、汽车和 5G)对成熟制程设备的强劲投资。

由于整体内存 WFE 支出疲软，尤其是 NAND Flash 方面，内存领域的收入在 2023 年同比下跌 25%。不过，由于 2023 年下半年 DRAM 市场表现强劲，下跌趋势有所缓解。

中国大力推进芯片自主化、增加落后制程 DRAM 出货量、强劲的 DRAM 需求以及成熟制程增长投资共同推动了中国大陆的设备销售额同比增长 31%，占 2023 年全球系统销售额的三分之一左右。

GAA 技术的逐步采用、人工智能、汽车和物联网领域的支出增长、新晶圆厂投产、DRAM 技术节点升级以支持 HBM 存储器、以及改善的 NAND Flash 支出将推动 2024 年 WFE 市场增长。

二、半导体市场

2023年全球半导体行业规模达到5268亿美元，较2022年下降了8.2%。这一数据反映了半导体行业在宏观经济波动下的周期性调整。

2023年半导体市场需求显得疲软，而原件供应却有所增加，导致市场形势出现逆转。尽管如此，在特定领域如AI和汽车应用中，半导体需求却呈现出显著的增长态势。

在AI领域，英伟达成为最大的赢家。该公司在2023年实现了惊人的490亿美元半导体收入，相比前一年猛增134%，更是2019年的4倍以上。同时，另一明星产品AI内存HBM也在整体存储半导体市场衰退的情况下，实现了127%的位元增长率，预计今年还将继续保持强劲增长。

此外，随着电动汽车市场的不断扩大和智能化水平的提高，汽车行业对半导体的需求也在持续增长。报告显示，2023年汽车行业半导体产值达到了750亿美元，同比增长15%，已占整体半导体市场的14%。

在企业排名方面，尽管英特尔仍位居榜首，但其营收额下滑了15.8%，降至511.97亿美元。而英伟达则凭借AI领域的强劲表现，以491.61亿美元的营收首次跻身至全球半导体营收第二名。与此同时，受存储市场低迷影响，三星电子的营收仅为443.74亿美元，跌出了前两名。

此次排名前十的企业还包括高通、博通、SK海力士、AMD、苹果、英飞凌和意法半导体。这些企业在半导体行业中占据重要地位，其业绩表现对整个行业的发展具有重要影响。