光刻機(jī)行業(yè)市場分析

光刻機(jī)行業(yè)市場分析第一部分：半導(dǎo)體工藝及光刻簡介晶圓制造及光刻工藝流程半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)主要分為IC設(shè)計(jì)、IC制造、IC封測三大環(huán)節(jié)。核心IC制造環(huán)節(jié)是將芯片電路圖從掩膜轉(zhuǎn)移至硅片上，并實(shí)現(xiàn)對應(yīng)功能的過程，包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機(jī)械研磨等步驟。光刻是IC制造的核心環(huán)節(jié)，也是整個(gè)IC制造中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟，是集成電路制造工藝發(fā)展的驅(qū)動力。光刻的本質(zhì)是把電路結(jié)構(gòu)圖“復(fù)制”到硅片上的光刻膠上。一般的光刻工藝要經(jīng)歷八道工序：氣相成底膜、旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、堅(jiān)膜烘焙和檢測。光刻機(jī)在晶圓制造中的重要地位光刻工藝是芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的步驟，而光刻機(jī)是光刻工藝的核心設(shè)備，其重要性源于三個(gè)方面：第一，光刻機(jī)價(jià)值量位列IC制造設(shè)備的榜首；第二，光刻機(jī)凝聚眾多頂尖技術(shù)，壁壘極高；第三，光刻機(jī)定義集成電路尺寸，推動摩爾定律前進(jìn)。從成本上看，在整個(gè)集成電路的制造過程中，往往需要進(jìn)行20~30次光刻工序，所以光刻一般會耗費(fèi)總成本的30%，耗費(fèi)時(shí)間約占整個(gè)硅片工藝的40%-60%。而光刻機(jī)在所有IC制造設(shè)備中同樣位居價(jià)值量榜首，據(jù)UtmelElectronic數(shù)據(jù)顯示，光刻機(jī)投資額占全部IC制造設(shè)備的25%。從技術(shù)上看，光刻機(jī)是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備，是現(xiàn)代工業(yè)的集大成者。光刻機(jī)集合了數(shù)學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、高分子物理與化學(xué)、表面物理與化學(xué)、精密儀器、機(jī)械、自動化、軟件、圖像識別領(lǐng)域等多項(xiàng)頂尖技術(shù)，其制造和研發(fā)需要高度的技術(shù)積累和持續(xù)的投入。光刻機(jī)具備極高的技術(shù)含量和單臺價(jià)值量。光刻機(jī)的分類及發(fā)展歷史光刻技術(shù)實(shí)質(zhì)上是IC芯片制造的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，該圖像轉(zhuǎn)移的過程包括把設(shè)計(jì)圖紙上的圖形轉(zhuǎn)移到掩膜基板上，再把掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面光刻膠上，最后再把晶圓表面光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到晶片上，整個(gè)圖形轉(zhuǎn)移過程涉及到的光刻機(jī)類別眾多。根據(jù)工作原理進(jìn)行分類，按照光刻時(shí)是否使用掩膜，將光刻機(jī)分為掩膜光刻以及無掩膜光刻。其中，掩膜光刻包含接觸式光刻機(jī)、接近式光刻機(jī)和投影式光刻機(jī)；無掩膜光刻包含激光直寫光刻機(jī)、納米壓印光刻機(jī)等。光刻工藝的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)光刻機(jī)中重要的性能參數(shù)主要有：分辨率、焦深、套刻精度、產(chǎn)率、視場、現(xiàn)款均勻、MTF（調(diào)控傳遞函數(shù)）、掩膜版誤差因子等。而核心參數(shù)為分辨率、焦深和套刻精度。其中，分辨率與光刻機(jī)的最小精度相關(guān)聯(lián)，焦深對光刻機(jī)成像范圍有影響，套刻精度則決定了工藝層是否套疊對準(zhǔn)。因此，這三個(gè)技術(shù)指標(biāo)被視為光刻機(jī)最重要的三個(gè)因素?，F(xiàn)如今，光刻機(jī)主要分為EUV光刻系統(tǒng)和DUV光刻系統(tǒng)兩大類，其分辨率分別已經(jīng)達(dá)到了13nm和38nm，套刻精度分別達(dá)到了1.1nm和1.3nm。ASML的NXT3600D光刻機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了160wph的產(chǎn)率，最佳套刻精度甚至達(dá)到了1.1nm，分辨率可達(dá)13nm。同時(shí)，NXT2100i相較于NXT2050i在套刻精度方面也有了20％的提升，能夠用來生產(chǎn)最先進(jìn)的3nm芯片。而ASML計(jì)劃即將發(fā)行的NXE3800E，套刻精度達(dá)到了0.9nm，產(chǎn)率也實(shí)現(xiàn)了從160wph到220wph的跨越。第二部分：光刻機(jī)及其子系統(tǒng)工作原理光刻機(jī)整體架構(gòu)光刻機(jī)主要由光源、光路系統(tǒng)及物鏡、雙工件臺、測量系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、對準(zhǔn)系統(tǒng)等部分組成。其中，晶圓模組部分主要負(fù)責(zé)曝光前晶片的測量與參數(shù)錄入，照明光學(xué)模組部分完成晶圓的曝光。在晶圓模組部分：晶圓傳送模組中，由機(jī)械手臂負(fù)責(zé)將晶圓由光阻涂布機(jī)傳送到晶圓平臺模組。而晶圓雙平臺模組負(fù)責(zé)在一片晶圓曝光的同時(shí)，將待曝光晶圓進(jìn)行預(yù)對準(zhǔn)，隨后對其表面高低起伏的程度進(jìn)行測量，并將相關(guān)坐標(biāo)錄入計(jì)算機(jī)。由此，在不到0.15秒的單位曝光時(shí)間內(nèi)，硅片承載臺可以精準(zhǔn)快速移動以達(dá)到最好的曝光效果。在照明光學(xué)模組部分：紫外光從光源模組生成后，被導(dǎo)入到照明模組，并經(jīng)過矯正、能量控制器、光束成型裝置等后進(jìn)入光掩膜臺，隨后經(jīng)過物鏡補(bǔ)償光學(xué)誤差，最后將線路圖曝光在已測量對準(zhǔn)的晶圓上。光源系統(tǒng)：工藝能力的首要決定因素光源系統(tǒng)是光刻設(shè)備的核心，光源波長決定工藝能力，光刻機(jī)的技術(shù)進(jìn)步也是波長不斷縮短的過程。光源波長越短，則晶體管線寬越小，芯片性能越強(qiáng)。光源發(fā)出的光束經(jīng)照明系統(tǒng)后穿過掩膜版，再由投影物鏡系統(tǒng)將掩膜版上的電路圖形復(fù)制到硅片表面。光源分為紫外光、深紫外光和極紫外光。最早的光刻方法為高壓汞燈照明，主要對g(436nm)、h(405nm)、i(365nm)三線進(jìn)行曝光。第三代和第四代光刻機(jī)光源為深紫外光（DUV），使用準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生，可實(shí)現(xiàn)KrF、ArF和F2。隨著制程節(jié)點(diǎn)的縮小，短波長的極紫外光（EUV）無法從激光器中產(chǎn)生，需通過高能脈沖激光轟擊液態(tài)錫靶形成等離子體后產(chǎn)生。光路系統(tǒng)與鏡頭：光刻機(jī)核心部件之一照明系統(tǒng)作為光刻機(jī)的核心部件之一，其作用是將光源發(fā)出的光束進(jìn)行整形勻化后照明掩膜面，再由投影物鏡系統(tǒng)將掩膜面上的圖形復(fù)制到硅片表面。照明系統(tǒng)光路：光源經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直與傳輸后進(jìn)入光瞳整形單元，然后再經(jīng)過照明勻化單元來實(shí)現(xiàn)特定分布的照明光場。掃描狹縫用來確定曝光視場尺寸和中心位置，控制曝光劑量，并與掩膜臺和硅片臺完成同步掃描曝光。中繼鏡組位于掃描狹縫與掩膜版之間，負(fù)責(zé)將掃描狹縫上的照明光場中繼成像到掩膜面上。雙工件臺系統(tǒng)：雙臺交替配合，大幅提升設(shè)備產(chǎn)能雙工件臺系統(tǒng)由掩膜臺、硅片臺和控制系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成。1)硅片臺：承載硅片，具有雙運(yùn)動臺結(jié)構(gòu)，其中粗動臺負(fù)責(zé)高加速的大行程運(yùn)動，微動臺實(shí)現(xiàn)納米級別的精確定位，影響硅片臺的定位精度；2)掩膜臺：構(gòu)成與硅片臺類似，用于承載掩膜并接受控制系統(tǒng)信號，粗動臺與微動臺協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)掃描；3)控制系統(tǒng)：發(fā)送和接收信號指令，控制上述子系統(tǒng)的運(yùn)行。光刻機(jī)測量系統(tǒng)：晶圓精確曝光的前提光刻機(jī)套刻精度直接受工件臺定位精度的影響，而工件臺定位精度又受到工件臺位置測量精度的制約，定位誤差在誤差分配中通常占總套刻誤差的十分之一，即對于“14nm”節(jié)點(diǎn)，定位精度應(yīng)優(yōu)于0.57nm。位置測量的精度直接決定了多次光刻間的相互重合誤差，因此超精密位移測量系統(tǒng)是光刻機(jī)不可或缺的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。光刻機(jī)晶圓臺是磁懸浮運(yùn)動的，其運(yùn)動由三個(gè)平面運(yùn)動自由度XYZ和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度組成，因此測量系統(tǒng)需對其完成六自由度的位移測量。目前，雙頻激光干涉儀和二維光柵尺是當(dāng)前最為常用的兩種測量六自由度位移的高精度測量方法。第三部分：光刻機(jī)競爭格局與行業(yè)發(fā)展趨勢競爭格局：一超雙強(qiáng)格局穩(wěn)定，ASML一枝獨(dú)秀從市場集中度來看，全球光刻機(jī)長期由ASML、Nikon和Canon三家公司壟斷，CR3高達(dá)99%，行業(yè)集中度及進(jìn)入壁壘極高。從高端光刻機(jī)出貨量上看，ASML憑借技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，獨(dú)占2022年全球中高端光刻設(shè)備（包括EUV、ArFi及ArF）出貨量的95%，而Nikon占據(jù)另外5%的份額。從產(chǎn)品覆蓋度來看，ASML為全球光刻設(shè)備行業(yè)的絕對龍頭，完全壟斷全球的第五代超高端光刻機(jī)（EUV光刻機(jī)）市場，且在中高端市場的ArF與浸沒式ArFi設(shè)備中分別占據(jù)88%及95%的份額，產(chǎn)品覆蓋度達(dá)100%，市場壟斷地位穩(wěn)固。Nikon和Canon主攻中低端光刻機(jī)市場，共占市場份額約35%。國內(nèi)廠商上海微電子已攻克90nm節(jié)點(diǎn)，在后道封裝光刻領(lǐng)域占據(jù)國內(nèi)市場份額80%。行業(yè)有望企穩(wěn)回升，在手訂單狀況良好從2016年至今，半導(dǎo)體行業(yè)共經(jīng)歷了兩次完整周期，行業(yè)景氣度是產(chǎn)品、產(chǎn)能和庫存三個(gè)維度疊加作用的結(jié)果。①2016-2019Q2：2016Q1-2017Q2受益4G/服務(wù)器/汽車等下游需求的高速發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入高速成長期，隨后產(chǎn)能利用率高位企穩(wěn)、供需缺口不斷縮小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)；2018Q3-2019Q2受中美貿(mào)易戰(zhàn)影響，手機(jī)、PC等消費(fèi)電子產(chǎn)品需求下行導(dǎo)致存儲芯片需求大幅減少。②2019Q2-2023E：2019Q3-2020Q1觸底反彈，主要系政策大力扶持，包括半導(dǎo)體企業(yè)登陸科創(chuàng)板和國家集成電路產(chǎn)投基金二期成立等，以及5G和智能終端應(yīng)用加速滲透；2020Q2-2021Q2期間，在經(jīng)歷新冠疫情的短暫擾動后，宅經(jīng)濟(jì)驅(qū)動PC/NB/平板需求爆發(fā)；2021Q4后新能源及消費(fèi)電子需求出現(xiàn)分化，庫存積壓及消費(fèi)電子終端需求低迷導(dǎo)致周期回落。隨著智能化趨勢深入推進(jìn)，AIGC、AIOT、XR和智能車載等滲透率的提升將驅(qū)動半導(dǎo)體行業(yè)的中長期成長。③2023年3月至今：據(jù)SIA數(shù)據(jù)顯示，2023年9月全球半導(dǎo)體銷售額環(huán)比增長1.9%，至此，全球半導(dǎo)體銷售額已實(shí)現(xiàn)連續(xù)七個(gè)月的環(huán)比增長，半導(dǎo)體景氣回升或已接近破曉時(shí)分。創(chuàng)新驅(qū)動芯片需求AIoT是人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的融合與優(yōu)勢互補(bǔ)，將多模態(tài)數(shù)據(jù)通過萬物互聯(lián)賦能于各類應(yīng)用場景。隨著AI在IoT領(lǐng)域的持續(xù)滲透，以及AIoT于產(chǎn)業(yè)段的規(guī)?；涞?，終端形態(tài)的多樣化和分散化使得邊端數(shù)據(jù)量呈指數(shù)型增長，對芯片和算力的要求不斷提高。據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2019年全球AIoT市場規(guī)模達(dá)到2264億美元，預(yù)計(jì)2022年達(dá)到4820億美元，CAGR高達(dá)28.65%，硬件與智能終端市場規(guī)模約為1205美元。芯片約占AIoT產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值量1/10。據(jù)Ericsson數(shù)據(jù)，在AIoT產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值量中，硬件及智能終端約占25%，通信服務(wù)和平臺服務(wù)各占10%，軟件開發(fā)/系統(tǒng)集成/增值和應(yīng)用服務(wù)占55%。由IDC數(shù)據(jù)，2022年芯片生產(chǎn)商價(jià)值量約為482億美元。先進(jìn)制程驅(qū)動成長先進(jìn)制程為業(yè)績增長的主要推手。成熟制程芯片仍為當(dāng)前主要存量市場，預(yù)計(jì)其增量需求將主要來自工業(yè)及汽車領(lǐng)域。先進(jìn)制程芯片市場占比暫處于低位。據(jù)ICInsights數(shù)據(jù)，先進(jìn)制程占比約為39%。隨著服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心與云邊端交互成為需求主力，對應(yīng)晶圓需求量將持續(xù)攀升，全新業(yè)績增長曲線將由此打開，未來增長空間廣闊。High-NAEUV是先進(jìn)制程芯片的主力生產(chǎn)設(shè)備。High-NAEUV設(shè)備將具有集光能力的鏡頭的NA從0.33提高至0.55，分辨率由13nm提升至8nm，提升了圖形的對比度和良率，能較現(xiàn)有l(wèi)ow-NAEUV設(shè)備處理更為精細(xì)的半導(dǎo)體電路。High-NAEUV為公司下一研發(fā)重心，ASML預(yù)計(jì)2027-2028年將實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能20臺。第四部分：他山之石——ASML光刻巨頭崛起之路ASML公司概況ASML是全球最大的半導(dǎo)體光刻機(jī)設(shè)備及服務(wù)提供商，具有完善的全球布局，在半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)中市值排名第一。ASML成立于1984年，總部位于荷蘭費(fèi)爾德霍芬，至今已成立35年，是一家專注于提供整體光刻解決方案的供應(yīng)商，并為其客戶提供工具、硬件、軟件的一體化服務(wù)。截止2022年底，ASML在16個(gè)國家60多個(gè)城市設(shè)有辦事處，在荷蘭、美國、中國大陸、臺灣、韓國均設(shè)有研發(fā)與生產(chǎn)中心。公司共有來自143個(gè)國家的員工超過39000名，其中14000名以上屬于研發(fā)人員。股東方面：截止至2023年2月8日，ASML主要股東為CapitalResearchandManagementCompany，黑石以及T.RowePriceGroup，均為美國知名的資產(chǎn)管理公司，三者共計(jì)持股21.97%。子公司方面：ASML主要子公司HermesMicrovision、Cymer等為ASML提供光源、電子束系統(tǒng)、晶片臺、反射鏡塊等光刻機(jī)重要部件和晶圓制造、直線電機(jī)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)支持。上述子公司為ASML提供了全球范圍內(nèi)光刻機(jī)領(lǐng)域的頂尖科技，使其能更高效地整合產(chǎn)業(yè)資源并推動核心技術(shù)研發(fā)，這也是ASML能在光刻機(jī)領(lǐng)域保持霸主地位的主要原因之一。推動光刻領(lǐng)域技術(shù)演進(jìn)，EUV全球獨(dú)供無出其右回顧歷史，浸沒式光刻技術(shù)的成功背后是眾多科學(xué)家、工程師和企業(yè)家的智慧與努力。浸潤式光刻起源于浸潤式顯微鏡，早在1840年，GiovanniAmici就將油浸技術(shù)引入顯微鏡，以提高成像分辨率。浸沒式光刻的概念于1980年提出，但由于當(dāng)時(shí)干式光刻技術(shù)發(fā)展迅速，光源波長不斷降低，浸潤式光刻并未受到重視。1987年，在IBM工作的林本堅(jiān)博士在《MicroelectronicEngineering》雜志上發(fā)表了論文，指出“通過在鏡頭最后一塊鏡子和硅片之間填充液體，可以有效減少等效光學(xué)波長”。2002年2月的SPIE微光刻會議上，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室指出去離子水對于193nm的曝光是足夠透明的。同一會議上，在TSMC工作的林本堅(jiān)博士肯定了浸沒式光刻的可能性。此時(shí)，浸沒式光刻終于引起了業(yè)界重視。2004年8月，ASML的第一臺193nm水浸沒式光刻機(jī)交付給AlbanyNanotech工廠，用于早期浸沒式光刻研發(fā)。終于，2006年ASML推出了第一臺批量生產(chǎn)的浸沒式光刻機(jī)。此后，ArF浸沒式光刻機(jī)配合多重曝光技術(shù)，將芯片制程推進(jìn)至7nm。技術(shù)+供應(yīng)鏈與生態(tài)+資金，重重壁壘筑高墻公司與供應(yīng)商聯(lián)系十分緊密，主要通過模塊化外包和聯(lián)合開發(fā)的方式獲得核心原材料，與5000余家供應(yīng)商和合作伙伴維持著長期、密切、