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1、光刻设备行业报告目录1光刻设备：半导体制造的核心装备41.1 光:决定芯片性能最关键工艺41.2 光刻图谱：多种路线并存，扫描式光刻为主流1013各项革新推向光刻性能巅峰142光刻机：多种先进系统的精准组合193光刻设备市场规模大，国产亟待零的突破334投资建议：整机尚需时日，配套设备与零件先行454.1 苏大维格：发力非IC光刻机与多种光学元件454.2 茂莱光学：供应多种前道光刻机零件494.3 芯源微：光刻机配套显影涂胶设备先行者504.4 精测电子：光刻涂胶显影后电路量测设备514.5 盛美上海：开发显影涂胶设备，扩大产品工艺覆盖514.6 美埃科技：有力保证光刻净化环境524.7 福
2、晶科技：激光晶体打入ASML供应链534.8 炬光科技：光刻机电子及光学元件供应商545风险提示55I图I.先刻产业俄格局困光刻相关设备2022年ASMLIt据全球光电设与身布垣200亿美元中BB%fiififli市场至少20亿元ASML市母占比大妁9成RSLaser14anJM国内精密opptzOBS光学光刻零部件ffiMASML51.5%H*M全球光IS零件市场近百亿英元bMIOPTICXX国内企业QBI关浸没式光BI芍点*定光N.”一SVG0分80件已MIa目WKCASTECH募编CVMR三SAPHOTON光播等光学元件RI洛尔机电fay：=结构零部件aalbertsI画)华懋科技电光刻
3、材料SEMI:全球光皎6降24.7亿元*胃布B46.5C1I元(*)光材料分黑*，数十斡分产泥已证28nmH点H余光同皎品,拘1.S.RedAveMJCjIJmgrui?.三.bHi三三三/、凯美特气卜J金宏气体隼JSTfflI;,Feinhua罪利华屿合作伙伴ASML光刻技术发!全行业密切协同台积电在漫没式光刻节点助力02号项合作房东微电子EUV联91在极*外光&!节点助力欧洲本地多个研发机构助力光刻机国产化M追性IB升已1多个内!厂IR开台作长江存仰I2035牌X光刻皎(三)电子特气O掩模版相关,三IMERCK(fflJWM:PMDUcfLzjTHEUnOEGm)UPflirLiquid*
4、。FlyWrWwoTJDNPTOPPANIinecIiTU/e=VcchniMheUdtnentn4Mv*nWARCNL依据未泳：各公司及北杓审问,廿通证年绪定所1光刻设备：半导体制造的核心装备1.1光刻：决定芯片性能最关键工艺自1958年第一块集成电路诞生以来其工艺技术持续高速发展。随着集成电路工艺制程的不断升级，晶体管集成度不断提高；观察到这一行业发展态势，英特尔创始人之一的戈登摩尔(GordonMoore)提出：当价格不变时,芯片容纳的晶体管数大约每18个月到24个月翻倍,这就是著名的摩尔定律。芯片集成密度与可靠性的不断提升，推动了从大型机到个人电脑，再到移动终端、物联网、人工智能的电子
5、工业的革命。ft4*S:ASMLH,环通证卷纣咒所自1960年代以来，芯片性能的发展整体遵循摩尔定律。但高速持续发展并非自然而然的，而是蕴含着集成电路设计、芯片生产、电子材料、半导体设备行业长期的研发积累与不断改进。改进分为两大类:工艺和结构。工艺的改进以更小的尺寸来制造器件和电路，并使之具有更高的密度、更多的元器件数量和更高的可靠性；器件结构设计上的创新使电路的性能更好，实现更佳的能耗控制和更高的可靠性。无论是缩小尺寸还是构造创新,均需要以光刻机为核心的半导体设备支持；作为芯片制造的工业母机，光刻机等设备历经了数次重大升级革新。图3.光刻的基本原理数据来源：EEweb,财通i正券研究所光刻、
6、刻蚀、薄膜沉积，同为集成电路制造的三大工艺；其他的步骤则包括清洗、热处理、离子注入、化学机械抛光、量测等。光刻是将设计好的图形从掩模版或倍缩掩模版,转印到晶圆表面的光刻胶上所使用的技术。光刻技术最先应用于印刷工业,并长期用于制造印刷电路板。半导体产业在1950年代开始采用光刻技术制造晶体管和集成电路。集成电路制造都是利用刻蚀、沉积、离子注入将描绘在光刻胶上的图形转移到晶圆表面，故晶圆表面的光刻胶图案是最基础的电路图案。描绘在晶圆上的最基本电路结构由光刻产生,因此光刻是集成电路生产中最重要的技术。图4.芯片生产的工艺步骤.沉职4RIjfcfl8BHMBTttAABSMXBK-KSSHXAitX用
7、JUM在JUnS用。电*AHt尢使用及或化7的方*!（光H夫一修不霍的KH4iMthMH*BtMN出电塞BHBKt不*费的簿flMAttSHSa股）保护的万分，JtHR分.下的丸M未SIa（九SICU入M定几*眩分.，为电N!*面彩aXKMn*M散安罐电毫堵内的电性完整的光刻工艺包括多个细分步骤：1.气相成底膜和增粘：对原始硅片清洗、脱水，并涂抹增粘剂。2.旋转涂胶：对晶圆表面做光刻胶涂覆,实现指定的厚度和均匀性,并把边缘和背面多余的光刻胶清洗掉。3.软烘：去除光刻胶中的溶剂。4.对准和曝光：将掩膜版和晶圆精确对准后进行曝光。5.曝光后烘焙：通过一定温度激发曝光产生的酸，使部分光刻胶溶于显影液
8、并提高显影的分辨率。6.显影：喷涂显影液，溶解光刻胶上被光照射过的区域，形成电路图形。7.坚膜烘焙：热烘进一步去除残留的光刻胶溶剂，并提高光刻胶的粘性。8.显影检查:检测显影后的电路图案，如果不符合要求需重新进行光刻步骤。现代集成电路一般由多层结构组成,在芯片的生产中,需多次重复光刻、刻蚀、沉积等步骤，层层成形并最终形成完整的集成电路结构。图5.ASML光刻机的全球供应链040%欧洲（有兰外）11%及洌13%敦据来源：ASML官网，财通证券研究所光刻机是光刻步骤的核心设备,也是技术难度和单价最高的半导体设备。荷兰ASML公司的光刻机供应链包括全球各地5000家供应商,应用到了光学、电磁学、材料
9、学、流体力学、化学等领域最尖端的研究成果。同时,光刻机集成了精密自动化机械、高性能仿真软件、高灵敏度传感器、图像识别算法等多个子模块，光刻技术是集成电路制造的核心。从原始的硅片起到键合垫片的刻蚀和去光刻胶为止即使最简单的MOSIC芯片都需要5道光刻工艺，先进的集成电路芯片可能需要30道光刻工艺步骤。集成电路制造非常耗时，即使一天24小时无间断地工作，都需要68周时间完成芯片，光刻工艺技术就耗费了整个晶圆制造时间的40%-50%o图6.多矣设备与光刻密切相关计算光刻Z-J1一X量浅检脸l涂胶光显影j（）沉IR,刻检x*C）_-*单层完成光刻胶离子注入进入下一层制程移除般裾皋次：ASMLTHTEL
10、i,M.中科龙微电子所.kmckfc.片道法豪蚓文所此外在光刻工艺中，涂胶显影设备、量测设备、光刻计算软件系统与光刻机配套运行。涂胶显影设备具备增粘处理、光刻胶（也包括抗反射层和抗水涂层）涂布、烘烤、显影液喷涂、晶圆背面清洗和去边、浸没式光刻工艺中晶圆表面去离子水冲洗（水渍消除）等功能。涂胶显影设备的工作性能和工艺质量，直接影响到光刻的良率。量测设备对光刻后电路图形的套刻误差（若干次光刻之间关键尺寸进行测量，并扫描识别图案缺陷，监控工艺质量并，将信息反馈给光刻计算系统以改善工艺。光刻计算系统是光刻步骤的神经控制中枢：它能够依据给定的部分参数，对光刻的工艺流程、材料、环境进行高精度仿真，预测光刻
11、的结果,节省大量试错的成本。同时，光刻计算系统也会根据量测设备反馈的测量参数,调整光刻设备的光照、聚焦、掩膜系统的各项设置参数。图9.光刻机描绘电路的图纸：掩模版各种对准标志4t4： APPbCdEkrmwiss 官K咐逋证和Z除了各类设备之外，光刻工艺中所使用到的光刻胶、掩膜版、电子特气等也具有较高的技术壁垒。光刻胶（Photoresist）是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等照射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。由感光树脂、增感剂和溶剂3种主要成分组成的对光敏感的混合液体。曝光后的光刻胶经过显影液处理后,会留下所需要的电路图案。光刻掩膜版（光罩MaskReticle）,是光刻工艺所
12、使用的图形母版。由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形结构，通过曝光过程将掩膜版上图形信息转移到光刻胶图形上。光刻用电子特气主要包括ArNeXexKr/Ne、F2KrNexF2ArNeo气中的惰性气体和卤素气体在受到电子束激发后所形成的准分子发生电子跃迁后可产生特定波长的光，即可产生准分子激光。1.2光刻图谱：多种路线并存，扫描式光刻为主流半导体生产中，光刻技术的发展经历了多个阶段。接触/接近式光刻、光学投影光刻、分步（重复）投影光刻出现时间较早。集成电路生产主要采用扫描式光刻、浸没式扫描光刻、极紫外光刻的工艺。此外，X射线/电子束光刻、纳米压印、激光直写技术可能是未来的技术突破方向。图1
13、1.光刻技术的发展图谱敦据来源：集成电路产叱全书.王阳元.财通证券研究所1.2.1 接触/接近式光刻机（Aligner）:光刻设备鼻祖1961年美国GCA公司制造出了第一台接触式光刻机，掩模盖与光刻胶图层直接接触，光线透过掩膜进行曝光时可以避免衍射。接触式光刻机的工作方式，对光刻胶和掩模版都存在损坏和污染，生产良率低，掩模版寿命短。为解决上述问题，产生了接近式光刻机，掩膜和表面光刻胶之间存在微小空隙。这些新设计提高了良率和使用寿命，但是光在微小间隙中的衍射现象，使得最高分辨率只有3微米左右。这一时期的光刻机厂商有Siemens.GCA、KasperInstruments和Kulick&Soff
14、a等，典型的芯片产品有英特尔4004/31OL接近/接触式光刻厂家，目前还有德国苏斯和奥顺IJEVG,其设备主要服务于MEMS、先进封装、三维封装、化合物半导体、功率器件、太阳能领域。1.2.2 扫描投影/重复步进光刻机(Stepper):仍满足大线宽工艺Perkin日mer在1973年推出了MicraIignlOO,世界首台投影式光刻机，采用汞灯光源，孔径数值0.17,分辨率2微米。工作过程中，扫描台承载硅片与掩膜版同步移动，汞灯发出的光线经过狭缝后成为均匀的照明光，透过掩膜将图案投影在光刻胶上。其对称的光路设计可以消除球面镜产生的大部分像差，Micralign让芯片生产的良率，从10%提升
15、到了70%o我林东琼：集成电力与先制机，王向机氟风包：(LithographyandOlbcrPatterningTechniquesforFutureElectronics),StcphcnYCbnu.尊/k4t4t来源：泰成电珞与光ti王向M鼠及4。时通证*鳍无所用为了满足更高的进度要求，1978年,美国GCA公司推出了首台步进重复投影光刻机。其工作原理如上右图中第二小图所示，硅片表面存在若干个曝光场(22mmx22mm),分步重复投影光刻机每次整体曝光一个场。步进重复光刻机不需要实现掩模和圆片同步反向扫描，在结构上不需要扫描掩模台和同步扫描控制系统，因而结构相对简单，成本相对较低，性能更
16、加稳定。同时，由于其采用缩小倍率的物镜（4:1或5:1或10:1）,降低了掩膜版的制作难度，能够满足0.25微米以上线宽制程的工艺要求。目前，步进重复光刻机仍然广泛应用在非关键层、封装等领域，采用g线或i线光源，少数高端设备采用KrF光源。图16.上海微电子步进重复光刻机数据来源：上海微电子官冈.财通证券研究所上海微电子装备公司于2009年开发SSB500系列步进重复光刻机,2015年在封装领域市占率已达40%o1.2.3步进扫描光刻机（SCanner）:主流光刻设备通用集成电路工艺制程达到0.25微米后，步进扫描式光刻机的扫描曝光视场尺寸与曝光均匀性更具优势，逐步成为主流光刻设备。其利用26
17、mmx8mm的狭缝,采用动态扫描的方式（掩膜版与晶圆片同步运动），已经可以实现26mmX33mm的曝光场。当前曝光场扫描完毕后，转移至下一曝光场,直至整个晶圆片曝光完毕。通过配置不同类型的光源（I线、KrF.ArF,EUV）,步进扫描光刻机可以支持所有集成电路工艺节点；但为满足高端工艺节点的性能要求，每一代步进扫描光刻机都历经了重大技术升级。例如：步进扫描式光刻机26mmx8mm的静态曝光场相对较小，降低了物镜系统制造的难度；但其工件台与掩膜台反向运动的动态扫描方式，提升了对运动系统的性能要求。对此，荷兰ASML公司于2001年首次推出了双工件台，满足先进工艺的的速度、精度、稳定性要求。13各
18、项革新推向光刻性能巅峰自1990年美国SVGL公司推出MicrascanI步进扫描光刻机以来，全球主流光刻机厂商均采用步进扫描光刻原理。这其中，DUV步进扫描光刻机包揽7纳米及之前的全部工艺制程。在1990到之后的这近30年时间里，集成电路制造工艺水平已经发生翻天覆地的变化。而为了满足先进制程的各项要求，光刻机除了之前提到的双工件台外，还采用了多项其他重大革新。阳19.7纳米（含）前制程均用DUV光刻机完成20072009201020112012201320142015201620172018iPhoneiPhone3GiPhone4iPhone4SiPhone5iPhone5SiPhone6
19、(*)IPhOne6S*)iPhone7()iPhoneiPhoneAPL0098APL2298A4A5A6A7A8A9AlOAllA1290nm65nm45nm32nm28nm20nm1416nm16nmIOnm7nmXT:12X0XTr14X0XT:”XWTXT;f9X0fMXTfMOAIA700N)CT1990Oi/15-/AWiM/,122.2mm,.n,mm2,96104mm272mm,71.8mm2S3.3m97mm102mmg7.4mm,SH1MMUMUMUMMXMMMMMM1CorvICofeICore2Corv!Cf9ICerv2CoreJCGrV1C*UIGFUIsU2G*
20、V3614GFU4G*UGRUMM*4UMMf0GiOJGMiIJCMttJKc14GKIaSGHt皴桥东象：ASML时递建卷明定所更高端的工艺制程的集成电路，具有更小的线宽，这就需要光刻机M有更高的曝光分辨率。此时就需提到决定光刻分辨率的公式R=KlNao其中,Kl为工艺因子常数,与照明方式、掩膜类型、光刻胶显影性能等参数相关；入为光源波长；Na为物镜的孔径数值。光刻机不断提高物镜的孔径数值，并采用波长更短的光源来提高分辨率水平。I图20.ASML光刻机性能参数不断进步1000100-UoBnos入NA Hin (365nm)XT:1400KrF (24Snm)NXT:19501ArF (1
21、93nm)ArF lmmrsion (193nm)NA445%Wavelength (nm 436 I 365 MtrwI 13 Aif M mmrw10 135EWNXE:34002015NA*7%EUV 0.33 NA (13.5nm)wEUV 0.55 NA (13.5nm)EXE:5000数据来公：ASMIr财通证券马究所SVGL公司于1993年推出的MicrascanII型光刻机，采用250nm汞灯光源，分辨率为350nm,孔径数值为1.35。1995年,日本尼康推出全球首台采用248nm的KrF光源的光刻机,分辨率达到250nm;并于1999年推出首台采用193nm的干式ArF光源
22、的光刻机NSR-S302A,分辨率小于180纳米。在此之后，光源波长一直停滞在193nm水平，提升分辨率主要依赖改良物镜，提升孔径数值。针对如何进一步提升分辨率的问题上，各厂家产生技术争议。日本企业计划采用157nm的F2光源；荷兰ASML决定采用台积电研发副总监林本坚提出的，在物镜镜头和晶圆之间增加去离子水增大折射率的设想。ASML于2004年推出首台浸没式光刻机(ArFi)TWINSCANAT1150i,获得客户迅速认可，市场份额得以快速攀升。I图21.光刻机的浸没式系统,Iszzasml市场份额快速孥升采用浸没式系统的光刻机，其入射到晶圆表面的光线等效为134nm的波长，叠加物镜的不断改
23、进（孔径数值NA最高可达1.35）,整机的半周期分辨率（half-pitch）提升到了小于38纳米的级别,可满足28纳米工艺需求。但当制程等级达到22纳米级别时，光刻机的分辨率也已力不从心，各大晶圆厂分分引入了多重膜版工艺。图23.双重光刻工艺（LELE）国24.利用侧墙实现的自对准双空图形（SADP）=;=.UU咄.XXllllPretuhRrtmOcEKhIMMtkomttmiMCQndKhoMrtnwU2刈-PrintlitoEtchOePo5Removetcnalmandrelandetchmandrelpatternspacer歌彝来通：Lamresearch.时通i军研无所皴弊来4
24、:LaInMSearCh.时通证泰研无所多重掩膜版工艺有多个细分类，其中双重曝光（DE）在28纳米节点首先启用,用于改善图形质量。此外,曝光-固化-曝光-刻蚀（LFLEl双重光刻（LELEX三重光刻（LELELE）,自对准多重图形（SAMP）技术陆续在1416nm-7nm工艺节点发挥了重要作用。多重掩膜版工艺的发展，对光刻设备提出了更高的要求。图25.套刻误差对图案的影响没仃册期修动 城条周期H；变It据来琼：集成电路产业全书，王阳元，财通证券研究所首先，为保证两次光刻之间的精准对齐（否则会产生电路错位或高度均匀性偏差），光刻机需要严格控制套刻误差；为此光刻机升级采用更精确的对准系统和运动系统
25、,也配备了更高等级的套刻误差测量设备。其次因为采用双重光刻（LELE）等使每次曝光的图案间距增大一倍，但是对图案本身线宽的要求并没有降低。对此，光刻机需要更好的图案质量和稳定性，更小的光学畸变。I图26.极紫外光刻机的应用图27.EUV光蓟极大简化工艺步寐针对5纳米及以下的制程节点，分辨率更高极紫外光刻机（EUV）成为必需设备。因为当工艺节点达到7纳米等级后，自对准四重图形（SAQP）等成为光刻工艺的主流方案，也产生了相关技术难题。首先，自对准四重图形和三重光刻包含大量配套的刻蚀、薄膜沉积、去胶和膜层剥离等步骤，工艺复杂程度急剧提升，保持良率难度大。其次多重曝光所采用的193nm光源本身的分辨
26、率极限,其成像能力不满足5纳米或更高等级制程需求。EUV光刻机也可降低10-7纳米等级芯片生产的复杂程度。数据来源：ASML,财通廷春研究所与DUV使用的准分子激光光源不同，EUV光刻采用13.5nm波长的离子体光源。这种光源是通过二氧化碳激光器轰击雾化的锡（Sn）金属液滴，将它们蒸发成等离子体，通过高价锡离子能级间的跃迁获得的。由于EUV光线波长短很容易被空气吸收，所以工作环境需要被抽成真空，也无法被玻璃透镜折射。硅与铝镀膜的布拉格反射器（Braggreflector,一种多层镜面，可以将很多小的反射集中成一个更强的反射）取代了原有的物镜。德国光学公司蔡司（Zeiss）生产世界上最平坦的镜面
27、，使得EUV光线经过多次反射后能够精准的投射到晶圆上。目前ASML最先进的EUV设备为NXE3600D,分辨率达到13纳米，适用于3-5纳米芯片制程，未来计划通过进一步提升孔径数值来提高分辨率水平。L4电子束、纳米压印：潜在的另辟蹊径熟糖来及：MattCoAIIiwimd财通i蔡纣尢所做樵表兼：吉仓达木.计遍过卷”化所电子束/激光直写技术使用带电粒子/激光直接轰击对象表面，在目标基片上一次形成纳米图案构造，无需制备价格昂贵的掩膜版，生产准备周期较短。这其中激光直写光刻已经运用到了PCB制造中。电子束光刻具有极高的分辨率10纳米等级和曝光精度,有望成为EUV光刻之外的另一种选择。目前电子束光刻的
28、技术局限是工作效率较低,无法运用在大规模集成电路生产中；后续的多电子束光刻有望在未来解决这一问题。纳米压印采用电子束等技术将电路图案刻制在掩膜上，然后通过掩膜使得对象上的聚合物变形，再采用某种方式使得聚合物固化，进而完成图案的转移。纳米压印具备分辨率高，成本低的特点；但其同时存在刻套误差大，缺陷率高，掩膜版易被污染的技术问题。2光刻机：多种先进系统的精准组合2.1光刻机的整体结构图31.光刻机的结构光刻机是最复杂的工业产品之一,其本体由照明、投影物镜、工件台、掩模台、对准与测量、掩模传输、晶圆传输等主要系统组成。此外,还有环境与电气系统、光刻计算（OPC）与掩膜优化（SMO）软件、显影涂胶设备
29、提供支持。主要性能指标有分辨率、套刻精度和产率。随着集成电路的发展，光刻机各个系统不断优化升级，双工件台技术与浸液技术相继被采用，采用全反射式光学系统的极紫外光刻机已经用于量产。为了满足不断提升的性能指标要求，光刻机的各个组成系统不断突破光学、精密机械、材料等领域的技术瓶颈，实现了多项高精尖技术的融合。2.2光源系统:光刻机的能量源泉i线（365nm波长）及以上波长光刻机使用的光源是高压汞灯。高压汞灯能提供254579nm波长的光。使用滤波器可以选择性的使用i线（365nm）、H线（405nm）或G线（436nm）为光刻机提供照明光源。M4t: At.rtt1M.王向*!.财通让奉修究所ftM
30、4t:臬版电路与先创机,王向勃,M,. MUtKrF和ArF/ArFi光刻机使用准分子激光器作为光源，其工作的原理是：惰性气体（Kr,Ar）在电场和高压环境下与卤族元素气体（F2,CI2）反应生成不稳定的准分子。激发态的准分子又不断分解，并释放深紫外（DUV）的光子。KrF与ArF准分子分别释放248nmx193nm波长的光子。准分子激光是脉冲式的，其关键的技术参数有脉冲的频率、输出功率、持续时间、稳定性等。光源更高输出功率，意味着曝光时间缩短和光刻机产能提高。美国Cymer和日本gigaphoton的最新型光源，输出功率已达到120W,脉冲的频率是6000Hz,脉冲持的续的时间在100150
31、nso图34.单粒DUV激光产生的原理光质长准块 激能波校模降低光源系统的能耗和激光腔更换成本，也是降低光刻成本的主要方式。DUV光源主要通过三种方法来降低功耗、延长激光腔使用寿命。第一是改善腔体内部件的绝缘度。气体在腔体内电极之间的流动是由风扇（CFF）驱动的,通过改善腔体内部件的绝缘度可以解砌耗19%o第二个是增强气体的预电离（pre-ionization电极之间的间距大约有IOmm左右，如果不对气体作预电离，很难在电极之间形成稳定的放电，也会增加电极的损耗。第三个是电极表面特殊处理。电极的损耗限制了激光腔使用寿命，损耗程度与产生的激光脉冲次数（laserpulse）成正比。在放电时，气体
32、中的F会不断腐蚀金属制成的电极。经过特殊表面处理后的电极的抗腐蚀和抗离子溅射能力大大提高，可以使激光腔的使用寿命增大到600亿次脉冲以上。图36.GIGAPHOTON的ArF光源内部结构数据来源：GlGAPHoToN官网.财通证券研究所随着光刻技术对光源输出功率和频宽要求的不断提高,单激光腔结构的光源不能满足高功率和精准频宽同时输出。双腔结构的主振荡-放大技术被引入，其基本思想是利用主振荡腔产生小能量的窄频宽种子光，注入放大腔输出大能量脉冲，从而得到窄频宽、大功率的优质激光输出。图37.光源内置的测量模块It据来源：中国电子科技集团扉十三究所Cymcr：隹分子激光天的工作原理及应刖宋健等4人,
33、财通证券研无所激光光源在工作时，其内置的测量模块会测量各项运行参数，记录在系统中并传输到光刻机和晶圆厂内部的数据系统中。这些状态参数包括：输出能量、波长、频宽、束斑的形状、束斑的位置和发散度等。有些数据有助于工艺工程师监测光刻工艺的稳定性,并及时发现各类异常。Co2激光GIGAPHOTON官同.财通证春研克所It据来源：ASMLfl.#通证券研久的EUV光源是目前最先进的光源。EUV光刻机采用的是C02激发的1.PP光源，主要由主脉冲激光器、预脉冲激光器、光束传输系统、锡液滴靶、锡回收器、收集镜等构成。EUV光源的主要工作方式为：在真空腔体中，将高温熔融并加电磁场使其处于等离子体状态的锡从喷枪
34、中等间隔喷出，每个锡滴的大小保持在7.5-13微米左右。当锡滴经过中心区域时，安装在腔壁上的高分辨率相机捕捉到锡滴,反馈给计算机。计算机综合定位控制、激光光束轴、定时控制器等系统的数据，控制激光枪连续发射两个脉冲击中该锡滴体。第一个激光脉冲可使锡滴压扁为饼状，第二个脉冲紧随其后再次击中该锡滴,两次高能激光脉冲可将该锡滴瞬间加热至50000K,从而使锡原子跃升至高能态，并回归至基态释放出13.5nm的紫外光,经收集镜导入到曝光系统当中。图40.EUV光源工作原理图O液滴产生数据来通：ASML官网.财通证券研究所超导磁场系统位于EUV腔外部，并能在EUV腔内产生高强度的磁场，从而保护收集器镜面不受
35、锡等离子体产生的高速锡离子的影响。EUV光源的输出功率是重要性能指标。目前最先进的NXE3400C型光刻机，输出功率已达到250w,未来有可能升级到300w下T弋High-NA光刻机计划将功率提升到500wo23照明与物镜投影系统：精准成像图41.光刻机照明与投影物镜系统的工作流程图数据来源：ASML官网.财通证券研尢照明与投影物镜系统的精确性与稳定性,对于将掩膜版上的图案准确转移到晶圆上，起到决定性的作用，是光刻机的核心组件。现今主流光刻机的照明与投影物镜系统，都内置有光学调整功能组件，能够依据掩膜版的图案结合光刻优化算法，采取最佳的曝光优化方案。光刻机整体通过照明系统、掩膜版、投影物镜、光
36、刻计算的互相配合，实现最佳光刻方案。图42.光刻机照明与投影物镜系统结构效据来源：武汉光电国挛研究中心资料.财通证券研究所照明系统位于光源和掩模台之间，其功能是调节照明光场的空间和角谱分布，为掩膜版提供曝光最合适的照明光场（不同掩膜版图案适用不同的照明光场1主要功能包括：均匀照明、变化不同的照明方式、控制晶圆的曝光剂量。晶圆表面一格点的曝光剂量是照明光场在扫描方向上的能量积分（累计值），其分布直接影响分辨率均匀性，所以照明均匀性成为关键性能指标之一。照明系统的能量监测单元，可测量准分子激光器发出的单个脉冲能量，并调整激光器的单脉冲能量，使累积的能量达到预定的曝光剂量。可变透过率单元，根据曝光剂
37、量及均匀性的要求改变光的透过率，调整照明光的光强。早期光刻机使用衍射光学元件（DOE）来调节照明方式（光瞳形状1激光光源发出的光，通过准直系统变成平行光后，投射到衍射光学元件上，再被折射到指定位置，从而形成特定的照明方式。2010年左右生产了光源掩模协同优化（SMO）技术，可对照明光场像素化编程，能快速生成任意照明模式。SMO系统的核心是一个可编程微反射镜阵列，微反射镜阵列中有数千个微反射镜，每个微反射镜都可以在照明系统光瞳面上产生一个光点。SMO系统可控制各个微反射镜的偏转角度，调节每个微反射镜的指向，从而得到目标光源。掩膜版图形也会根据SM0、光学邻近效应修正（OPC）等光刻计算软件的模拟
38、仿真结果进行调整。SMOwUkDOEI图44.像素化照明方式的成像效果SMOwiih Fy(ft DOFQZWi就尴来4: ASML.财遣i*纣图45.光刻计算优化的掩膜版的成像效果(noOPC)I11inOPCLuov(数樨来漉：(OPChfricndIymazerouting，Li-DaHuang,MartinD.F.Wong,财通汪券研究所光学邻近效应修正（OPC）系统通常与SMO系统组合运行。从180纳米制程节点开始，集成电路中的最小线宽已经小于光源波长。曝光时相邻图形光线的干涉和衍射效应会导致图像畸变，使得晶圆上的图形和掩模上的图形差别较大（线条宽度会变窄、窄线条端点会收缩、图形拐角
39、处变圆滑OPC系统依据光照条件和电路图案，对掩模上的图形做适当修改可以补偿这种效应。位于掩膜版和晶圆之间的投影物镜系统,也可以通过计算光刻系统与SM0、OPC技术相结合，实现照明、掩膜、投影物镜的协同优化,提高光刻机的成像质量。投影物镜将掩膜版图形，按照一定的缩放比例（通常是4:1）投射到硅片面。由于掩模图形的线宽是硅片上的4倍，降低了掩模制造难度、减小了掩模缺陷对光刻的影响。但由于光源的波长不断减小，导致投影物镜的可用材料种类越来越少。大部分光学材料在深紫外（DUV）波段透过率都很低，可用材料只有熔融石英与氟化钙，世界上只有少数几家材料供应商能够提供。图48.光刻中的波前畸变4t据来源：起大
40、规模集成电路先进光划理论与应用.由亚一.DetectingabnormalbehaviorinlithographyMachines，B.Dasscn.财通证券研究所即使是采用最高等级材料制作的透镜，也不可避免地存在像差。物镜镜片长时间曝光后的热效应、镜片的老化变形、光学元件缺陷、及透镜技术的自身光学局限都会导致像差。其中，对像差形成影响最大的光线经过透镜后的波前畸变，波前畸变可用泽尼克多项式描述。光刻机光学系统的设计，需要考虑64阶的尼克多项式系数影响。先进集成电路光刻工艺对像差的要求非常严格。高端光刻机（浸没式/EUV）的像差与畸变已经降低到1纳米以下水平。为有效控制图像畸变，光刻机的投影
41、物镜系统会在工作过程中，实时调整自身的光学元件。投影物镜系统的光学元件调整机制，与OPUSMO等光刻计算系统协同运作。主要的运作方式为：在光瞳附近增加可局部加热的光学元件，通过控制该元件局部温度的变化改变材料折射率，实现高阶波像差的补偿；或是在投影物镜光路中增加变形镜，通过控制变形镜的形变改变光程，实现高阶波像差的补偿。破如来冰：ZElsSASML时通暹条研无所能提来源：ASML递运率就无所EUV光源发出的波长为13.5纳米的极紫外光，被几乎所有光学材料强吸收，故EUV光刻机的照明系统的投影物镜系统只能采用全反射式结构。EUV的反射镜对加工精度的要求极高，其表面镀有铝/硅多层膜及一层2-3nm
42、的钉保护膜。钉膜可以有效延缓铝/硅的氧化，降低碳在表面沉积的速率。2.4工件台系统：光刻产能与精确对准的关键双工件台系统于2000年被荷兰ASML公司发明推出，被称为TWINSCAN系统。在双工件台系统中，两个工件台相对独立但同时运作；一个工件台承载晶圆做曝光时，另一个工件台对晶圆做对准测量等准备工作。当第一个工件台的曝光步骤完成后，两个工件台交换位置和功能。双工件台的工作过程中，晶圆在测量工件台上完成晶圆片装载、三维形貌测量后，两个工件台通过位置交换进入曝光位置，再与掩模对准后，完成扫描曝光。老式的光刻机中只有一个工件台，晶圆的上下片、测量、对准、曝光依次进行；而在双工件台光刻机中，大部分测
43、量、校正工作可以在非曝光工件台上进行，曝光位置的利用效率大幅提高。双工件台的发明使得光刻机的产能有了大幅度的提高。传统的单工件台光刻机很难实现其产能超过100WPH,而基于双工件台的ASML浸没式光刻机的产能已经能超过200WPH,部分新型光刻机产能已经接近300WPHo图55.ASML新型机台产能不断提高190WPh230wph250WPh27SVPhNXT150IIfyMe数摭来源：ASML财通证赤究所双工件台设计有效提高了产能，也为光刻过程中的测量步骤预留出了更多的时间。掩模台与工件台需高精度同步运动，否则会导致成像位置偏移，降低分辨率和套刻精度。此外，高端光机广泛运用在多重曝光工艺中，
44、这些工艺对晶圆、工件台、掩膜版之间对准精度要求极局图56.掩膜与晶圆上的对准图形数据来源：超大规模集成电珞先进先刻理论与应用，$五一,财通证券研究所晶圆和掩膜版上设计有特殊对准图形，两者位于一定范围内，光刻机的光学系统对准才能捕捉到；这要求工件台与掩膜台具备预对准功能。工件台和晶圆有对准标记，ATHENA对准系统，能依据对准标记确其位置；此外工件台上设置有TlS传感器，TIS对准系统将掩膜上的TIS标记投射到工件台TIS传感器上进而计算出掩膜图形与晶圆的相对位置。TIS与ATHENA对准系统主要依赖光学原理进行，更先进的对准系统采用更多波段的光源，进一步提高对准精度。居来笈：ASML.“道常落
45、个定所ftS4:ASML.财通证本峰定所硅片曝光过程中，工件台需要反复进行步进、加速、扫描、减速等运动。实现高产率要求工件台具有很高的步进速度、很高的加速度与扫描速度。目前高端ArF光刻机套刻精度已达到1.4nm.为实现这些指标，工件台的定位精度已达到亚纳米量级，速度达到lm/s,加速度达到30ms或更高。此外，工件台/掩模台在高速工件台的这些指标，对超精密机械技术提出了很高的要求。图59.晶圆表面的3D形貌图tn效据来通：超大规模集成电珞先进先划理论与应用.书亚一.财道证券研究所光刻机的物镜存在聚焦深度，聚焦深度外的光刻胶无法有效曝光。因此，对掩模图形进行曝光时，整个晶圆表面必须处于焦深之内。然而晶圆表面并不是完全平整的，尤其是经过多次刻蚀、沉积之后。因此曝光前，必须对晶圆面进行高精度的调焦调平。首先通过调焦调平传感器，确定最佳的焦面距离和倾斜量，然后通过工件台进行调节，使晶圆表面待曝光区域位于焦深范围之内。先进的ArFi光刻机的焦深在100nm以下，因此双工件台需要具备纳米级别的调节能力。3光刻设备市场规模大，国产亟待零的突破3.1 芯片制程升级，光刻设备成本占比不断提升光刻机是半导体前道制造设备之首，最大的半导体设备细分类市场。光刻机是集成电路制造的核心设备，全球半导体设备市场中光刻机占比超24%o且
