光刻机市场现状

目前全球前道光刻机被ASML、尼康、佳能完全垄断,CR3高达99%。在当前局势下，实现光刻机的国产替代势在必行，具有重大战略意义。在02专项光刻机项目中，设定于2020年12月验收193纳米ArF浸没式DUV光刻机，其制程工艺为28纳米。考虑到此项目作为十三五目标，未来具有较大的明确性，结合28nm作为当前关键技术节点的性能和技术优势，我们认为光刻机国产替代将迎来新的曙光，尤其是IC前道制造领域，将初步打破国外巨头完全垄断的局面，实现从0到1的突破。

光刻机发展历史

光刻机是光刻工艺的核心设备，也是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，包含上万个零部件，集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域等多项顶尖技术。
作为整个芯片工业制造中必不可少的精密设备——光刻机，其光刻的工艺水平直接决定芯片的制程和性能水平，因此光刻机更是被誉为半导体工业皇冠上的明珠。

目前世界上最先进的光刻机及产业链系统

海外光刻机系统历经五代更新迭代，整体产业链明确，属于整个发达国家体系工业体系的精华集合，无论是技术高度，还是市场集中度，都是目前国内相关企业暂时难以企及的高度。

国产光刻机如何破局

中国晶圆代工需求占全球代工总需求比重日益提升。根据IBS显示，2018年中国IC设计公司对晶圆制造需求约805亿元，占全球晶圆代工规模4,088亿元的19.7%，到2025年时需求上升涨至30.5%。在这样的格局下，中国对于半导体制造设备的需求以及资本投入将会日益提高。

随着中国大陆代工厂的不断扩建，未来对于国产光刻机的需求不断提升，而当前国内与国外顶尖光刻机制程仍存在较大差距，国产光刻机应从如下几个方面寻求突破：1、产业分工：国内涉及相关光刻机零部件的企业形成产业分工，各取所长研发、提供相应的技术和零部件；2、科研投入：目前国内企业仍存有买办思维，光刻机作为人类智慧的结晶，高科技产物，科研投入必不可少；3、技术突破：汇集顶尖人才对于核心技术优先突破；4、人才积累：注重奖励机制。

国内光刻机进展情况简介

上海微电子是大陆光刻机进展最快的厂商。上海微电子装备(集团)股份有限公司主要致力于半导体装备、泛半导体装备、高端智能装备的开发、设计、制造、销售及技术服务。公司设备广泛应用于集成电路前道、先进封装、FPD面板、MEMS、LED、Power Devices等制造领域。

上海微电子的光刻机可满足IC前道制造90nm、110nm、280nm关键层。目前上海微电子正在攻坚的28nm的DUV光刻机，未来中国光刻机有望从90nm突破至28nm。

光刻机三大核心系统

光刻机是一种投影曝光系统：光刻机由光源、照明系统、物镜、工件台等部件组装而成。在芯片制作中，光刻机会投射光束，穿过印有图案的光掩膜版及光学镜片，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上。通过蚀刻曝光或未受曝光的部分来形成沟槽，再进行沉积、蚀刻等工艺形成线路。

光源系统：能量的来源，光刻工艺的首要决定项

光刻光源系统不断发展，从高压汞灯光刻光源到深紫外光光源再到极紫外光光源。 
 1）高压汞灯：一种气体放电电光源，汞蒸气被能量激发，汞原子最外层电子受到激发从而跃迁，落回后放出光子。放电管内充有启动用的氩气和放电用的汞。
 2）深紫外光光源：一般采用准分子激光器作为光源。准分子激光光源工作介质一般为稀有气体及卤素气体，并充入惰性气体作为缓冲剂，工作气体受到放电激励，在激发态形成短暂存在的“准分子”，准分子受激辐射跃迁，形成紫外激光输出。准分子激光器常在输出能量、波长、线宽、稳定性等方面远超越前期的汞灯光源。

3）极紫外光光源：极紫外光光源由光的产生、光的收集、光谱的纯化与均匀化三大单元组成。工作元器件包括大功率CO2激光器、多层涂层镜、负载、光收集器、掩膜版等。

• 极紫外光光源原理：高功率激光击打金属锡,产生等离子体,辐射出极紫外光。将高功率的二氧化碳激光打在直径为30微米的锡液滴上，通过高功率激光蒸发锡滴，把融化的锡从高处以每秒5万次的频率滴下,每一滴锡20微米的大小, 瞄准每一滴锡滴,以CO2激光器产生的高能激光击中并产生等离子体,从而发出13.5nm波长的EUV光。实际上激光会发出两个脉冲——预脉冲和主脉冲。预脉冲首先击中锡珠，将其变成正确的形状，然后主脉冲将压扁的锡珠转化为等离子体，发射出EUV光。

曝光系统：照明系统+投影物镜基本代表光刻机的技术水平

曝光系统：曝光系统包含照明系统（光源加工）和投影物镜（高分辨成像），是光刻机中最昂贵最复杂的部件之一。物镜的性能决定了光刻机的线宽、套刻精度，是光刻机的核心部件，其技术水平很大程度上代表了光刻机的技术水平。

双工作台系统：精确对准+光刻机产能的关键

光刻机双工作台由两个工件台组成，两个工件台同时独立工作，负责完成步进运动、曝光扫描、对准扫描、上下硅片等功能。 
 双工作台工作流程：工作台分为1号和2号，1）2号工件台处于物镜下方，对晶圆进行调平调焦、曝光、刻片等操作，与此同时1号台进行待刻晶圆的上片下片；2）当2号台刻片完成，工件台系统进行换台，1号工件台换到物镜下方进行刻片，2号台进行上片下片，如此循环往复实现光刻机的高效生产。特点：双工作台较原先的单工作台效率提高了35%，精度提高10%，有效提高了光刻机的产能。

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