半导体周报(国科龙晖整理)-0820
一、行业动态及新闻：
1、半导体设计：
《科创板日报》16日讯，近日，鸿海集团投资的AI初创公司耐能智慧发布了边缘运算AI芯片「KL730」，瞄准智能驾驶与私有GPT应用，可降低大型语言模型的高运算成本，以及云端传输可能引发的风险。耐能先前推出KL720 AI芯片，并于今年3月打入高通产品线。
2、半导体制造及封测：
《科创板日报》14日讯，三星位于美国得克萨斯州泰勒县的新建4nm制程半导体制造工厂首次对外公开客户，将为美国一家AI半导体企业Groq生产4纳米制程的AI加速器芯片。据了解，三星该厂总投资为170亿美元，预计 2024 年下半年正式运营，量产4纳米制程产品。从今年起，三星Foundry泰勒工厂已可提供4纳米MPW（Multi Project wafer）服务，即在单个晶圆上试产多种半导体产品，为敲定量产前的必经阶段。
《科创板日报》15日讯，三星电子和SK海力士虽然积极进行内存减产，不过目前半导体库存仍维持增加趋势，2023年上半两家业者合计库存规模已突破50兆韩元。
《科创板日报》15日讯，当地时间周一，新思科技表示，已与英特尔签署协议，将自家技术构建模块纳入英特尔的半导体先进制程代工中，其中包括新思科技的IP组合，新思科技将提供与英特尔Intel 3及Intel 18A制程兼容的设计组合。
《科创板日报》14日讯，据日经中文网报道，日本早稻田大学乘松航教授等人的研究团队，开发出了一种通过加热使半导体晶圆基板表面平整的方法，比传统研磨方法更便捷、性能更高，有利于改进半导体制造工序。研究团队利用碳化硅晶圆基板进行实验，由于晶圆是通过将整体晶块切成薄片来制造的，因此截面上容易凹凸不平，不能直接使用。传统的方法是结合多种方式进行抛光研磨，但这会导致内部容易出现损伤、表面形成落差。
《科创板日报》15日讯，消息称高通（Qualcomm）即将推出的Snapdragon 8 Gen 3，近日传出将独家采用台积电4nm N4P制程，但在台积电3nm产能方面，由于已被苹果、联发科包下，高通拟改三星代工。
3、其他：
财联社8月18日电，日本《读卖新闻》18日报道，日本、美国、韩国已开始协调建立新的“预警机制”，通过共享信息降低半导体供应链中断的风险。除半导体外，三国还将考虑共享关键矿物、蓄电池相关信息。据报道，美日韩三国领导人在戴维营举行会谈上达成了协议，预计将被写入共同声明。
财联社8月16日电，英特尔宣布终止对高塔半导体（Tower）的收购计划，原因是该交易无法及时获得监管批准。根据合并协议的条款以及协议的终止，英特尔将向高塔支付3.53亿美元的终止费。
《科创板日报》16日讯，今年上半年，三星电子半导体、智能手机和电视等产品的市场份额全面下滑。特别是公司在半导体领域的核心业务DRAM，虽然仍是全球第一，但其份额却创下九年来新低。根据市场调研公司数据显示，三星电子今年上半年在全球DRAM市场份额估计为41.9 %，同比下降1.6个百分点。下降原因是客户库存调整、出货量减少以及内存市场长期低迷导致的销售价格下降。
财联社8月15日电，沙特和阿联酋正在购买数千颗高性能英伟达芯片，这些芯片对构建人工智能软件至关重要。由此，这两个国家正式加入了全球人工智能军备竞赛。据知情人士透露，沙特已通过公共研究机构阿卜杜拉国王科技大学(Kaust)购买了至少3000块英伟达的H100芯片。与此同时，阿联酋也已经确保自己将获得数千块英伟达芯片，并已经在阿布扎比马斯达尔城的国有技术创新研究所开发了自己的开源大型语言模型——Falcon。
二、本周话题——半导体制造之光刻设备（一）
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。
芯片生产的工艺步骤
资料来源：ASML 官网，财通证券研究所
工艺流程：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。
与光刻密切相关的多类设备
资料来源：ASML 官网，TEL 官网，中科院微电子所，iopscience，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 MOS IC 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, 光刻工艺技术耗费了整个晶圆制造时间的40% ~50%。
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。1、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。2、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。3、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。
除了各类设备之外，光刻工艺中还会使用到的光刻胶、掩膜版、电子特气等耗材。1、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。2、光刻掩膜版（光罩 Mask Reticle），是光刻工艺所使用的图形母版。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。3、光刻用电子特气主要包括 Ar/Ne/Xe、Kr/Ne、F2/Kr/Ne、F2/Ar/Ne。光刻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。
核心设备——光刻机
光刻机本体由照明、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。
光刻机的结构示意图
资料来源：ASML，财通证券研究所
光刻技术发展历程
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。
光刻技术的发展图谱
资料来源：《集成电路产业全书》，王阳元，财通证券研究所
1、接触/接近式光刻机（Aligner）
（1）接触式光刻技术中掩膜版与晶圆表面的光刻胶直接接触，一次曝光整个衬底，掩膜版图形与晶圆图形的尺寸关系是1:1 ，分辨率可达亚微米级。特点：接触式可以减小光的衍射效应，但在接触过程中晶圆与掩膜版之间的摩擦容易形成划痕，产生颗粒沾污，降低了晶圆良率及掩膜版的使用寿命，需要经常更换掩膜版。
接触式光刻示意图
资料来源：萨科微半导体官网，中泰证券研究所
（2）接近式光刻技术中的掩膜版与晶圆表明光刻胶并未直接接触，留有被氮气填充的间隙。特点：最小分辨尺寸与间隙成正比，间隙越小，分辨率越高。缺点是掩膜版和晶圆之间的间距会导致光产生衍射效应，因此接近式光刻机的空间分辨率极限约为2μ m。
接近式光刻技术示意图
资料来源：萨科微半导体官网，中泰证券研究所
2、扫描投影/重复步进光刻机（Stepper）：世界的首台投影式光刻机，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， 这台光刻机让芯片生产的良率，从 10%提升到了 70%。
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。
三种投影光刻机的成像方式
资料来源：《集成电路与光刻机》，王向朝, 戴凤钊，财通证券研究所
3、步进扫描光刻机（Scanner）：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 26mm x 8mm 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 26mm x 33mm 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 26mm x 8mm 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。
步进扫描光刻机运动原理
资料来源：《集成电路产业全书》，王阳元，财通证券研究所
4、干法光刻和浸润式光刻
（1）干法光刻：干式光刻使用气体和等离子体等物理过程，而不是液体化学液体来处理材料。干式光刻技术无法满足不断缩小的线宽：光从投影物镜射出，由玻璃介质进入空气介质，会发生衍射，光角度发生变化，最终成像于晶圆表面。随着线宽不断缩小，衍射效应不断增加，需要增大投影物镜直径来接受更多的光，这导致物镜内聚焦的光角度越来越大，再经过折射效应，射出投影物镜的光角度接近水平，无法成像。
干式光刻示意图
资料来源：萨科微半导体官网，ASML，中泰证券研究所
(2)浸润式光刻技术使光刻水平进一步提高：投影物镜下方和晶圆间充满水，由于水的折射率和玻璃接近（在193nm波长中,折射率空气=1，水=1.44，玻璃约为1.5），从投影物镜射出的光进入水介质后，折射角较小，光可以正常从物镜中折射出来。ArF光源加浸润技术实际等效的波长为193nm / 1.44 = 134 nm。
浸润式系统示意图
资料来源：萨科微半导体官网，ASML，中泰证券研究所
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。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（LFLE）、双重光刻（LELE）、三重光刻（LELELE），自对准多重图形（SAMP）技术陆续在 14/16nm-7nm 工艺节点发挥了重要作用。
（1）LELE（LITHO-ETCH- LITHO-ETCH 光刻-刻蚀-光刻-刻蚀）：原理是把原来一层光刻图形拆分到两个或多个掩膜上，利用多次曝光和刻蚀来实现原来一层设计的图形。
LELE原理
资料来源：芯制造，显示汇，中泰证券研究所
（2）LFLE （LITHO-FREEZE-LITHO-ETCH 光刻-固化-光刻-刻蚀）：原理是将第二层光刻胶加在第一层已被化学冻结但没去除的光刻胶上，再次进行光刻，形成两倍结构。LELE和LFLF技术的特点就是流程简单，缺点是两次光刻之间存在对准问题，如果工艺不够严谨，每次曝光的线宽偏差和两次曝光图形之间套刻误差将导致图形局部周期性的起伏。
套刻误差对图案的影响
资料来源：《集成电路产业全书》，王阳元，财通证券研究所
（3）SADP又称侧墙图案转移，用沉积、刻蚀技术提高光刻精度，其工艺流程如下：（a）在晶圆上沉积金属介质层、硬掩膜材料和芯轴材料（牺牲层）;（b）旋涂光刻胶，曝光显影后留下所需图形并刻蚀核心芯轴;（c）在芯轴外围沉积一层间隔侧墙，侧墙的大小即互连线的线间距，要精确控制其均匀度保证互连线间距的均一性；（d）清除掉芯轴材料，仅留下侧壁，再一次刻蚀将侧壁图形转移到下层掩膜层;（e）侧墙清除，经过掩膜层修饰后的图形，经过再一次刻蚀后传递给金属介质层形成最终图形，线宽仅为原来的1/2，SADP可以两次达到4倍精度。难点：工艺过程对侧壁沉积的厚度、刻蚀形貌的控制极其重要。
SADP技术工艺流程
资料来源：《基于自对准图形技术的金属互连工艺研究》，中泰证券研究所
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。
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。硅与钼镀膜的布拉格反射器（Bragg reflector，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，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 NXE 3600D，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。
EUV 光刻极大简化工艺步骤
资料来源：ASML,财通证券研究所
光刻分辨率是光刻曝光系统最重要的技术指标，由光源波长、数值孔径、光刻工艺因子决定。根据瑞利准则，分辨率公式为R= k1 * λ/NA，λ 代表光源波长，NA代表物镜的数值孔径，k1代表与光刻工艺因子。因此可以从以下三方面提高分辨率：
1）增大投影光刻物镜的数值孔径：一方面可以改进投影式透镜系统来增大入射角，另一方面可以采用折射率高的介质-浸润式。非球面的使用能够在不增加独立像差数的前提下，增加自变量的个数，有利于改善像质，同时在同等约束条件下，减少了光学元件的数量。非球面的应用使物镜NA可以增加到0.9，接近物理极限(干式光刻)；引入浸没式技术后，物镜NA可以增加到 1.1以上(浸没式光刻)；加入反射镜组成折反式结构理论上物镜NA可到 1.35 (极限值)。趋势为（干式）球面镜→非球面镜→(浸没式)非球面镜→折返式。
2）缩短曝光波长：由于晶体管越做越小，元件线路越来越密集，光刻机需要达到更高的分辨率，因此必须要寻找波长越来越短的光源。
3）减小光刻工艺因子：计算光刻OPC——在掩膜上增加辅助结构来消除图像失真，实现分辨率的提高；离轴照明OAI ——通过采用特殊光源让正入射方式光变成斜入射方式，目的是在同等数值孔径内容纳更多的高阶光，从而曝光更小尺寸结构，提高分辨率；相移掩膜PSM ——当两个光源进行成像时会在重合部分产生干涉效应，使光强增大，导致两个光源不能有效地区分开，如果通过改变掩膜结构在其中一个光源处采用180度相移，这两处光源产生的光会产生相位相消，光强相消，两个光源可以区分开，提高分辨率。
资料来源：《集成电路芯片制造中的高端光刻机发展趋势和技术挑战》
行业现状
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%。且随着半导体制程升级晶体管尺寸缩小，图案转移难度加大，光刻机的重要性和开支占比有望继续提升。
2022 年光刻机市场规模 198 亿美元，占晶圆生产设备总市场的 21%。光刻机市场前三大供应商占据了绝大多数市场份额，2018-2022 年，三大供应商的光刻机营收合计由 123 亿美元增长至 198 亿美元，对应 CAGR 为 13%。
2018-2022 年全球光刻机市场规模（亿美元） 全球半导体设备细分市场结构
资料来源：资料来源：阿斯麦、佳能、尼康官网，中信证券研究部
光刻机占半导体市场规模比例
资料来源：阿斯麦官网（含预测），中信证券研究部
出货量：光刻机出货量稳定提升，成熟制程出货量增长明显。阿斯麦、尼康、佳能三大厂商占据了光刻机绝大多数市场份额，通过统计三家公司的出货量发现：1）按设备类型分，EUV、ArFi、ArF dry 三类光刻机的销量较为平稳，而 KrF 与 i-line 两类成熟光刻机增长较快，主要受生产能力限制所致。2019-2022 年，EUV 光刻机出货量分别为26/31/42/40 台，ArFi 光刻机出货量分别为 93/79/85/85 台，ArF dry 光刻机出货量分别为35/33/25/32 台。2）按供应商分，2019 年-2022 年，阿斯麦出货量增长较为明显，出货量分别为 229/258/309/345 台，对应 CAGR 为 15%；佳能四年出货量分别为 84/122/140/176台，对应 CAGR 为 28%，主要销量增长主要来自成熟光刻机；尼康四年出货量分别为46/31/35/30 台，对应 CAGR 为-13%。
2019-2022 年全球光刻机出货量（台，按设备类型分）
2019-2022 年全球光刻机出货量（台，按供应商分）
资料来源：ChipInsights，中信证券研究部
EUV 光刻机单价增长明显，其余价格较为稳定。2018-2022 年，EUV 光刻机ASP 保持高位且持续上升，由 2018 年的 1.0 亿欧元提升至 2022 年的 1.8 亿欧元，与其余产品相比价格上涨较为明显。我们认为，随着下游芯片性能需求不断提高，市场对先进制程需求有望反映于光刻机的需求增长，进而推动 EUV 光刻机价格持续上升。
不同类型光刻机 ASP（亿欧元/台）
资料来源：ChipInsights，ASML 财报，中信证券研究部
竞争格局：三大供应商占据主要市场，阿斯麦为绝对龙头。光刻机行业属于明显的寡头垄断格局，前三供应商（荷兰阿斯麦、日本佳能、日本尼康）占据绝大多数市场份额。
1）从供应商角度看，阿斯麦在市占率上具备明显优势，2022 年按出货量（345 台）市占率为 63%，按营收看市占率为 81%，两类市占率之间差异较大，主要由于 EUV 单价明显高于其它光刻机。2）从光刻机类型角度看，高端光刻机（EUV、浸入式 ArF、干式 ArF）主要玩家为阿斯麦，按出货量市场占比分别为 100%/95%/87%。
资料来源：ChipInsights，中信证券研究部
大陆相关企业：
光刻整机：上海微电子
上海微电子：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。
显影涂胶设备：
芯源微：沈阳芯源微成立于 2002 年，由中科院沈阳自动化研究所发起，公司产品包括涂胶机、显影机、喷胶机、去胶机、湿法刻蚀机、单片清洗机。公司涂胶显影相关技术积累深厚，涂胶显影机 offline、I-line、KrF 设备全部实现批量销售并正在快速放量。在国内涂胶显影设备厂商中，芯源微优势明显。根据公司年报，芯源微是国内唯一可以提供量产型前道涂胶显影机的设备商。2022 年，公司光刻工序涂胶显影设备营业收入达到 7.57 亿元，占年营业总收入的一半以上。同年芯源微首台浸没式高产能涂胶显影机业已实现验收，标志着公司前道涂胶显影设备已完成在晶圆加工环节28nm 及以上工艺节点的全覆盖，并持续向更高工艺等级迭代。
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参考资料：
财通证券：光刻为半导体设备之巅，冰山峰顶待国产曙光
中泰证券：光刻机行业报告：从0到1，星辰大海
中信证券：阿斯麦：全球光刻机龙头，受益于先进制程需求增长
