半导体周报(国科龙晖整理)-1120
1.行业新闻及动态
（1）半导体设计
芯旺微亮相慕尼黑华南电子展：32位车用MCU进入核心ECU模块。KF32A156在底盘控制类应用场景落地，国产化芯片进一步丰富汽车电子的应用，标志更重要的ECU的模块开始步入国产化/整个汽车电子进入国产化
华为完成IMT2020(5G)推进组5GRedCap关键技术外场测试。在IMT-2020（5G）推进组的指导下，华为携手国内知名芯片厂商在北京怀柔顺利完成R17RedCap关键技术外场测试。本次测试采用5G商用基站和RedCap芯片，下行峰值速率达到142Mbps，上行峰值速率达到35Mbps接近理论峰值。
IBM将和日本Rapidus合作开发2nm芯片。Rapidus将与IBM和一家日本研究机构共同开发下一代芯片技术，并在年底前成立，新研究所将涉及该国顶尖大学和其他公共资助的研究团体。日本经产省已向台积电、美国芯片制造商美光、铠侠及其美国合作伙伴西部数据提供补贴，以扩大其在日本的芯片生产。
（2）半导体制造及封测
荷兰阿斯麦公司将正式向韩国投资2400亿韩元。全球半导体设备制造商荷兰阿斯麦公司将正式向韩国投资2400亿韩元，阿斯麦公司将于16日举行“NewCampus”项目启动仪式，通过此举，预计韩国国内尖端设备相关原材料与零部件的供应链将会得到进一步加强。
美光宣布DRAM和NAND晶圆减产20%，并将进一步削减资本支出。为应对全球经济形式以及存储市场持续恶化的担忧，当地时间16日，美国存储芯片大厂美光科技发布新闻稿宣布，将DRAM和NAND晶圆产量减少约20%（与截至9月1日的2022财年第四季度相比）。此番减产将涉及美光再生产当中的所有技术节点。
就近支援三星，ASML将在韩建半导体设备重镇。荷兰半导体制造设备公司ASML发布消息称，将在韩国设立半导体制造设备技术基地，为保障半导体尖端领域供应链的安全，ASML将通过在韩国和中国台湾等地区设立技术基地，与客户企业之间建立紧密合作体制。
中国大陆第二大晶圆代工厂华虹半导体有限公司冲刺科创板IPO。近年来中国已不断设计并制造自己的芯片，半导体国产化将是长期投资主题，对于国内大芯片企业来说/现在是迎来需求增、供给减的窗口期，是抓住机遇的好时机。
（3）半导体设备及材料
Q3半导体设备持续放量，部分成熟制程设备国产化趋势显著提高。当前设备国产化已是大势所趋，凭借自身技术积淀、持续研发投入和产品优势，越来越多的本土企业可以支持成熟制程的半导体制造，在存量替代和增量扩张的共振下，国内设备厂商有望持续逆势增长，持续放量。
（4）其它
立讯精密已收购iPhone代工厂昌硕科技部分上海厂房。记者从多处信源获悉，立讯精密已于近期收购了iPhone代工厂昌硕科技位于上海浦东康桥工业区的部分厂房，一名消息人士称/之后立讯精密将携带自己的员工进入该厂区。
中国台湾正式通过芯片条例修正草案，最高抵减50%税额。中国台湾行政部门今（17）日正式通过《产业创新条例》第10之2条、第72条修正草案，针对技术创新且居国际供应链关键地位的公司/投资前瞻创新研发及先进制程设备适用新的租税优惠。
联特科技拟投资1.8亿元在马来西亚建厂，设计年产111.76万支光模块。武汉联特科技股份有限公司公告称，基于公司及全资孙公司马来西亚联特的发展战略需求，利用我国对光通信产业发展的优势，打造全球制造基地。马来西亚联特拟投资1.8亿元建设制造基地项目，预计建设工期24个月。
欧洲三大芯片制造商表态：遵守对华出口限制，但无计划停止在华业务。由于美国加大半导体出口管制全球供应链变得复杂，欧洲芯片制造商正在寻求在中国的业务稳定，意法半导体、英飞凌和恩智浦半导体的首席执行官近日表示，虽然他们遵守美国对中国半导体行业的出口限制，但他们没有计划停止在中国的业务。
三星电子今年已向半导体工厂投资近220亿美元，占全部工厂投资近9成。虽然当前全球半导体市场的状况并不乐观，在消费电子产品需求下滑的影响下，存储芯片的价格与需求双双下滑，三星电子、SK海力士等存储芯片厂商均受到了影响，但不利的市场状况并未影响三星电子的投资决心，他们在半导体工厂方面仍在大力投资。
博格华纳向Wolfspeed投资5亿美元，保障半导体产能供应。半导体公司Wolfspeed与汽车零部件供应商博格华纳宣布达成合作，博格华纳将向Wolfspeed当日早些时候发布的融资交易投资5亿美元（约35.4亿元人民币），以获取碳化硅器件产能供应通道。
国家统计局：今年1-10月集成电路产量2675亿块，同比下滑12.3%。今年10月份，规模以上工业增加值同比实际增长5.0%（增加值增速均为扣除价格因素的实际增长率）。从环比看，10月份规模以上工业增加值比上月增长0.33%，1—10月份，规模以上工业增加值同比增长4.0%。
2.本周话题：半导体设备——光刻机
光刻机：半导体工业皇冠上的明珠。光刻工艺定义了半导体器件的尺寸，是芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤。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，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。光刻的工艺水平直接决定芯片的制程和性能水平。
半导体芯片产业链分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节。光刻的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上，是IC制造的核心环节，也是整个IC制造中最复杂、最关键的工艺步骤。通过激光或电子束直接写在光掩模板上，然后用激光辐照光掩模板，晶圆上的光敏物质因感光而发生材料性质的改变，通过显影，便完成了芯片从设计版图到硅片的转移。
资料来源：方正证券
作为芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤，光刻工艺难度最大、耗时最长，芯片在生产过程中一般需要进行20~30次光刻，耗费时间约占整个硅片工艺的40～60%，成本极高，约为整个硅片制造工艺的1/3。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。
资料来源：方正证券
光刻工艺流程详解：
光刻的原理是在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再用光线（一般是紫外光、深紫外光、极紫外光）透过掩模照射在硅片表面，被光线照射到的光刻胶会发生反应。此后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶，就实现了电路图从掩模到硅片的转移。
光刻完成后对没有光刻胶保护的硅片部分进行刻蚀，最后洗去剩余光刻胶，就实现了半导体器件在硅片表面的构建过程。光刻分为正性光刻和负性光刻两种基本工艺，区别在于两者使用的光刻胶的类型不同。负性光刻使用的光刻胶在曝光后会因为交联而变得不可溶解，并会硬化，不会被溶剂洗掉，从而该部分硅片不会在后续流程中被腐蚀掉，负性光刻光刻胶上的图形与掩模版上图形相反。正性光刻与负性光刻相反，曝光部分的光刻胶会被破坏从而被溶剂洗掉，该部分的硅片没有光刻胶保护会被腐蚀掉，正性光刻光刻胶上的图形与掩模版上图形相同。
资料来源：智能电子集成网，华创证券
光刻机与内部结构与工作原理：
光刻机工作原理：光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图。不同光刻机的成像比例不同，有5:1，也有4:1。光刻机内部结构图如图所示。
资料来源：智能电子集成网，华创证券
激光器：光源，光刻机核心设备之一。Ø
光束矫正器：矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。Ø
能量控制器：控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。Ø
光束形状设置：设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。Ø
遮光器：在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。Ø
能量探测器：检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。Ø
掩模版：一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。Ø
掩膜台：承载掩模版运动的设备，运动控制精度达到纳米级。Ø
物镜：物镜由20多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。Ø
量台、曝光台：承载硅片的工作台，一般的光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，ASML的双工作台光刻机则可以实现一片硅片曝光同时另一片硅片进行测量和对准工作，能有效提升工作效率。Ø
内部封闭框架、减振器：将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。
光刻工艺水平决定了晶体管尺寸的大小，因此芯片制程的不断缩小必然伴随着光刻机产品的不断升级和创新，从本质上说，正是半导体产业对更高性能、更低成本芯片的不断追求推动了光刻机设备的不断创新与发展。光刻机是延续摩尔定律的关键。摩尔定律提出，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。半导体行业最初三十年的发展能够基本满足摩尔定律，关键就在于光刻机能不断实现更小的分辨率水平。近十年来摩尔定律的时间间隔已经延长至3-4年，原因就在于光刻机的发展低于行业的预期。
光刻机发展历程：
光刻机的最小分辨率由公示R=kλ/NA，其中R代表可分辨的最小尺寸，对于光刻技术来说，R越小越好；k是工艺常数；λ是光刻机所用光源的波长；NA代表物镜数值孔径，与光传播介质的折射率相关，折射率越大，NA越大。光刻机制程工艺水平的发展均遵循以上公式。此外，光刻机的内部构造和工作模式也在发展，不断提升芯片的生产效率和良率。根据所使用的光源的改进，光刻机经历了5代产品的发展，每次光源的改进都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。此外双工作台、沉浸式光刻等新型光刻技术的创新与发展也在不断提升光刻机的工艺制程水平，以及生产的效率和良率。
最初的两代光刻机采用汞灯产生的436nmg-line和365nmi-line作为光刻光源，可以满足0.8-0.35微米制程芯片的生产。最早的光刻机采用接触式光刻，即掩模贴在硅片上进行光刻，容易产生污染，且掩模寿命较短。此后的接近式光刻机对接触式光刻机进行了改良，通过气垫在掩模和硅片间产生细小空隙，掩模与硅片不再直接接触，但受气垫影响，成像的精度不高。
第三代光刻机采用248nm的KrF（氟化氪）准分子激光作为光源，将最小工艺节点提升至350-180nm水平，在光刻工艺上也采用了扫描投影式光刻，即现在光刻机通用的，光源通过掩模，经光学镜头调整和补偿后，以扫描的方式在硅片上实现曝光。第四代ArF光刻机：最具代表性的光刻机产品。第四代光刻机的光源采用了193nm的ArF（氟化氩）准分子激光，将最小制程一举提升至65nm的水平。第四代光刻机是目前使用最广的光刻机，也是最具有代表性的一代光刻机。由于能够取代ArF实现更低制程的光刻机迟迟无法研发成功，光刻机生产商在ArF光刻机上进行了大量的工艺创新，来满足更小制程和更高效率的生产需要。这些创新当中包括了步进式扫描投影、双工作台光刻机，浸没式光刻系统这些对光刻机发展产生深远影响的新技术。
第五代EUV光刻机。1-4代光刻机使用的光源都属于深紫外光，第五代EUV光刻机使用的则是波长13.5nm的极紫外光。早在上世纪九十年代，极紫外光刻机的概念就已经被提出，ASML也从1999年开始EUV光刻机的研发工作，原计划在2004年推出产品。但直到2010年ASML才研发出第一台EUV原型机，2016年才实现下游客户的供货，比预计时间晚了十几年。EUV光刻机面市时间表的不断延后主要有两大方面的原因，一是所需的光源功率迟迟无法达到250瓦的工作功率需求，二是光学透镜、反射镜系统对于光学精度的要求极高，生产难度极大。这两大原因使得ASML及其合作伙伴难以支撑庞大的研发费用。2012年ASML党的三大客户三星、台积电、英特尔共同向ASML投资52.59亿欧元，用于支持EUV光刻机的研发。此后ASML收购了全球领先的准分子激光器供应商Cymer，并以10亿欧元现金入股光学系统供应商卡尔蔡司，加速EUV光源和光学系统的研发进程，这两次并购也是EUV光刻机能研发成功的重要原因。
资料来源：方正证券
EUV光刻机的工艺需求
难点一：在ASML的光刻机中，光源需要以每秒五万次的频率，用20kW的激光来击打20微米的锡滴，使液态锡汽化为等离子体，从而产生极紫外光(EUV)。
难点二：ASML的EUV光刻机可以实现13纳米的分辨率。
难点三：ASML无尘室内的空气比外部干净1万倍，为了实现这个目标，无尘室的通风设备必须每小时净化30万立方米的空气。
难点四：在ASML的高数值孔径EUV设备中，为了能精确达到10纳米以下的线宽以及1纳米以内的套刻精度，聚焦反射器必须非常平整。
EUV光刻机主要技术优势如下：
1）更高的光刻分辨率；
2）生产效率高，光刻工艺简单。
EUV光刻机劣势：
1）耗能巨大，能量利用率低；
2）光学系统设计与制造复杂；
3）光罩掩模版表面缺陷。
光刻机产业现状：
全球半导体设备行业复苏，受益于下游晶圆巨大需求、服务器云计算和5G基础建设的发展，带动相关芯片的需求，2020年光刻机销售额增速稳定提升
资料来源：头豹研究院
根据ASML、佳能及尼康公司公告显示，全球光刻机销量413台，同比增长15%，按季度依次是95台、95台、97台、126台，分别同比增长19%、25%、8%、12%。2020年EUV光刻机销量31台占比8%；ArFimmersio销量80台占19%；ArFdry、KrF、i-line光刻机销量分别为32台、130台、140台，销量占比依次是8%、31%、34%。q
伴随着物联网和5G市场高速发展，对芯片性能要求越来越高，对高性能光刻机设备需求也将进一步加大。近年来下游晶圆代工厂加速扩建产能，带动光刻机设备需求并有望持续增长。目前7nmEUV光刻机平均每台价格达到1.2亿欧元，但晶圆代工厂对高端光刻机的需求量仍然不减。
资料来源：头豹研究院，各公司官网
全球光刻机需求端集中在中低端光刻机产品，随着下游晶圆代工厂对晶圆尺寸和制程要求提高，高制程光刻机需求持续增长，高端光刻机销售额占全球市场份额的41%。中低端市场需求量不断增长，主要受先进封装的推动。随着步进技术发展，2015年至2020年先进封装光刻设备出货量年复合增长率达到15%，2020年总数将超过250台/年。中低端光刻机由于较低的技术壁垒，竞争者数量较多，尼康与佳能凭借价格优势占据中低端市场主导地位。
光刻机行业市场规模增量主要来自高性能EUV光刻机，超高端和高端产品EUV与ArF光刻机销售额占光刻机市场销售额的81%。2020年EUV光刻机销售额55亿美元同比增长76%；ArF销售额54亿美元同比下降7%，但占全球光刻机市场40%；ArFdry、KrF、i-line光刻机销售额占比依次是5%、11%、3%。
目前全球前道光刻机被ASML、尼康、佳能完全垄断，CR3高达99%。
ASML一家独占鳌头，成为唯一的一线供应商；Nikon凭借多年技术积累勉强保住二线供应商地位；而Canon只能屈居三线；上海微电子装备（SMEE）作为后起之秀，暂时只能提供低端光刻设备，由于光刻设备对知识产权和供应链要求极高，短期很难达到国际领先水平。光刻机行业是一个高度垄断的行业，如果没有特别原因，这一格局在未来的时间里都很难发生变化。
资料来源：方正证券，各公司官网
资料来源：头豹研究院
ASML集成了全球最顶尖的供应商，高端光刻机集合了全球各国最顶尖的科技（德国的蔡司镜头技术、美国的控制软件和光源、日本的特殊复合材料等），下游厂商为了获得优先供货权纷纷投入巨额资金支持ASML研发。在行业工艺方面，ASML旗下的TWINSCAN系列是目前世界上精度最高生产效率最高应用最为广泛的高端光刻机型。最新的TWINSCANNXE3400C可用于生产5nm的芯片。市场预估2021年将推出0.55NA的新机型EXE5000样机可用于2纳米生产。
受益于5G时代、AI、自动驾驶等技术的普及ASML光刻机的订单和收入强劲增长有望在未来几年持续，2025年ASML预计实现收入500亿美元左右，年均复合增长率为15.8%。
国内光刻机行业：
受发展理念影响，国内半导体长期处于停滞不前的状态，直到2002年国家开始重视光刻机的研发。为推动我国集成电路制造产业的发展，国家决定实施科技重大专项《极大规模集成电路制造装备及成套工艺》项目，因次序排在国家重大专项所列16个重大专项第二位在行业内被称为“02专项”。
从2009年开始算起，中国研究团队一路攻坚克难，国产首套90纳米高端光刻机已经成功研制。2020年6月上海微电子设备有限公司透露将在2021—2022年交付首台国产28nm工艺浸没式光刻机。这意味着国产光刻机工艺从以前的90nm一举突破到28nm。
资料来源：方正证券，科塔学术
在工艺进入28nm以下制程之后的较长一段时间里20nm和16/14nm制程的成本一度高于28nm，与摩尔定律60多年的运行规律相反，这也使得28nm制程工艺极具性价比。虽然目前手机芯片即将进入5nm制程，但是在物联网等众多市场28nm仍然是主流制程工艺节点，不少晶圆厂基于28nm推出了在成本、功耗、性能等方面更具优势的工艺。在实际应用里28nm光刻机并不是仅能用来生产28nm芯片，经多重曝光后可生产14nm/10nm/7nm芯片，这与目前主流芯片已无本质区别。
实现光刻机的国产替代并不是某一企业能够单独完成的，需要光刻产业链的顶尖企业相互配合。光刻产业链可拆分为两个部分，一是光刻机核心组件，包括光源、镜头、双工作台、浸没系统等关键子系统，二是光刻配套设施，包括光刻胶、光掩模版、涂胶显影设备等。上海微电子将在2021年交付的28nm光刻机正是源于以下核心企业以举国之力在各自细分领域的技术突破：上海微电子负责光刻机设计和总体集成，北京科益虹源提供光源系统，北京国望光学提供物镜系统，国科精密提供曝光光学系统，华卓精科提供双工作台，浙江启尔机电提供浸没系统。经过多年的努力追赶，中国光刻机产业链在一些领域已经实现了突破，初步打破国外巨头完全垄断的局面，让中国光刻机产业链拥有了追赶国际的基础能力
资料来源：方正证券，各公司官网
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参考资料：
头豹研究院：2021年卡脖子系列——全球光刻机行业概览；
方正证券：光刻机行业研究框架
华创证券：半导体设备深度报告（三）：详解光刻机——半导体制造业皇冠上的明珠
