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芯片人向前冲第2期:严凯:反弹先锋!半导体设备有多硬核?
各位投资者朋友大家好,我是严凯。
今天继续我们的“芯片人向前冲”这个栏目,聊聊半导体设备中三大核心之一的,也是最重要的设备——光刻机。
光刻机是什么?用在什么地方?
光刻机是半导体芯片生产流程中的核心设备,主要用于将目标结构图样印刷到硅片等基底上,是制造微电子芯片的关键工具之一。
它通过特定的光源对涂有光刻胶的晶圆进行曝光,使晶圆上形成电路图案,进而通过腐蚀或沉积等工艺步骤进行加工,最终形成电路和器件。
光刻机中重要的性能参数主要有:分辨率、焦深、套刻精度、产率、视场、、MTF(调控传递函数)、掩膜版误差因子等。
而核心参数为分辨率、焦深和套刻精度。其中,分辨率与光刻机的最小精度相关联,焦深对光刻机成像范围有影响,套刻精度则决定了工艺层是否套叠对准。因此,这三个技术指标被视为光刻机最重要的三个因素。
如何理解光刻机重要性?
光刻工艺是芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤,而光刻机是光刻工艺的核心设备,其重要性源于三个方面:
第一,光刻机价值量位列IC制造设备的榜首;第二,光刻机凝聚众多顶尖技术,壁垒极高;第三,光刻机定义集成电路尺寸,推动摩尔定律前进。
从成本上看,在整个集成电路的制造过程中,往往需要进行20~30次光刻工序,所以光刻一般会耗费总成本的30%,耗费时间约占整个硅片工艺的40%-60%。
而光刻机在所有IC制造设备中同样位居价值量榜首。从技术上看,光刻机是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备,是现代工业的集大成者。
光刻机集合了数学、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,其制造和研发需要高度的技术积累和持续的投入。光刻机具备极高的技术含量和单台价值量。
光刻机是延续摩尔定律和推进芯片制程技术节点演进的关键。根据摩尔定律,芯片制造商可以在保持相同成本的情况下,每两年将一片相同尺寸的集成电路晶片上的晶体管数量增加一倍,从而使得芯片集成度及性能不断提高,且单个晶体管平均造价以每年30%~35%的速度下降。
在该原则的指导下,半导体行业不断进行技术转型,芯片制程的技术节点不断发展,而该过程也伴随着光刻机的不断升级和创新。所以,光刻机是延续摩尔定律的关键。
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光刻机有哪些分类?
根据工作原理进行分类,按照光刻时是否使用掩膜,将光刻机分为掩膜光刻以及无掩膜光刻。其中,掩膜光刻包含接触式光刻机、接近式光刻机和投影式光刻机;无掩膜光刻包含激光直写光刻机、纳米压印光刻机等。
光源是光刻机的核心构成之一,其波长决定了光刻机的工艺能力。光刻机根据光源不同可分成紫外(UV)光刻机、深紫外(DUV)光刻机、极紫外(EUV)光刻机三类。
紫外光刻机:采用汞灯,从g-line到i-line,波长从436nm至365nm,制程节点为800-250nm;
深紫外光刻机:采用准分子激光,从KrF到ArF/ArFi,对应波长为248nm-134nm,制程节点为180nm-7nm;
极紫外光刻机:是下一代光刻技术的一种,在7nm以下的最高端工艺上都会采用EUV光刻机。
需求端——行业规模
据SEMI发布的数据显示,2013-2022年全球半导体设备市场规模由318亿美元增长至1074亿美元,CAGR为14.5%;同期中国大陆半导体设备规模由34亿美元增长至283亿美元,CAGR为26.5%,显著高于全球水平。
随着消费电子、PC等下游市场的繁荣和5G、AI、云计算等新应用领域的拓展,全球半导体需求持续增长,进而推动了半导体厂商的资本开支进入上升周期,半导体设备市场规模也随之提升。
根据SEMI的数据,在晶圆制造的所有设备中,市场投资占比最高的是光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备,占整个半导体设备比重分别为24%、20%和20%,这三种设备合计市场规模占整个半导体设备比重为64%。
结合此前SEMI给出的2022年半导体设备市场1074亿美元的数据,按光刻机占半导体市场规模24%测算,半导体光刻机2022年市场规模达到258亿美元。
供给端——行业格局
从市场集中度来看,全球光刻机长期由荷兰、日本几家公司垄断,CR3(前三大公司市场份额)高达99%,行业集中度及进入壁垒极高。从高端光刻机出货量上看,荷兰公司凭借技术领先优势,独占2022年全球中高端光刻设备(包括EUV.ArFi及ArF)出货量的95%,而Nikon占据另外5%的份额。
工欲善其事,必先利其器。虽然我国光刻机起步较晚,但国产产业链正在努力追赶。我认为,鉴于光刻机不可或缺的产业地位,它的国产替代意义重大,其投资机会值得我们重点关注。
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