（报告出品方/作者：中信证券，徐涛、王子源）

芯片制造：精细度要求高，光刻机是决定制程工艺的关键设备

一个指甲大小的芯片可以由上百亿个晶体管组成，制造工艺的难度和精细度要求极高。这里我们以麒麟为例，是华为于年推出的5G智能手机芯片，采用台积电第二代7nm（EUV）工艺制造，面积为平方毫米（约1厘米见方，小手指甲大小）。芯片制造厂采用的12英寸硅片的面积为平方毫米，一个硅片大约可以生产颗麒麟芯片（按照面积算能切约颗，但是需要考虑边角料和良率的影响）。半导体制造过程是多层叠加的，上百亿只晶体管由纵横而不交错的金属线条连接起来，实现了芯片的功能。一颗芯片上面集成了约亿只晶体管，其中一只晶体管在芯片中仅占头发丝横切面百分之一不到的面积，但它却是由复杂的电路结构组成。芯片制造完成后，硅片上的上百亿只晶体管由纵横而不交错的金属线条连接起来，实现了芯片的功能。

芯片制造就是按照芯片布图，在硅晶圆上逐层制做材料介质层的过程，工艺的发展带动材料介质层的层数增加。芯片是由多层进行叠加制造的，芯片布图上的每一层图案，制造过程会在硅晶圆上做出一层由半导体材料或介质构成的图形。图形层也称作材料介质层，例如P型衬底层、N型扩散区层、氧化膜绝缘层、多晶硅层、金属连线层等。芯片布图有多少层，制造完成后的硅晶圆上基本就有多少材料介质层。随着工艺的发展，材料介质层的层数逐渐增加。材料介质层在硅晶圆上叠加在一起，就形成了整个芯片，乃至整个硅晶圆上所有的电路元器件。它们主要包括晶体管(三极管)、存储单元、二极管、电阻、连线、引脚等。

半导体制造环节及设备：半导体设备是芯片制造的核心，包括晶圆制造和封装测试等环节。应用于集成电路领域的设备通常可分为前道工艺设备（晶圆制造）和后道工艺设备（封装测试）。其中，所涉及的设备主要包括氧化/扩散设备、光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备以及先进封装设备等。三大核心主设备——光刻机、刻蚀设备、薄膜沉积设备，占据晶圆制造产线设备总投资额超70%。

光刻机是决定制程工艺的关键设备，光刻机分辨率就越高，制程工艺越先进。为了追求芯片更快的处理速度和更优的能效，需要缩短晶体管内部导电沟道的长度。根据摩尔定律，制程节点以约0.7倍（1/√2）递减逼近物理极限。沟道长度即为制程节点，如FET的栅线条的宽度，它代表了光刻工艺所能实现的最小尺寸，整个器件没有比它更小的尺寸，又叫FeatureSize。光刻设备的分辨率决定了IC的最小线宽，光刻机分辨率就越高，制程工艺越先进。因此，光刻机的升级势必要往最小分辨率水平发展。

光刻工艺为半导体制造过程中价值量、技术壁垒和时间占比最高的部分之一，是半导体制造的基石。光刻工艺是半导体制造的重要步骤之一，成本约为整个硅片制造工艺的1/3，耗费时间约占整个硅片工艺的40～60%。光刻实质为光源通过掩膜版将其附有的临时电路结构转移到硅片表面的光敏薄膜上，再通过一系列处理形成特定的电路结构。光刻工艺包括硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等步骤，相关设备包括光刻机、涂胶显影设备（Track）、清洗设备、量检测设备等，其中实现对准曝光的光刻机是光刻工序的核心设备。

工作原理：类似相机，通过光线透传在晶圆表面成像，刻出超精细图案

光刻设备是一种投影曝光系统，其主要由光源（Source）、光罩（Reticle）、聚光镜（Optics）和晶圆（Wafer）四大模组组成。在光刻工艺中，设备会从光源投射光束，穿过印着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；之后通过蚀刻曝光或未受曝光的部份来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，构造出不同材质的线路。此工艺过程被一再重复，将数十亿计的MOSFET或其他晶体管建构在硅晶圆上，形成一般所称的集成电路或芯片。

——在技术方面，光刻机直接决定光刻工艺所使用的光源类型和光路的控制水平，进而决定光刻工艺的水平，最终体现为产出芯片的制程和性能水平；同时在中高端工艺中涂胶机、显影机（Track）一般需与光刻机联机作业，因此光刻机是光刻工艺的核心设备。

——在产业方面，光刻机直接决定晶圆制造产线的技术水平，同时在设备中是价值量和技术壁垒最高的设备之一，对晶圆制造影响颇深。综合来看，光刻设备堪称半导体制造的基石。

工作原理：光刻机类似胶片照相机，通过光线透传将电路图形在晶圆表面成像，光刻机精度和光源波长呈负相关。我们对比相机和光刻机工作原理：1）相机原理：被摄物体被光线照射所反射的光线，透过相机的镜头，将影像投射并聚焦在相机的底片（感光元件）上，如此便可把被摄物体的影像复制到底片上。2）光刻原理：也被称为微影制程，原理是将光源（Source）射出的高能镭射光穿过光罩（Reticle），将光罩上的电路图形透过聚光镜（projectionlens），将影像缩小1/16后成像（影像复制）在预涂光阻层的晶圆（wafer）上。对比相机和光刻机，被拍摄的物体就等同于微影制程中的光罩，聚光镜就是单反镜头，而底片（感光元件）就是预涂光阻层的晶圆。由于集成电路图像分辨率和光刻机光源的波长呈负相关关系，波长越短、图像分辨率越高，相对应地光刻机的精度更高。

光刻工序：实质是IC芯片制造的图形转移技术（Patterntransfertechnology），把掩膜版上的芯片设计图形转移到晶圆表面抗蚀剂膜上，最后再把晶圆表面抗蚀剂图形转移到晶圆上。典型光刻工艺流程包括8个步骤，依次为底膜准备、涂胶、软烘、对准曝光、曝光后烘、显影、坚膜、显影检测，后续处理工艺包括刻蚀、清洗等步骤。（1）晶圆首先经过清洗，然后在表面均匀涂覆光刻胶，通过软烘强化光刻胶的粘附性、均匀性等属性；（2）随后光源透过掩膜版与光刻胶中的光敏物质发生反应，从而实现图形转移，经曝光后烘处理后，使用显影液与光刻胶可溶解部分反应，从而使光刻结果可视化；坚膜则通过去除杂质、溶液，强化光刻胶属性以为后续刻蚀等环节做好准备；（3）最后通过显影检测确认电路图形是否符合要求，合格的晶圆进入刻蚀等环节，不合格的晶片则视情况返工或报废，值得注意的是，在半导体制造中，绝大多数工艺都是不可逆的，而光刻恰为极少数可以返工的工序。

多次工艺：光刻机并不是只刻一次，对于芯片制造过程中每个掩模层都需要用到光刻工序，因此需要使用多次光刻工艺。电路设计就是通常所说的集成电路设计（芯片设计），电路设计的结果是芯片布图（Layout）。芯片布图在制造准备过程中被分离成多个掩膜图案，并制成一套含有几十～上百层的掩膜版。芯片制造厂商按照工艺顺序安排，逐层把掩膜版上的图案制作在硅片上，形成了一个立体的晶体管。假设一个芯片布图拆分为n层光刻掩膜版，硅片上的电路制造流程各项工序就要循环n次。根据芯论语

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