详解光刻机–半导体制造业皇冠上的明珠(附PDF报告)

报告摘要:

光刻机是半导体制造业中最核心的设备。ASML 能击败日本的“微影双雄”成长为光刻机领域的绝对龙头,根本原因在于 ASML 极其重视研发,并采用开放式创新的模式,在新品研发和工艺改进上具有极高的效率和灵活性,与尼康、佳能的孤岛式研发形成鲜明对比。高灵活性使得 ASML 能抓住半导体产业转移的历史机遇,把握住韩国与台湾市场,并与台积电合作研发沉浸式光刻机,一举登上行业龙头地位。 目前 ASML 在光刻机领域市占率近 80%,基本垄断高端光刻机,公司的 EUV光刻机产品供不应求,订单已排至 2019 年,数额近 28 亿欧元,为公司业绩增长提供有力保障。

国产光刻机的希望。上海微电子是国内光刻机龙头,承担多项国家重大科技专项和 02 专项光刻机科研任务,公司的前道制造光刻机最高已能实现 90nm 制程,封装光刻机能满足各类先进封装工艺的需求。公司的封装光刻机已在国内外市场广泛销售,国内市占率达到 80%,全球市占率 40%。90nm 是光刻机的重要技术台阶,在功课 90nm 节点后,公司有望快速将产品延伸至 65nm、45nm 制程,实现国产半导体设备的巨大突破。

内容摘要:

一、光刻是芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤 

半导体芯片生产主要分为 IC 设计、IC 制造、IC 封测三大环节。IC 设计主要根据芯片的设计目的进行逻辑设计和规则制定,并根据设计图制作掩模以供后续光刻步骤使用。IC 制造实现芯片电路图从掩模上转移至硅片上,并实现预定的芯片功能,包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。IC 封测完成对芯片的封装和性能、功能测试,是产品交付前的最后工序。

光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤,耗时长、成本高。半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上,这一过程通过光刻来实现,光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生产中需要进行 20-30 次的光刻,耗时占到 IC 生产环节的 50%左右,占芯片生产成本的 1/3。

二、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。

三、ASML:全球光刻机绝对龙头 

ASML 成立于 1984 年,由菲利普与先进半导体材料国际(ASMI)合资成立,专业从事光刻机设备的开发,总部位于荷兰的费尔德霍芬。1995 年,ASML 收购了菲利普持有的股份,称为完全独立的公司,同年在阿姆斯特丹和纳斯达克交易所上市。 成立当年,ASML 就推出了第一台油压驱动 PAS2000 步进式光刻机,但 PAS 2000 采用的技术已经过时。1986 年 ASML 推出 PAS 2500 步进式光刻机,开始在市场上建立起一定的名气,同年与透镜制造商卡尔蔡司建立密切的合作关系,为此后发展打下重要基础。

1991 年 PAS 5000 光刻机面市,由于能显著降低芯片生产所需的时间,PAS 5000 取得了巨大的成功。此后 2000-2001 年,具有双工作台、浸没式光刻技术的 Twinscan XT、Twinscan NXT 系列研制成功,一举奠定 ASML 在光刻机领域的霸主地位,尼康、佳能市场份额被急剧压缩。2007 年 EUV 光刻机 Twinscan NXE 系列的成功进一步拓展了 ASML 的市场份额,达到 75%-80%,成为行业内的绝对龙头。

公司具有完善全球布局,在半导体设备企业中市值排名第一。截止 2017 年底,ASML 在 16个国家 60 多个城市设有办事处,在荷兰、美国、中国大陆、台湾、韩国均设有研发与生产中心,公司共有员工超过 19000 名,其中 7000 名以上属于研发人员。目前 ASML 总市值将近900 亿元,在全球半导体设备商中排名第一。

公司 2017 年营收、净利润大幅增长。2013-2016 年间 ASML 营收增长较为平稳,复合增长率达到 9%,同期净利润也保持平稳增长态势。2017 年公司业绩实现了大幅增长,营业收入达到 90.53 亿欧元,同比增长 33%,净利润达到 21.19 亿欧元,同比增长 53%。17 年公司业绩的大幅增长主要是受到下游半导体产业复苏,以储存器为代表的厂商纷纷扩产带动设备需求,以及全球范围内掀起晶圆代工厂兴建潮带动设备需求提升所致。

储存器是最大下游设备客户。ASML2017 年营收中,设备营收达到 63.74 亿欧元,占总营收的 70%,服务收入为 26.79 亿欧元,占比 30%。下游设备客户中,储存器客户份额最大,达到 29.68 亿元,占设备收入的 46.6%,总收入的 32.8%。其次是 Foundry 客户和 IDM 客户,分别占设备收入的 35.9%、17.5%。

亚洲是主要设备下游市场,大陆市场居第四。ASML2017 年营收中,设备营收达到 63.74 亿欧元,占总营收的 70%,其中前三大下游市场是韩国、台湾、美国,占比分别达到 36%、26%、13%,主要是因为三星、台积电、英特尔是 ASML 的三大主要客户。ASML 在中国大陆营收达到 7.2 亿欧元,占比为 11%,是第四大市场。

EUV 光刻机性能优越,营收占比快速提升。ASML 的 EUV 光刻机是全球唯一可以满足 22nm以下制程芯片生产的设备,每小时可以处理 125 片晶圆,稳定性达到 90%以上,自 2016 年面市以来就处于供不应求的情况,在产品结构中的占比也快速提升。2017 年 EUV 光刻机营收为 10.92 亿欧元,占比 17%。营收占比最大的是 ArF 浸没式光刻机,达到 63%。

数量上看,2017 年 ASML 共售出 11 台 EUV 光刻机,平均价格近 1 亿欧元,ArF 浸没式光刻机和 KrF 光刻机分别售出 76 台、71 台,ArF 干式光刻机售出 14 台。可见在中高端芯片制造中,ArF 浸没式光刻机是业内主流设备,中低端芯片制造更多使用 KrF 光刻机,ArF 光刻机需求量较少。

EUV 光刻机产能将进一步提升,充足订单保障 ASML 业绩增长。受限于产能,2017ASML仅交付了 11 台光刻机,ASML 预计 2018 年将产能提升至 22 台,2019 年进一步提升至 29台。截止 2017 年底,ASML 尚有 28 台光刻机订单在手,设备生产已排至 2019 年,预计2018 年 ASML EUV 光刻机收入将达到 28 亿欧元,占比有望提升至 25%-30%。

ASML 的龙头之路:开放式创新模式下时代的必然选择。ASML1984 年成立,30 年的时间即发展为光刻机领域的绝对龙头,市占率达到近 80%,几乎垄断高端光刻机市场,其成长之路可谓一段传奇。ASML 的龙头之路既与产业大环境密切相关,也是其自身重视研发,对研究创新始终采取开放态度的必然结果。

光刻机是技术含量极高的设备,厂商每年需要投入巨额的资金用于研发。ASML 每年的研发投入都在营业收入的 15%左右,与净利润水平基本相当,远超尼康、佳能 5%-6%的研发投入,即使在互联网泡沫破裂和金融危机期间,ASML 依然保持极高的研发投入。

对于研发,ASML采取大胆的外包合作和开放式创新模式,公司将众多的光刻机核心设备外包给各细分设备顶尖供应商生产,如光学部件由德国卡尔蔡司生产,计量技术装备由美国的Hewlett-Packard 制造,光源由美国的 Cymer 提供。外包模式降低了 ASML 的研发成本,并与供应商建立起密切的利益合作关系。而且 ASML 也与供应商及全球顶尖的科研机构共同研发,共享专利,并鼓励供应商在制造过程中提出改进意见,具有极高的效率和灵活性。

四、上海微电子:国产光刻机的希望 

光刻机产品长期受到国外封锁。光刻机是芯片制造的关键设备,涉及国防、通信、科研、民用等各领域集成电路芯片的生产制造。长期以来,在《瓦森纳协议》的框架下,欧美国家最先进的几代光刻机一直对华禁售。出售的光刻机也都有保留条款,禁止给国内自主 CUP 做代工,即使是小批量生产用于科研和国防领域的芯片,也存在一定风险,而且在宣传上也只能含糊其辞的说明是境内流片,这很大程度上影响了中国半导体产业的发展。 如今虽然 ASML 正逐渐解除对华产品的禁售,但 EUV 这类的顶尖光刻机由于产能有限,订单已经排到 2019 年,且优先供应台积电、三星、英特尔等客户,国内晶圆厂商短期内仍然拿不到 ASML 的高端光刻机产品。

上海微电子成立于 2002 年,致力于半导体装备、泛半导体装备、高端智能装备的研发制造,产品包括前道光刻机、后道封装光刻机、平板显示光刻机、检测设备、搬运设备等。公司承接了光刻机国家重大科技专项,以及 02 专项“浸没光刻机关键技术预研项目”(通过国家验收)和“90nm 光刻机样机研制”(通过了 02 专项专家组现场测试)任务。

公司前道光刻机实现 90nm制程,封装光刻机市占率领先。目前公司光刻机产品主要包括 IC前道光刻机、IC 后道封装光刻机、面板前道光刻机、面板后道封装光刻机。公司最先进的 IC前道光刻机已经达到 90nm 制程,并据传 65nm 制程设备正在进行整机考核。光刻机技术在90 纳米是一个技术台阶,迈过 90 纳米很容易做到 65 纳米,对 65 纳米的进行升级就可以做到 45 纳米。上海微电子的光刻机产品有望在未来几年实现 45nm 制程产品的生产。 公司的 IC 后道封装光刻机可以满足各类先进封装工艺的需求,已经实现批量供货,并出口到海外市场,国内市场占有率达到 80%,全球市场占有率 40%;用于 LED 制造的投影光刻机的市场占有率也达到 20%。

 

 

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机械设备行业~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-20180312-华创证券-24页


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