近期SSMB方案得到广泛关注，我们认为存在EUV光源换道超车的可能性。从技术层面看，SSMB与同步辐射光源技术具有一定相似性，SSMB具备产业化验证条件。从供应链角度看，我国在同步辐射光源领域基础较好，在核心零部件自主可控的前提下，HEPS项目已完成光源出束。目前，SSMB方案已完成理论证明，项目建设有望提上日程。若SSMB方案商业化进展顺利，我国将在光刻机领域取得重大突破并推动国内先进制程领域发展。围绕SSMB主题，我们建议关注两条投资主线：项目基础设施供应商、光刻机关键零部件供应商。
　　▍回顾历史，光源选择决定光刻机高度。光源变革是光刻机技术迭代最有力的推动者，其他技术的变革是对光源迭代的回应。回顾光刻机发展历史，ASML正是选择了激进光源技术才实现了换道超车。SR光刻与EUV光刻均采用XIL技术，由于非相干光功率较低限制了SR光源工业化量产。SR光源和EUV光源均属于软X射线波段，在光刻环节均采用XIL技术，上海光源的XIL线站已运行超过十年，已取得一系科研和产业进展。但由于SR光源束团长度较长，产生的光相干性较差功率较小，限制了其在工业领域的大规模量产，SR光刻仅停留在实验室阶段。
　　▍SSMB能通过FEL同时实现光源的短波长和相干性，克服SR光源功率不足的问题，预计投资规模较大。SSMB存储环中的自由电子激光具有束团品质高、波长连续可调、相干性强等优点，使得加速器光源产业化具备可行性。从投资规模看，根据《稳态微聚束加速器光源》（唐传祥、邓秀杰，2022），SSMB投资强度较大，预计造价为数亿到十亿元。同时，参照HEPS项目，我们预计未来SSMB项目主要零部件可达成自主可控，具备商业化落地前提。目前，HEPS加速器组成已部分完成招标，根据HEPS官网以及中国政府采购网信息，HEPS加速器的电子枪、微波功率源、配套仪器等供应商基本以国内厂商为主，供应商包括沈阳科学仪器、宝胜科技、北京高能锐新科技、合肥科烨、合肥聚能、爱科赛博、杭州永磁等；但真空系统配套设备组件采购仍较大程度依赖海外厂商，包括普发真空、美国MT、三井光中真空、韩国希尔泰等。
　　▍风险因素：SSMB可能存在应用瓶颈；方案建设进度不及预期；光刻机产业链发展不及预期；商业化进度不及预期；半导体行业资本开支力度减弱。
　　▍投资策略：作为“半导体工业掌上明珠”，ASML目前仍为全球唯一EUV光刻机供应商。受到国际政治博弈等不利因素影响，我国亟需在EUV光刻机等核心设备领域实现突破。清华大学提出的SSMB方案创新性地将同步辐射光源技术应用于EUV光刻领域。我国在同步辐射光源领域基础较好，HEPS项目已完成光源出束。从供应链角度看，HEPS基本可达到核心组成部分自主可控，我们认为SSMB方案在技术以及基础设施领域均具备较好的可实施性。虽然SSMB方案仍未进入建设期，项目仍有较大不确定性，但我们认为HEPS供应商与SSMB具有可比性，梳理HEPS项目供应商具有一定合理性。围绕SSMB方案，我们建议重点关注两条投资主线：1）项目基础设施供应商：若方案在未来得到验证，我们认为有望率先带动大规模SSMB方案基础设施建设，电源、真空系统、电线电缆、核心器件等零组件有望率先受益，推荐英杰电气（300820.SZ）、宝胜股份（600973.SH），建议关注爱科赛博（688719.SH）、国光电气（688776.SH）；2）光刻机关键零部件供应商：短期看，在传统技术路线下，我国光刻机核心零部件正处于快速发展阶段，国内光学厂商技术实力已取得长足进步；长期看，若SSMB方案顺利落地，我国有望在光源系统换道超车，有望加速国产EUV光刻机量产进度，建议关注福晶科技（002222.SZ）、腾景科技（688195.SH）、茂莱光学（688502.SH）、波长光电（301421.SZ）。

研究报告全文：源头活水换道超车技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920中信证券研究部核心观点近期SSMB方案得到广泛关注我们认为存在EUV光源换道超车的可能性从技术层面看SSMB与同步辐射光源技术具有一定相似性SSMB具备产业化验证条件从供应链角度看我国在同步辐射光源领域基础较好在核心零部件自主可控的前提下HEPS项目已完成光源出束目前SSMB方案已完成理论证明项目建设有望提上日程若SSMB方案商业化进展顺利我国将在光刻机领域取得重大突破并推动国内先进制程领域发展围绕SSMB主题刘易我们建议关注两条投资主线项目基础设施供应商光刻机关键零部件供应商主题策略首席分析师回顾历史光源选择决定光刻机高度光源变革是光刻机技术迭代最有力的推S1010520090002动者其他技术的变革是对光源迭代的回应回顾光刻机发展历史ASML正是选择了激进光源技术才实现了换道超车SR光刻与EUV光刻均采用XIL技术由于非相干光功率较低限制了SR光源工业化量产SR光源和EUV光源均属于软X射线波段在光刻环节均采用XIL技术上海光源的XIL线站已运行超过十年已取得一系科研和产业进展但由于SR光源束团长度较长产生的光相干性较差功率较小限制了其在工业领域的大规模量产SR光刻仅停留在实验室阶段田鹏SSMB能通过FEL同时实现光源的短波长和相干性克服SR光源功率不足的主题策略分析师问题预计投资规模较大SSMB存储环中的自由电子激光具有束团品质高S1010521010003波长连续可调相干性强等优点使得加速器光源产业化具备可行性从投资规模看根据稳态微聚束加速器光源唐传祥邓秀杰2022SSMB投资强度较大预计造价为数亿到十亿元同时参照HEPS项目我们预计未来SSMB项目主要零部件可达成自主可控具备商业化落地前提目前HEPS加速器组成已部分完成招标根据HEPS官网以及中国政府采购网信息HEPS加速器的电子枪微波功率源配套仪器等供应商基本以国内厂商为主供应商包括沈阳科学仪器宝胜科技北京高能锐新科技合肥科烨合肥聚能爱科王涛赛博杭州永磁等但真空系统配套设备组件采购仍较大程度依赖海外厂商包主题策略分析师括普发真空美国三井光中真空韩国希尔泰等S1010521060002MT风险因素SSMB可能存在应用瓶颈方案建设进度不及预期光刻机产业链发展不及预期商业化进度不及预期半导体行业资本开支力度减弱投资策略作为半导体工业掌上明珠ASML目前仍为全球唯一EUV光刻机供应商受到国际政治博弈等不利因素影响我国亟需在EUV光刻机等核心设备领域实现突破清华大学提出的方案创新性地将同步辐射光源技术SSMB应用于EUV光刻领域我国在同步辐射光源领域基础较好HEPS项目已完成王丹光源出束从供应链角度看HEPS基本可达到核心组成部分自主可控我们认主题策略分析师为SSMB方案在技术以及基础设施领域均具备较好的可实施性虽然SSMB方S1010521110002案仍未进入建设期项目仍有较大不确定性但我们认为HEPS供应商与SSMB具有可比性梳理HEPS项目供应商具有一定合理性围绕SSMB方案我们建议重点关注两条投资主线1项目基础设施供应商若方案在未来得到验证我们认为有望率先带动大规模SSMB方案基础设施建设电源真空系统电线电缆核心器件等零组件有望率先受益推荐英杰电气300820SZ宝胜股份600973SH建议关注爱科赛博688719SH国光电气688776SH光刻机关键零部件供应商短期看在传统技术路线下我国光刻机核心零侯苏洋2主题策略分析师部件正处于快速发展阶段国内光学厂商技术实力已取得长足进步长期看若SSMB方案顺利落地我国有望在光源系统换道超车有望加速国产EUV光刻S1010523080001机量产进度建议关注福晶科技002222SZ腾景科技688195SH茂证券研究报告请务必阅读正文之后第27页起的免责条款和声明主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920莱光学688502SH波长光电301421SZ重点公司盈利预测及投资评级EPSPE简称代码收盘价评级2223E24E25E2223E24E25E英杰电气300820SZ569723722729340024251914买入宝胜股份600973SH51700503204606110316118买入资料来源Wind中信证券研究部预测注股价为2023年9月19日收盘价请务必阅读正文之后的免责条款和声明2主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920目录引子光源变化决定光刻机高度6回顾历史光源变迁推动光刻机发展6从电光源到同步辐射光源光源变化历史8同步辐射光源光刻产业化需配套光刻系统升级11同步辐射光源结构和原理11SR光刻与EUV光刻曝光原理相同光路大幅简化12同步辐射光刻技术在产业化上的难点14SSMB方案适用于EUV光刻具备产业化优势17相较于SR光源SSMB方案光束相干性和功率更优17LPP-EUV方案渐进瓶颈SSMB具有产业化优势18HEPS投资规模较大基本实现核心零部件自主可控21参照同步辐射光源激光调制为SSMB独特设计21风险因素25投资策略26请务必阅读正文之后的免责条款和声明3主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920插图目录图1人造光源经过了漫长的发展6图2原子的自发辐射受激辐射和受激吸收7图3EUV光刻系统示意图7图4光刻技术发展图谱8图5相对论电子在偏转运动发出同步辐射具有较好的准直性8图6同步加速器粒子轨迹示意图8图7SR光谱是覆盖范围较大的连续谱从红外一直延伸到硬X射线9图8电子绕圆形轨道一周探测器能接收到一次同步辐射9图9同步辐射光谱曲线HEPS设计亮度高达11022能量高达300keV10图10同步辐射光源应用空间极其广泛11图11同步辐射光源存储环和光束线站的示意图11图12频移器原理示意图12图13多周期扭摆器和波荡器的原理示意图12图14最小分辨距离和波长的关系13图15光束平行性对分辨率的影响13图16双束极紫外光干涉光刻原理图14图17上海光源XIL线站束线光路图14图18软X射线光刻光束线光路示意图14图19蔡司设计的193nm水浸式折射-反射镜能实现7nm制程14图20极紫外光刻胶分辨率粗糙度和灵敏度测试数据15图21极紫外光刻胶产气分析数据15图22光掩膜版工作原理15图23全球光掩膜市场份额15图24X射线光刻的工作台示意图16图25DWS系列产品可用于l线k线ArF干式光刻16图262021年全球不同类型半导体光刻胶占比统计16图272021年中国光刻胶竞争格局16图28X射线自由电子激光基本构成17图29SSMB采用了储存环波荡器与种子激光相结合的结构17图30微聚束的原理示意图18图31SSMB也采用了储存环与FEL相结合的结构18图32大规模集成电路LSI的技术节点趋势和EUV光源的预期功率18图33HEPS加速器结构23图34HEPS一期光束线站布局24请务必阅读正文之后的免责条款和声明4主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920表格目录表1各类EUV光源特点19表2世界上的存储环型同步辐射装置一览19表3清华SSMBEUV光源总体设计参数21表4HEPS项目主要建设内容22表5SSMB最新进展22表6HEPS加速器结构介绍23表7重点公司盈利预测估值及投资评级26请务必阅读正文之后的免责条款和声明5主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920引子光源变化决定光刻机高度回顾历史光源变迁推动光刻机发展我们以光源变迁为引简要介绍人工光源和光刻技术的发展历史光是人最早认识到的自然现象但人类理解光控制光却经历了非常漫长的过程在人类文明存在之前阳光闪电火光等自然光都存在于自然界随着文明的发展人类逐步能通过小孔成像透镜镜面等光学设备运用光也诞生了几何光学量子光学等诸多学科但关于光的波粒二象性直到1923年德布罗意在其博士论文中提出波粒二象性人类才较为全面地认识光伴随着对光认识的不断加深人类创造出了人工光源对光源的控制能力也不断增强在历史的长河中光源发展出了白炽灯X射线荧光灯激光LED同步辐射光源RF自由电子激光FEL等众多类型每一次光源的创新都代表着科学技术的巨大进步推动人类社会生产力不断向前发展图1人造光源经过了漫长的发展资料来源同步辐射应用概论马礼敦杨福家主编2005高能同步辐射光源2022作者焦毅潘卫民稳态微聚束加速器光源2022作者唐传祥邓秀杰上海张江先进光源大科学装置集群中信证券研究部人工光源的变迁亮度增强束流集中波长可控相干性不断提升1879年爱迪生点亮碳丝创造出电灯标志着人类第一次掌握电光源技术但那时的白炽灯和火光一样还是宽光谱光源光的各项物理性能指标都不受控制1895年伦琴在做阴极射线实验的过程中偶然发现了X射线标志着人类第一次能约束光谱的范围这也标志着现代物理学的到来20世纪60年代美国和前苏联一批科学家发明了激光光源激光由原子核受激辐射产生具有散度极小亮度功率很高单色性好相干性好等特点激光是人类制造出的第一种单色光是20世纪最伟大的发明之一它的应用深入医学工业军事等各个方面目前像ASML三星英特尔等企业的光刻机在7nm-90nm制程采用的氟化氩ArF氟化氪KrF光源就是准分子激光是惰性气体和卤素的混合气受到电子束激发后由激发态向基态跃迁过程中产生的ASML在5nm及以下采用的极紫外激光EUV光源是使用193nm的深紫外光DUV将自由下落的锡滴靶材打成云雾状紧接着用功率高达20kW的二氧化碳激光器再次击打锡雾并激发出135nm的EUV虽然EUV光源产生的不是激光但是其制备过程也离不开激光请务必阅读正文之后的免责条款和声明6主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920图2原子的自发辐射受激辐射和受激吸收图3EUV光刻系统示意图资料来源激光原理周炳琨高以智陈倜嵘等编著2014资料来源ASML官网中信证券研究部光源变革是光刻机技术迭代最有力的推动者其他技术的变革是对光源迭代的回应阿贝公式是光学设备分辨率公式也是决定光刻机加工精度的核心该公式显示光学系统最小分辨尺寸和三个参数有关第一个是波长第二个是数值孔径NA第三个是工艺因子或制程因子1简单来说波长越小数字孔径越大工艺因子越小分辨率就越高CD数值小根据卡尔蔡司光学专家SaschaMigura博士的研究光刻机加工精度的改善沿着下降NA增大1下降的顺序逐步迭代光源变革是光刻机加工精度最有力的推动者因此我们也都用光源波长来区分光刻机代际差异回顾光刻机发展历史ASML正是选择了激进光源技术才实现了换道超车DUV能利用ArF产生193nm的深紫外线这一技术在20世纪90年代就已经成熟之后二十年光刻机光源波长在193nm停留了近20年彼时ASML的市场规模远小于尼康佳能这两家日本巨头随着技术发展日本企业选择了更为保守的157nm的2线而台积电资深处长林本坚提出了水浸式光刻工艺通过水的折射把193nm的ArF线转化为134nm的等效波长是在极限上继续发掘了ArF线的潜力ASML先是剑走偏锋押注水浸式DUV光刻在2004年一举拿下多家大客户订单到了2007年ASML在光刻机市场的的市占率就达到60待水浸式技术成熟后ASML进一步押注了更为激进的EUV技术并在2006年搭建出全球首台EUV光刻机进而成为光刻机市场不可撼动的霸主尼康和佳能都尝试过开发EUV光刻机但最后因为难度过高最终退出2012年英特尔台积电三星等厂商纷纷注资入股ASML支持其EUV光刻技术改进升级从而换取优先供货权回顾历史ASML正是因为率先采取了革命性的光源技术才超越尼康佳能这两大光刻巨头最终获得了今天的市场地位请务必阅读正文之后的免责条款和声明7主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920图4光刻技术发展图谱资料来源OpticsforEUVLithographySaschaMigura2018中信证券研究部从电光源到同步辐射光源光源变化历史同步辐射于1947年正式观察到与其他几种光源的原理有根本差异在19世纪麦克斯韦建立电动力学方程组中就描述了电荷和电磁波的关系论证了速度接近光速的带电粒子在电磁场中做偏转运动时沿运动轨迹的切线方向会发出电磁辐射也就是同步辐射synchrotronradiationSR由于这种辐射是1947年在电子同步加速器上观测到的因而被命名为同步辐射自然中的0同步辐射广泛存在最容易观察到的是天体物理里中子星的高速旋转形成电磁脉冲随着研究的深入物理学家发现如果让相对论粒子不断地走在一条转弯圆弧加直线构成的近似圆周的轨道上可以很好地发生SR射线同时该类SR光源具有宽波段连续可调高准直方向性强脉冲结构稳定性强微束径准相干等众多优势自20世纪60年代起SR光源及其实验技术开始快速发展迄今为止有关同步辐射的研究已经获得了5次诺贝尔奖SR射线是由相对论粒子运动方向改变发生的而白炽灯荧光灯X光激光是由电子原子核从激发态跃迁到基态产生的SR光源与其他几种光源的产生原理有根本区别图5相对论电子在偏转运动发出同步辐射具有较好的准直性图6同步加速器粒子轨迹示意图资料来源同步辐射光源物理引论2009作者刘祖平资料来源同步辐射光源物理引论2009作者刘祖平请务必阅读正文之后的免责条款和声明8主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920图7SR光谱是覆盖范围较大的连续谱从红外一直延伸到硬X射线图8电子绕圆形轨道一周探测器能接收到一次同步辐射资料来源同步辐射应用概论马礼敦杨福家主编2005资料来源同步辐射应用概论马礼敦杨福家主编2005光源的物理描述在爱因斯坦提出的质能方程中静止物体的质量和能量的关系被描2述为00考虑到运动物体的能量是静止能量和动量之和我们有222240爱因斯坦为了解释光电效应创造性地认为光子能量仅和其频率相关即其中为普朗克常数光子的速度为光速c因此其频率和波长的关系为由于光子的静止质量为0因此光子能量仅与动量相关我们又有进而能得到光子动量以上我们尽可能简单的给出了光子能量动量频率波长之间的关系由于在实际电子束团中电子数量众多它们的速度略有差异因此偏转过程产生的SR光频率也略有差异无数电子所发出的辐射组成了电子束团所发辐射的频谱它是一个覆盖范围很大的连续谱能从红外线一直延伸到硬X射线在SR光源中除了光子的属性外我们还需要描述同步辐射的束流包括强度发散角时间结构谱函数偏振性等通常我们用光谱亮度来描述光源的强度光谱亮度是单位时间内单位立体角单位光源面积和单位带宽内辐射出的光子数用物理公描述如下4phs1mrad2mm201BW1发散角是电子发出电磁波与其前进方向的夹角对同步辐射加速器中的相对论电子和其发出的同步辐射来说电子能量越大发散角越小发散角可以被描述为1051112mrad毫弧度同步辐射光子能量MeV同步辐射光源能量分布较宽亮度极高准直性极好图中的横坐标是光子的能量及波长纵坐标是对应的亮度在图9中可以看到连续谱的亮度只有107phsmm2mrad201BW特征谱可以到1010同步辐射起码也是1013高的甚至可以达1020北京建设的第四代同步辐射光源HEPS设计亮度高达1022能量高达300keV是世界请务必阅读正文之后的免责条款和声明9主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920上亮度最高的光源之一比以上海光源SSRF为代表的第三代光源提高1001000倍比太阳亮度高1万亿倍1012比实验用X光机亮10万亿倍1013比灯泡亮度高1亿亿倍1016HEPS设计的发射度仅为006nmrad相当于束流以每秒30万千米的光速飞行1秒只形成一个半径为18厘米的光斑图9同步辐射光谱曲线HEPS设计亮度高达11022能量高达300keV资料来源同步辐射应用概论马礼敦杨福家主编2005由于性能优异SR光源在生产实践中有广泛应用在发展过程中SR光源的应用潜力被不断发掘迄今为止世界上约70的已知生物大分子结构蛋白质DNARNA核糖体核小体病毒等都是借助同步辐射光了解的在所有与微观结构有关的领域如物理学化学生命科学和医学材料科学和工程能源科学和技术地球和环境科学纳米科技等同步辐射光源都有非常广泛的应用它是理想的多学科交叉研究平台由于SR光源和激光都是具有优异特性的电磁波仅仅是发生方式不同SR光源亦能应用在硅基集成电路加工的光刻环节请务必阅读正文之后的免责条款和声明10主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920图10同步辐射光源应用空间极其广泛资料来源科学大院张文韬苑梦尧同步辐射光源光刻产业化需配套光刻系统升级同步辐射光源结构和原理SR光源由电子枪加速器储存环插入件等结构组成通过SR辐射产生电磁波SR光源首先需要让电子枪发出电子通过加速器将电子加速到接近光速再让相对论电子以不变的能量稳定运行相当长一段时间同时还需要粒子在运行过程中周期性地释放电磁辐射为满足上述物理目标物理学家设计了超高真空度104Pa-1010Pa1的存储环StorageRing在电子释放电磁辐射的过程中能量会发生衰减因此存储环也需要扮演同步加速器的角色加速粒子在存储环中除了转弯磁铁可以产生电磁辐射外物理学家还设计了频移器波荡器扭摆器等插入件插入件是用来获得高质量同步辐射的装置其数量多寡和功能强弱已经成为评判同步辐射装置优劣的标志这些插入件的结构设计各有差别但物理原理上是一致的即通过改变电子束运动方向产生同步辐射图11同步辐射光源存储环和光束线站的示意图资料来源同步辐射科学基础渡边诚佐藤繁主编20101珂勒曦动力设备收集整理请务必阅读正文之后的免责条款和声明11主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920图12频移器原理示意图图13多周期扭摆器和波荡器的原理示意图资料来源同步辐射应用概论马礼敦杨福家主编2005资料来源同步辐射应用概论马礼敦杨福家主编2005SR光刻与EUV光刻曝光原理相同光路大幅简化同步辐射光刻技术在1980年提出经过了近40年发展已趋于成熟LIGA是德国Karlsrube核研究中心在1980年提出的它是德文Lithographic光刻Galvanoformung电铸成型Abformung塑铸成型的缩写其过程包括X射线深度光刻电镀和模压其中同步辐射深度光刻技术是LIGA的第一步也是最为重要的一步从电子储存环中发生的一束同步辐射光经过滤光片后照射在掩膜后面的样品上再通过扫描电机带动掩膜和样品进行往复运动从而实现二维方向上的曝光为了提高芯片上元器件的密度光线刻宽的缩小受到衍射和半影的限制衍射与光的波长有关半影与光的平行度有关对接式曝光受衍射现象限制的最小分辨距离为15212其中是光的波长g是掩膜和硅片之间的距离显然光的波长越短分辨率越高当光的波长及进入纳米数量级时光在光刻胶中产生二次电子散射的作用范围随波长的缩短而明显扩大从而使分辨率随之下降考虑到两个因素共同作用最小分辨距离和光源波长的关系有如图14关系图14中可以看到采用11nm的单色辐射效果最好从光刻机诞生到现在最为先进的的EUV光刻机其实已经经历了6代这6代分别是g线i线KrFArFArFi和LPP-EUV对应的曝光波长分别为为436nm365nm248nm193nm134nm和135nm波长呈现出不断缩小的趋势LPP-EUV采用高能量激光轰击锡液滴光源波长可达到135nm或能将光刻的技术节点制程推进到10nm附近但135nm光源距离最佳波长11nm仍有不小的差距同步辐射有连续的X射线谱可按需要选择任意波段或用单色仪获取某波长的单色光有望直接把光源波长推到全新的高度特别是同步辐射的平行性极好亮度特别高曝光速率特别快适合于大规模生产的需要因此同步辐射是比较理想的X射线光源22同步辐射应用概论马礼敦杨福家主编2005请务必阅读正文之后的免责条款和声明12主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920图14最小分辨距离和波长的关系图15光束平行性对分辨率的影响资料来源同步辐射应用概论马礼敦杨福家主编2005资料来源同步辐射应用概论马礼敦杨福家主编2005同步辐射光刻与EUV光刻均采用XIL技术上海光源的XIL线站已运行超过10年EUV光刻技术的原理是X射线干涉光刻XIL是利用两束相干X光束的干涉条纹对光刻胶进行曝光具体来说是利用双光栅产生的两束相干衍射光在光刻胶层发生干涉并将干涉条纹图案转印到光刻胶上光刻胶上的干涉条纹周期与光栅掩膜周期还有参与干涉的衍射光级次有关2式中D为干涉条纹周期P为分束光栅周期n为衍射级次发生干涉时空间频率倍乘倍数只取决于所选择的衍射级次与波长无关干涉条纹周期与波长无关这一性质使得同步辐射的能谱宽度能够被充分利用光栅掩膜处的照射功率密度与250W的EUV商用光刻机照射功率密度大致相当可以让光刻胶获得接近商用EUV光刻机的曝光条件上海光源的XIL线站BL08U1B于2012年建成并向客户开放已经稳定运行十多年该线站采用波荡器高亮度光来源经四刀狭缝光束线偏转系统和狭缝S调制后输出低谐波含量的空间相干光根据上海同步辐射光源官网信息可用光子能量范围为85-150eV其中包含925eV对应波长135nm可供极紫外干涉光刻使用请务必阅读正文之后的免责条款和声明13主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920图16双束极紫外光干涉光刻原理图图17上海光源XIL线站束线光路图资料来源上海光源极紫外光刻胶检测平台赵俊杨树敏薛资料来源上海光源极紫外光刻胶检测平台赵俊杨树敏薛超凡等2021超凡等2021高能X射线光刻采取反射滤波方式光路较现有光刻机大幅度简化在LIGA工作站运行有几个步骤首先是从同步辐射储存环中引出光束通过滤波获得所需的曝光波长在确保入射光束与样品垂直的基础上获得均匀的曝光面积如果光源中高能X射线含量较低滤波系统只需要多采用吸收薄膜过滤低能X射线如果光源中高能X射线含量较高为达到最佳曝光波长滤波器Be窗需要分别滤去高能入射光和低能入射光使得样品的同步辐射主要波段在最佳曝光波长附近对于前者LIGA光束线站中没有光学器件结构较为简单对于后者LIGA光束线站中包含镀有各种反射膜的反射镜并且需要精确控制掠入射角结构相对复杂目前ArFi线的DUV光刻机采用了蔡司设计的193nm水浸式折射-反射镜系统该投影透镜组一共使用了25片透镜对比现有的DUVLPP-EUV而言高能X射线光刻或能大幅简化光刻机的光路系统图18软X射线光刻光束线光路示意图图19蔡司设计的193nm水浸式折射-反射镜能实现7nm制程资料来源同步辐射光源及其应用麦振洪2013资料来源现代光刻机的发展历程与未来展望麦振洪2013同步辐射光刻技术在产业化上的难点SR光源光子能量和发散角完全满足要求非相干光功率较低限制了其工业化量产光刻过程对光源的要求主要在于光子能量辐射强度和发散角在光子能量方面SR光源不仅能覆盖EUV光源135nm的波长范围还能把波长进一步提高至X射线光刻最佳请务必阅读正文之后的免责条款和声明14主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920曝光波长07-12nm附近在发散角方面同步辐射软X射线波段是发散角极小的准平行光对曝光精度的影响非常小在功率方面由于SR光源束团长度较长产生的光相干性较差功率较小限制了其在工业领域的大规模量产SR光刻仅停留在实验室阶段SR光源一直用于高端光刻胶的测试国内的科研和产业用户基于上海光源XIL线站已开展了大量工作并已取得了一系列进展图20极紫外光刻胶分辨率粗糙度和灵敏度测试数据图21极紫外光刻胶产气分析数据资料来源上海光源极紫外光刻胶检测平台赵俊杨树敏薛资料来源上海光源极紫外光刻胶检测平台赵俊杨树敏薛超凡等2021超凡等2021掩膜是软X射线光刻技术中最关键的部分随制程推进国产替代需求更加紧迫由于软X射线是11的接近式曝光为了实现很高的曝光分辨率对掩膜版的要求非常高由于掩膜衬底薄膜的厚度通常只有1m非常容易破损因此成品率很低随着制程向前推进光子能量不断提高波长不断减小掩膜版的壁垒会更高国产替代紧迫性会更急切目前掩膜版市场仍被美日企业把持根据半导体行业观察数据英特尔三星台积电等自建配套工厂模式占全球65的市场规模第三方厂商模式中日本Toppan占比11美国Photonics占比10日本DNP占比8其他厂商仅占6图22光掩膜版工作原理图23全球光掩膜市场份额晶圆厂IDM厂ToppanPhotronicsDNP其他68101165资料来源清溢光电招股说明书中信证券研究部资料来源半导体行业观察中信证券研究部曝光台对操控精度要求极高国内仍处于追赶阶段同步辐射软X射线的曝光面积一般为30mm30mm左右要求曝光台能够进行往复运动实现分次多步曝光纳米图形请务必阅读正文之后的免责条款和声明15主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920的对准套刻对曝光台精度的要求非常高加工难度非常大如果采用样品扫描的方式获得均匀的曝光会对曝光台的要求更高国际上不少软X射线光刻试验站采用商业化曝光系统来实现软X射线光刻常用的有德国蔡司KarlZeiss美国硅谷光刻集团SVGL日本尼康Nikon和日本佳能Canon等公司的产品国内来看上海微电子双工作台产品及技术开发的供应商华卓精科招股书显示其已发货的DWS系列产品运动平均偏差为45nm可用于45nm及以下工艺节点IC前道光刻机接近国际同类设备水平图24X射线光刻的工作台示意图图25DWS系列产品可用于l线k线ArF干式光刻资料来源同步辐射光源及其应用麦振洪2013资料来源华卓精科招股书随光源迭代光刻胶需要继续开发国内高端光刻胶国产替代市场空间广阔光刻胶是利用光化学反应的原理将光刻系统中经过衍射滤波后的光信息经过曝光显影过程后完成掩膜图形的复制光刻胶需要与光源波长高度匹配随着光源波长降低未来也需进一步研发适配X射线的新型光刻胶根据TECHCET和中商产业研究院数据目前全球半导体光刻胶市场中ArFi和KrF仍然占主导地位分别占比38和35EUV光刻胶仅占3在国内市场中半导体光刻胶仍然被日美企业垄断国产替代市场空间广阔图262021年全球不同类型半导体光刻胶占比统计图272021年中国光刻胶竞争格局东京应化杜邦JSR住友化学ArFiKrFgiArFEUVDONGJIM富士胶片其他3101227815381117133513资料来源TECHCET中商产业研究院中信证券研究部资料来源华经产业研究院中信证券研究部请务必阅读正文之后的免责条款和声明16主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920SSMB方案适用于EUV光刻具备产业化优势相较于SR光源SSMB方案光束相干性和功率更优自由电子激光峰值亮度更高同时能实现短波长强相干性自由电子激光free-electronlaserFEL的概念由Madey于1971年提出其基本工作原理是自放大自发辐射SASE速度接近光速的电子束经过波荡器时会产生SR该辐射与电子束在波荡器中相互作用进而改变电子束的纵向密度分布形成以辐射波长为周期的密度集中也即微聚束而微聚束又进一步产生相干辐射该过程形成正反馈导致辐射强度沿波荡器长度以指数形式增长直至饱和FEL拥有三个独特的优点1输出性能由电子束团品质决定理论上不存在绝对上限2输出波长连续可调可以在太赫兹到X射线的任意波段输出3光束性质可通过操纵电子束团来深度定制绝大多数自由电子激光装置通常由加速器波荡器和光束线站系统三部分组成图28X射线自由电子激光基本构成图29SSMB采用了储存环波荡器与种子激光相结合的结构资料来源X射线自由电子激光赵振堂冯超2018资料来源稳态微聚束加速器光源唐传祥邓秀杰2022SSMB有望大幅提高光束相干性克服SR光源功率不足的问题SSMB的核心想法是将储存环中的微波射频腔聚束系统用激光调制系统取代由于激光是横波其电场与传播方向垂直无法与平行传播的电子束进行有效的能量交换需采用扭摆磁铁使电子束产生横向振荡让激光对电子束产生与射频腔中的微波类似的能量调制从而实现传统射频腔对电子束的纵向聚焦在SSMB储存环中由于激光波长微米量级比微波波长米量级短了约6个数量级配合精心设计的磁聚焦结构其聚束产生的电子束团长度将远小于现有同步辐射光源上常见的毫米级束团达到亚微米至纳米量级即形成了微聚束同时束团间隔也从微波波长缩短到激光波长也即单位长度内的束团数目相应提升了6个数量级在微聚束中不同电子的辐射场相位一致形成相干辐射相干辐射功率与电子数平方成正比远高于与电子数目线性正比的非相干辐射SSMB具有能量可调高通量窄带宽等众多优异特性是极具潜力的EUV光源方案之一请务必阅读正文之后的免责条款和声明17主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920图30微聚束的原理示意图图31SSMB也采用了储存环与FEL相结合的结构资料来源稳态微聚束加速器光源唐传祥邓秀杰2022资料来源稳态微聚束加速器光源唐传祥邓秀杰2022LPP-EUV方案渐进瓶颈SSMB具有产业化优势产生EUV主要有四类方案ASML方案渐近瓶颈四类方案分别为放电等离子体DischargeproducedplasmaDPP激光等离子体laserproducedplasmaLPP同步辐射synchrotronradiationSR和自由电子激光FreeelectronlaserFEL目前世界上唯一的EUV光刻机供应商荷兰ASML采用的便是LPP-EUV光源具体而言通过一台功率大于20kW的CO2气体激光器轰击液态锡形成等离子体从而产生135nm的EUV光通过不断优化驱动激光功率EUV光转化效率收集效率以及控制系统LPP-EUV光源目前能够在中间焦点处实现350W左右的EUV光功率该功率水平刚达到工业量产的门槛指标产业界通常认为LPP光源未来可以达到的EUV功率最高为500W左右想要继续将EUV光刻向3nm以下工艺节点推进LPP-EUV光源的功率将遇到瓶颈图32大规模集成电路LSI的技术节点趋势和EUV光源的预期功率资料来源ChallengestoRealizetheEUV-FELHighPowerLightSource-PresentStatusontheEUV-FELRDActivitiesHiroshiKawata2017中信证券研究部请务必阅读正文之后的免责条款和声明18主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920清华SSMB由四代SR光源技术变迁而来技术同源但应用不同X射线作为探测物质结构的探针其光源亮度是最为关键的指标1947年基于高能粒子加速器的X射线产生技术诞生了同步辐射光源其性能远比常规X射线源先进在半个多世纪的发展历程中同步辐射光源经历了三代的演化与高能物理研究兼用的第一代专用于同步辐射实验的第二代和基于低发射度储存环并以波荡器插入件为主要辐射源的第三代同步辐射光源世界各地前三代同步辐射设施的加速器能量小至200MeVNIST大至8GeVSPring-8周长从数米到14km储存环电流范围为100-500mA通常同步辐射光源被围在射线防护掩体内防护掩体外侧设置实验光束线和实验站光束线长度最长达到1km当前世界上目前在运行的光源约有50余台其中约有15台属第三代光源随着瑞典的MAXIV等低发射度储存环光源的成功建造极低发射度储存环光源逐渐被公认为环形同步辐射光源的主要发展方向这种光源在加速器上采用多弯铁消色散的新型磁聚焦结构可将储存环的束流发射度降低到01nmrad以下获得高出目前第三代光源1-2个数量级的亮度基于相对论电子束的各类加速器光源逐渐进入产业界的视野如SR超导高重频自由电子激光SRF-FEL以及SSMB等SSMB可实现大于1kW的EUV光功率具备窄带宽与高准直性等优势且造价和规模适中作为一种新型光源原理SSMB原理实验验证已经实现需要建设运行在EUV波段的SSMB加速器光源研究装置培养科学及产业用户并提高其技术成熟度表1各类EUV光源特点光源原理主要特点LPP技术成熟已商业化EUV光功率最高500W左右难以支撑下一代光刻技术的进一步发展SR技术成熟成本较低但EUV光功率达不到EUV光刻大规模量产需求EUV光功率可达1-10kW量级造价相对高昂数十亿规模较大数百米商业化必须做能量回收ERLSRF-FEL实现大功率EUV输出还需许多技术突破EUV光功率可大于1kW造价数亿到十亿规模周长100-150m适中原理实验验证已经实现SSMB需要建设运行在EUV波段的SSMB加速器光源研究装置培养科学及产业用户并提高其技术成熟度资料来源稳态微聚束加速器光源唐传祥邓秀杰2022中信证券研究部第四代SR光源技术路线其中之一便是可产生相干光的自由电子激光FEL其是利用波荡器使电子束与光相互作用通过诱导发射产生高亮度光的装置同时能量回收型直线加速器energyrecoveryLINACERL亦被提出用以得到高品质电子束ERL已逐步实现由几十MeV向GeV水平跨越目前世界上仅有3台在运行的2台在建设中的第四代同步辐射光源在运行的包括美国先进光子源APS欧洲同步辐射装置ESRF日本SPring-8以及在建的德国的PETRA-III中国怀柔的HEPS表2世界上的存储环型同步辐射装置一览电子能量临界光子能量电子束发射度国家所在地光源名称GeVkeVnmradCerdanyolaALBA3253SpaindelVallesUKDidcotDIAMOND3325143GifsurYvetteSOLEIL327520637FranceGrenobleESRF3639SwitzerlandVilligenSLS3245444ItalyFrascatiDANE1051021000请务必阅读正文之后的免责条款和声明19主题策略行业技术跃迁专题研究系列之四光源主题EUV2023920电子能量临界光子能量电子束发射度国家所在地光源名称GeVkeVnmradTriesteELETTRA3203270KarlsruheANKA2256241BonnELSA11627DortmundDELTAD11511GermanyHamburgDORISIII144516404PETRAIII361BerlinBESSYII317192661MLS0105065AarhusASTRID1058038160DenmarkASTRIDII30614MAXI2055031LundMAXII31588SwedenMAXIII307133MAXIV3033KharkovNESTOR20040225UkraineKievISI-8000710MoscowSiberiaI20450276SiberiaII22517571880DubnaDELSY31211610RussiaZelenogradTNK21216NovosibirskVEPP-3122295VEPP-4157ArmeniaYerevanCANDLE3384JordanAllaanSESAME225606249IndoreINDUS-120450273IndiaINDUS-222563581SiamPhotonThailandNakhonRatchasima1008074Source2SingaporeSingaporeHelios22071471370BeijingBEPC11552222876HefeiHLS20805253ChinaShanghaiSSRF335143TaiwanHsinchuNSRRC31315192TPS3317KoreaPohangPLS322528121189SendaiTSRF215197269TsukubaTERAS206056PF2254036AR265264KashiwaSuper-SOR3182528OkazakiUVSOR-II2075043274JapanNagoya124853KusatsuAURORA20575084NishiharimaSPring-83828959NewSUBARU1523367HigashiHiSOR207088400HiroshimaSagaSAGALS21419255AustraliaMelbourneBoomerang3312CanadaSaskatoonCLS32529757181StanfordSPEAR3337618BerkeleyALS315194268USAStoughtonAladdin2081005511108IthacaCESR55110请务必阅读正文之后的免责条款和声明20