1【中 泰 电 子】光 刻 机行 业 报 告：从0 到1，星辰大海 证券研究报告 2023 年04 月03 日 中 泰 电 子 王 芳 团 队 分 析 师：王 芳 执 业 证 书 编 号：S0740521120002 分 析 师：游 凡 执 业 证 书 编 号：S0740522120002 分 析 师：杨 旭 执 业 证 书 编 号：S0740521120001 研 究 助 理：张 琼 目 录 一、光刻是芯片制造最核心环节，大陆自给率亟待提升 1.1 光刻机是芯片制造的核心设备，市场规模全球第二 1.2 一超两强垄断市场，大陆卡脖子现象凸显 二、光刻机：多个先进系统的组合，核心零部件被海外厂商垄断 2.1 从接触式到EUV，制程持续演进 2.2 多个先进系统组合，技术壁垒极高 三、大陆厂商实现从“0 到 1”，本土化带来广阔替代空间 四、投资建议及风险提示 2 WUFUvMnQoNoPtNmPmRrOnM6M8Q6MtRmMpNtQkPpPsOfQnNqMaQnNuMxNsPnMMYoMsP来源：ASML，中泰证券研究所 3 光刻是芯片制造最核心环节 光刻机是芯片制造中最复杂、最 昂贵的 设备。芯片制 造可以 包括多 个工艺，如初 步氧化、涂光 刻胶、曝光、显影、刻蚀、离子注入。这个过程需要用到的设备种 类繁多，包括 氧化炉、涂胶 显影机、光刻 机、薄 膜沉积 设备、刻蚀机、离子 注入机、抛光设备、清洗设备和检测设备等。在 整个半 导体芯 片制造 过程中，光刻 是最复 杂工艺，光刻 工艺的 费用约 占芯片 制造成 本的1/3左右，耗费时间占比约为40-50%，光刻工艺所需的光刻机是最贵 的半导 体设备。光刻机可分为前道光刻机和后道 光刻机。光刻 机既可 以用在 前道工 艺，也 可以用 在后道 工艺，前道光 刻机用 于芯片 的制造，曝光工艺极其复杂，后道光刻机主要 用于封 装测试，实现 高性能 的先进 封装，技术难 度相对 较小。图：光刻工艺流程图 离 子 注入 刻蚀 显影 曝光 涂 光 刻胶 初 步 氧化 光 刻 胶去除 4 光刻机厂商研发费用率高：22 年全 球 前 五 大 半 导 体 设 备 厂 商 的 平 均 研 发 费 用 率 为11%，其中ASML 研发 费 用 率 为15%，高于其他设备厂商。光刻机零部件供应商遍布全球，核心零部件来自德国和美国：代表光刻机最高端技术的EUV 光 刻 机 里 面 有10 万 多 个 零 部件，全 球 超 过5000 家 供 应 商。整 个 光 刻 机 中，荷 兰 腔 体 和 英 国 真 空 占32%，美 国 光 源 占27%，德 国 光 学 系 统 占14%，日本的材料占27%。光刻机研发难度大，零部件海外 垄断 荷兰腔体和英国真空 32%美国光源 27%日本的材料 27%德国光学系统 14%图：EUV光刻机零部件占比（单位：%）来源：WIND，2021 数博会，中泰证 券研 究 所 图：全球前五大半导体设备厂商研 发费用 率（单 位：%）0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%AMAT ASML TokyoElectronLamResearchKLA22 年研发费用率（%）来源：SEMI，中泰证券研究所 2021年全球前道光刻设备市场规模为172 亿 美 元，其 市 场 份 额 在 晶 圆 生 产 设 备 中 占 比 为20%，仅 次 于 刻 蚀 设 备。光 刻 机 价 格 昂贵，ASML当前EUV光刻机单价为1.5亿-2 亿美元。图：2021年晶圆生产设备市场份额占比 5 光刻设备单价最高，市场规模全 球第二 02-21 15-21半导体市场 299,521 291,562 305,584 335,843 335,168 338,931 412,221 468,778 412,106 438,979 555,893 7%9%YoY%0%-3%5%10%0%1%22%14%-12%7%27%半导体生产设备市场 43,526 36,927 31,789 37,499 36,527 41,007 56,687 64,531 59,753 71,028 102,184 9%19%YoY%9%-15%-14%18%-3%12%38%14%-7%19%44%14.50%12.70%10.40%11.20%10.90%12.10%13.80%13.80%14.50%16.20%18.40%晶圆制造总额（f a b 需要）36,309 30,210 26,729 30,831 30,634 34,260 48,041 54,833 51,740 61,133 87,139 9%19%YoY%14%-17%-12%15%-1%12%40%14%-6%18%43%83%82%84%82%84%84%85%85%87%86%85%晶圆生产设备 34345 28,149 25,364 29,258 28,796 32,545 45,508 52,191 48,863 58,140 83,510 10%19%4,361 3,980 3,996 5,173 6,031 7,297 10,734 11,536 10,274 12,881 18,886 14%21%8,930 6,652 6,298 6,879 5,773 6,224 8,367 11,092 11,512 13,372 17,178 10%20%CVD 3,848 3,150 2,832 4,009 4,420 4,846 7,838 8,578 7,166 9,029 13,398 11%20%3,802 3,736 3,534 3,531 3,310 4,162 4,932 5,478 5,313 6,339 9,184 8%19%2,762 2,714 1,839 2,296 2,147 2,547 3,235 3,677 3,251 3,620 5,436 11%17%2,337 1,863 1,513 1,755 1,568 1,582 1,871 2,670 2,502 2,955 4,074 8%17%PVD 1,832 1,732 1,535 1,700 1,367 1,432 2,131 2,491 2,864 3,211 4,699 8%23%1,287 775 791 727 714 870 1,293 1,413 1,350 1,556 2,705 8%25%CMP 1,240 778 740 802 896 1,236 1,796 1,852 1,486 1,572 2,622 7%20%2,376 1,461 1,237 1,312 1,222 1,056 1,584 1,388 1,536 1,457 2,521 10%13%1,289 1,032 813 833 1,071 1,012 1,325 1,587 1,271 1,664 2,161 5%12%280 275 237 239 279 281 402 429 338 483 645 11%15%代工厂设施 852 798 683 771 875 981 1,580 1,553 1,508 1,434 2,087 4%16%掩模制造设备 1,112 1,264 682 802 963 734 953 1,088 1,369 1,559 1,542 5%8%封装设备 3,338 3,081 2,300 3,061 2,504 2,993 3,881 3,955 2,875 3,761 7,093 11%19%YoY%-14%-8%-25%33%-18%20%30%2%-27%31%89%检测设备 3,772 3,550 2,707 3,551 3,328 3,690 4,697 5,634 5,016 6,004 7,815 6%15%YoY%-9%-6%-24%31%-6%11%27%20%-11%20%30%9%10%9%9%9%9%8%9%8%8%8%1,835 2,062 1,444 1,962 1,666 2,008 2,269 2,549 2,804 3,093 4,320 6%17%512 366 342 422 451 375 744 1,116 688 1,186 1,113 4%16%1,425 1,122 922 1,166 1,211 1,307 1,684 1,969 1,524 1,725 2,381 5%12%603 412 324 424 541 580 743 780 539 615 949-10%648 493 416 526 472 535 698 937 754 878 1,142 7%16%CAGR2016 2017 2018 2019 2020 2021 2011 2012 2013 2014 2015蚀刻 23%光刻 20%CVD 16%测量与检验 11%表面处理 6%涂胶 5%PVD 6%热处理 3%CMP 3%其他沉积 3%离子注入 3%其他晶圆加工 1%图：全球半导体制造设备市场份 额（单 位：百万美 元）目 录 一、光刻是芯片制造最核心环节，大陆自给率亟待提升 1.1 光刻机是芯片制造的核心设备，市场规模全球第二 1.2 一超两强垄断市场，大陆卡脖子现象凸显 二、光刻机：多个先进系统的组合，核心零部件被海外厂商垄断 2.1 从接触式到EUV，制程持续演进 2.2 多个先进系统组合，技术壁垒极高 三、大陆厂商实现从“0 到 1”，本土化带来广阔替代空间 四、投资建议及风险提示 6 来源：cntechpost，中泰证券研究所 1961年,第一台接触式光刻机由美国GCA推出，历经60 年 的 发 展，ASML 后 来 者 居 上，成 为 当 前 光 刻 机 行 业 的 绝 对 龙 头。光刻机问世：1955年，贝尔实验室开始采用光刻 技术，1961年，GCA公司制造出 第一台 接触式 光刻机。步进式光刻机推出：1978 年，步进式光刻机推出，1984年尼康和GCA 各占30%份额，同年ASML成立。浸 没 式 光 刻 机 推 出：2000 年，ASML 推 出 双 工 件 台 光 刻 机，2003 年ASML 推 出 浸 没 式 光 刻 机，至此ASML 一举超越其他厂商，后来者居上。EUV光刻机推出：2013年，ASML推出第一台EUV量产产品，进一步加强行业垄断地位。表：光刻技术发展历程 7 从接触式到EUV，ASML成为绝对龙头 1960s-70s 1980s-90s 2000s 2010s 1955 年，贝 尔实 验 室开 始 采用 光刻技术在硅片上制作更精 细复杂的电路。1961 年，GCA 发 明了第 一个商 业化应用于半导体制造的步进 和重复掩膜 设备（第 一 台 光刻 机）此后，Kapser instrument 和perkin Elmer 公司 先 后推 出 了对 准，投影，光刻技术 1978年，GCA 推 出第一 台全自动步进式光刻机，分辨率 可达1 微米。19世纪80年 代，尼 康发布 第一台商用步进式光刻机NSR-1010G。1984 年 尼康与GCA 各占据30%市场份 额，同 年ASML刚刚成立。1991年，ASML 推出PAS 5500步进式光刻机，成为ASML 长青设备之一。2000年,ASML 发布TWINSCAN 双 工件光刻机平台，生产效率提升35%以上。2003年，ASML 与台 积电合 作推出 浸没式光刻机，摩尔定律实 现了一 次大跃进。2005年，摩 尔定律 发展再 度陷入 停滞。ASML研发EUV 光刻 技术。2008年春季，产生 了世界 上第一 个full-field EUV 测试芯片。2010年，ASML 成功 研发第 一台TWINSCANNXE：3100交付 客户使 用。2013年，ASML 推出 第一 台EUV 量产 产 品。NXE:3300 正 式发货。2017、2019、2021ASML 分 别开始 量产出 货NXE：3400B、NXE：3400C 和NXE:3400D。分辨率、套刻精度、生产效 率不断 提升。来源：萨科微半导体官网，中泰 证券 研究 所 8 光刻技术：从接触式到接近式 接触式光刻技术良率低、成本高：接触 式光刻 技术出 现于20世纪60年代，是小规 模集成 电路时 期最主 要的光 刻技术。接触 式光刻技术中 掩膜版与晶圆表面的光刻 胶直接 接触，一次曝 光整个 衬底，掩膜版 图形与 晶圆图 形的尺 寸关系 是1:1，分辨率可达亚微米级。特点：接触式可以减小光的衍射效应，但在 接触过 程中晶 圆与掩 膜版之 间的摩 擦容易 形成划 痕，产 生颗粒 沾污，降低了 晶圆良率及掩膜版的使用寿命，需要经常 更换掩 膜版，故接近 式光刻 技术得 以引入。接近式光刻技术分辨率有限：接 近式光 刻技术 广泛应 用于20世纪70年代，接近式 光刻技 术中的 掩膜版 与晶圆 表明光 刻胶并 未直接接触，留有被氮气填充的间隙。特点：最小分辨尺寸与间隙成正比，间隙越 小，分 辨率越 高。缺 点是掩 膜版和 晶圆之 间的间 距会导 致光产 生衍射 效应，因此接近式光刻机的空间分辨率极限约为2 m。随着特 征尺寸 缩小，出现了 投影光 刻技术。图：接触式光刻示意图 图：接近式光刻示意图 来源：萨科微半导体官网，中泰 证券 研究 所 9 光刻技术：从接近式到投影式 投影光刻技术有效提高分辨率：20世纪70 年代 中后期 出现投 影光刻 技术，基于远 场傅里 叶光学 成像原 理，在 掩膜版 和光刻 胶之间采用了具有缩小倍率的投影成像 物镜，有效提 高了分 辨率。早期掩 膜版与 衬底图 形尺寸 比为1:1，随着集 成电路 尺寸的 不断缩小，出现了缩小倍率的步进重复 光刻技 术。步 进 重 复 光 刻 主 要 应 用 于0.25 m 以 上 工 艺：光 刻 时掩 膜版 固定 不 动，晶圆 步进 运 动，完成 全部 曝 光工 作。随着 集 成电路 的集成度不断提高，芯片面积变大，要 求 一 次 曝 光 的 面 积 增 大，促 使 更 为 先 进 的 步 进 扫 描 光 刻 机 问 世。目 前 步 进 重 复 光 刻 主 要 应用于0.25 m 以上工艺及先进封装领域。步 进 扫 描 光 刻 被 大 量 采 用：步进 扫描 光 刻 机在 曝 光视 场 尺 寸及 曝 光均 匀 性 上更 有 优势，在0.25 m 以下 的 制 造中 减 少了 步 进重复光刻机的应用。步 进 扫 描 采 用 动 态 扫 描 方 式，掩 膜 版 相 对 晶 圆 同 步 完 成 扫 描 运 动，完 成 当 前 曝 光 后，至 下 一 步 扫 描 场 位 置，继 续 进 行 重 复 曝 光，直 到 整 个 晶 圆 曝 光 完 毕。从0.18 m 节点开始，硅基底CMOS 工 艺 大 量 采 用 步 进 扫 描 光 刻，7nm 以下工艺节点使用的EUV 采用的也是步进扫描方式。图：投影光刻示意图 图：步进扫描光刻示意图 图：步进重复光刻示意图 来源：萨科微半导体官网，ASML，中泰证券研究所 10 光刻技术：干法光刻和浸润式光 刻 投影光刻技术根据投影物镜下方 和晶圆 间是 否有水 作为介 质可 以分为 干式光 刻和 浸润式 光刻。干式光刻技术无法满足不断缩小的线宽：光 从 投 影 物 镜 射 出，由 玻 璃 介 质 进 入 空 气 介 质，会 发 生 衍 射，光 角 度 发 生 变 化，最终 成 像 于 晶 圆 表 面。随 着 线 宽 不 断 缩 小，衍 射 效 应 不 断 增 加，需 要 增 大 投 影 物 镜 直 径 来 接 受 更 多 的 光，这 导 致 物 镜 内 聚 焦 的光角度越来越大，再经过折射效应，射出投 影物镜 的光角 度接近 水平，无法成 像，因 此出现 了浸润 式光刻 技术。浸润式光刻技术使光刻水平进一步提高：投影物镜下方和晶圆间 充满水，由 于 水 的 折 射 率 和 玻 璃 接 近（在193nm 波 长 中,折射率空气=1，水=1.44，玻璃约为1.5），从投影物镜射出的光进入水介质后，折射角较小，光可以正常从物镜中折射出来。ArF光源加浸润技术实际等效的波长为193nm/1.44=134nm。图：干式光刻示意图 图：光线在玻璃、空气、水中的 折射 图：浸润式系统示意图 来源：萨科微半导体官网，ASML，中泰证券研究所 光刻机的技术水平很大程度上决 定了集 成电 路的发 展水平。随着EUV光刻机 的出现，芯片 制程最 小达到3nm。目前ASML正在研发High-NA EUV 光刻机，制程可达2nm、1.8nm，预计2025年量产。同时，英伟达在23年GTC大会上也表示其通过突破性的 光刻计算库cuLitho，将计算光刻加速40倍以上，使得2nm及更先进芯片的生产成为 可能，ASML、台积电 已参与 合作，届时将 带动芯片性能再次提高。表：各个工艺节点和光刻技术的 关系 11 光刻机的技术水平决定集成电路 的发展 水平 0.5um 200mm Al g-line:436nm 0.35um 200mm Al i-line:365nm 0.25um 200mm Al KrF:248nm(stepper)0.18um 200mm Al KrF:248nm(stepper&scanner)0.13um 200/300mm Al/Cu ArF:193nm 90nm 300mm Al/Cu ArF:193nm 65/55nm 300mm Cu ArF:193nm 45/40nm 300mm Cu ArFi:193nm(134nm)28nm 300mm Cu ArFi:193nm(134nm)22/20nm 300mm Cu ArFi:193nm(134nm)16/14nm 300mm Cu ArFi:193nm(134nm)10nm 300mm Cu ArFi:193nm(134nm)7nm 300mm Cu EUV:13.5nm/ArFi:193nm(134nm)5nm 300mm Cu EUV:13.5nm 3nm 300mm Cu EUV:13.5nm 图：ASML对客户节点演进的预测 12 多重曝光亦可实现更小线宽，但 工艺难 度大 光刻技术利用多重曝光工艺实现 更小线 宽。三 种多重 曝光技 术：LELE、LFLE、SADP，误差较小的是SADP。1）LELE（LITHO-ETCH-LITHO-ETCH 光刻-刻蚀-光刻-刻蚀）：原理是把原来一层光刻图形拆分到两个或多个掩膜上，利用多次曝光和刻蚀来实现原来一层设计的 图形。2）LFLE（LITHO-FREEZE-LITHO-ETCH 光刻-固化-光刻-刻蚀）：原理是将第二层光刻胶加在第一层已被化学冻结但没去除的光刻胶上，再 次 进 行 光 刻，形 成 两 倍 结 构。LELE 和LFLF 技 术 的 特 点 就 是 流 程 简 单，缺 点 是 两 次 光 刻 之 间 存 在 对 准 问 题，如 果 工艺不够严谨，每次曝光的线宽偏差和 两次曝 光图形 之间套 刻误差 将导致 图形局 部周期 性的起 伏。来源：芯制造，显示汇，中泰证 券研 究所 图：LELE原理 图：套刻误差引起的周期移动 13 多重曝光亦可实现更小线宽，但 工艺难 度大 3）SADP 又 称 侧 墙 图 案 转 移，用沉积、刻 蚀 技 术 提 高 光 刻 精 度：在 晶圆 上 沉 积金 属 介质 层、硬掩 膜 材料 和 芯 轴材 料（牺牲层）旋 涂 光 刻 胶，曝 光 显 影 后 留 下 所 需 图 形 并 刻 蚀 核 心 芯 轴 在 芯 轴 外 围 沉 积 一 层 间 隔 侧 墙，侧 墙 的 大 小 即 互 连 线 的 线 间 距，要精确 控 制 其 均 匀 度 保 证 互 连 线 间 距 的 均 一 性 清 除 掉 芯 轴 材 料，仅 留 下 侧 壁，再 一 次 刻 蚀 将 侧 壁 图 形 转 移 到 下 层 掩 膜 层 侧墙清除，经 过 掩 膜 层 修 饰 后 的 图 形，经 过 再 一 次 刻 蚀 后 传 递 给 金 属 介 质 层 形 成 最 终 图 形，线 宽 仅 为 原 来 的1/2，SADP 可以两次达到4 倍精度。总结:以沉积形成的侧墙为掩膜，在金属介质层上刻蚀形成最终图形。难点：工艺过程对侧壁沉积的厚度、刻蚀形貌的控制极其重要。来源：基于 自对 准图 形 技术 的 金属 互连 工艺 研究，中 泰证 券研 究所 图：SADP技术工艺流程 侧墙 14 多重曝光亦可实现更小线宽，但 工艺难 度大 多重曝光可实现7nm 制 程 但 技 术 复 杂 成 本 高：多次LE 或SADP 可以实现7nm制程，但 多 重曝 光 技 术 提 高 了对 刻 蚀、沉 积 等工 艺 的 技术要求并且增加了使用次数，使晶圆 光刻成 本增加 了2-3 倍。EUV 可实现5nm 以 下 制 程 且 成 本 低：目 前 只 有 通 过EUV 能达到5nm 及以下制程。此外，EUV 的 使 用 可 以 有 效 减 少 刻 蚀、沉 积 等 工 艺步骤，工艺简单且光刻成本低。图：对蚀刻和沉积的需求 来源：ASML，中泰证券研究所 图：每片晶圆光刻成本 来源：芯思想研究院，中 泰证券 研究 所 历 史 转 折 点：ASML 凭 借 浸 润 式 光 刻 机 垄 断 市 场。在 浸润式 光刻 技术 出现之 前，各厂 商专注 于157nm 波长技术 的研 发，“浸润 式微影技术”被 提 出 后，ASML 开 始 与 台 积 电 合 作 开 发 浸 润 式 光 刻 机，并于2007 年 推 出 浸 润 式 光 刻 机，成 功 垄 断 市 场。而同为光刻巨头的日本尼康、日本佳能主推的157nm 光源干式光 刻机被 市场逐 渐抛弃，两家 公司由 盛转衰。ASML一家独大，Nikon和Canon瓜分剩余市场。1）全 球 光 刻 机 市 场 的 主 要 竞 争 公 司 为ASML、Nikon 和Canon。ASML 在 超 高 端 光 刻 机 领 域 独 占 鳌 头，旗 下 产 品 覆 盖 面 最 广。Canon光刻机主要集中在i-line光刻机，Nikon除EUV外均有涉及。2）光刻机市场份额主要被ASML、Canon、Nikon 包揽，从 这 三 家 的 占 比 情 况 来 看，2022 年ASML 占据82%，Canon 占据10%，Nikon占据8%。15 从接触式到EUV，ASML成为绝对龙头 图：2022年全球光刻机TOP3市场份额占比情况 表：2022年 全 球 半 导 体 光 刻 机TOP3 厂 商 出 货 情 况（单 位：台）82.14%10.20%7.65%ASML 佳能 尼康 ASML Nikon Canon EUV 40 ArFi 81 4/ArF dry 28 4 KrF 151 7 51 i-line 45 15 125 345 30 176 来源：ASML，中泰证券研究所 EUV光 刻 机 为ASML贡 献 最 主 要 营 收。从ASML 各产 品 销售 额来 看，2022年EUV 光刻 机在ASML 前道光 刻机 产 品销 售额 占比 近50%，其次是ArFi 的35%。EUV 和ArFi 作为高端机型，单价较贵，为ASML贡献了主要营收增 长动力。KrF出货量最多。从ASML各产品出货量来看，2022年KrF出货量最多，其次是ArFi，再到EUV。16 EUV光刻机为ASML贡献最主要营收 11 18 26 31 42 40 76 86 82 68 81 81 13 16 22 22 22 28 71 78 65 103 131 151 26 26 34 34 33 45 0501001502002503003504002017 2018 2019 2020 2021 2022EUV ArFi ArF dry KrF i-line图：ASML各类光刻机出货量（台）1084.2 1880.1 2799.7 4463.8 6284 7045.3 4028.7 4806.9 4707.7 3914 4959.6 5236.5 02000400060008000100001200014000160002017 2018 2019 2020 2021 2022EUV ArFi ArF dry KrF i-line图：ASML各类光刻机销售额（百万欧元）来源：芯智讯，中泰证券 研究所 ASML 凭 借 光 刻 机 在 全 球 半 导 体 设 备 厂 商 中 位 列 第 二。根 据 芯 智 讯 数 据，在2021 年 全 球 半 导 体 设 备 厂 商 销 售 额 排 行 中，ASML 位列第二，销售额达到217.75亿美元，仅次于美国应用材料。17 ASML凭借光刻机在全球半导体设备厂商中位 列第二 图：2021年全球前十大半导体设备厂商（亿 美元）24.53 24.86 36.32 37.03 39.07 81.65 165.24 172.78 217.75 241.72 0 50 100 150 200 250 300Hitachi Higt-TechSEMESScreenTeradyneAdvantestKLALam ResearchTokyo ElectronASMLApplied Materials半导体设备厂商销售额（亿美元）来源：ASML官网，中泰证券研究所 ASML光刻机种类最齐全，是全球唯一可生产EUV光 刻 机 的 公 司，制 程 最 小 可 达3nm。1）从类型来看，ASML覆盖了干式DUV 光刻机、浸没式DUV光刻机及EUV 光刻机，是全球 唯一可 生产EUV 光刻机的 公司，具有绝 对领先优势。2）从光源来看，ASML覆盖了i-line、KrF、ArF和极紫外光源，最小光源波长为13.5nm。3）从分辨率来看,ASML 覆盖了220nm、110nm、80nm、38nm、13nm 等节点，EUV光刻机是目前全球分辨率最小的光刻机，经过多重曝光等工艺叠加制程可达到5nm/3nm。18 ASML是全球唯一的EUV供应商 表：ASML半导体光刻机产品参数 NA Dry systems DUV TWINSCAN XT:400L i-line 365nm 0.65 220nm TWINSCAN XT:860M KrF 248nm 0.8 110nm TWINSCAN XT:860N KrF 248nm 0.8 110nm TWINSCAN NXT:870 KrF 248nm 0.8 110nm TWINSCAN XT:1060K KrF 248nm 0.93 80nm TWINSCAN XT:1460K ArF 193nm 0.93 65nm TWINSCAN NXT:1470 ArF 193nm 0.93 57nm Immersion systems DUV TWINSCAN NXT:1980Di ArFi 193nm 134nm)1.35 38nm TWINSCAN NXT:2000i ArFi 193nm 134nm)1.35 38nm TWINSCAN NXT:2050i ArFi 193nm 134nm)1.35 38nm EUV TWINSCAN NXE:3400C EUV 13.5nm 0.33 13nm TWINSCAN NXE:3600D EUV 13.5nm 0.33 13nm 图：ASML光刻机发展历程 来源：Nikon 官网，中泰证券研究所 Nikon光刻机集中于DUV，是除了ASML以外唯一可以生产浸没式光刻 机的厂 商。1）从类型来看，Nikon 具有干式DUV光刻机、浸没式DUV 光刻机，是除了ASML 以外唯一可以生 产浸没 式光刻 机的厂 商。2）从光源来看，Nikon 覆盖了i-line、KrF、ArF光源，最小光源波长为193nm。3）从分辨率来看,Nikon覆盖了280nm、110nm、65nm、38nm 等节点。19 Nikon光刻机集中于DUV 表：Nikon半导体光刻机产品参数 NA ArF NSR-S635E ArF 193nm 1.35 38nm NSR-S622D ArF 193nm 1.35 38nm ArF NSR-S322F ArF 193nm 0.92 65nm KrF NSR-S220D KrF 248nm 0.82 110nm i NSR-SF155 i-line 365nm 0.62 280nm 来源：Canon 官网，中泰证券研究所 Canon半导体光刻机主要集中于低端类型。1）从类型来看，Canon 具有低端半导体的i-line和KrF光刻机，未覆盖EUV、ArFi（浸没式）、ArF 等机型。2）从光源来看，Canon 覆盖了i-line、KrF 光源，最小光源波长为248nm。3）从分辨率来看,Canon 覆盖了1.5微米、0.8微米、350nm、90nm等节点。表：Canon半导体光刻机产品参数 20 Canon光刻机集中于低端类型 NA KrF/FPA-6300ES6a KrF 248nm 0.860.50 90 nm FPA-6300ESW KrF 248nm 0.450.70 130 nm FPA-3030EX6 KrF 248nm 0.65 0.50 150 nm i FPA-5550iZ2 i-line 365 nm 0.570.45 350 nm FPA-5550iX i-line 365 nm 0.370.28 500 nm FPA-3030i5a i-line 365 nm 0.35 m FPA-3030iWa i-line 365 nm 0.24-0.16 0.8 m FPA-5520iV i-line 365 nm 0.18 0.15 1.5 m FPA-5520iV HR Option i-line 365 nm 0.24 0.15 0.8 m FPA-5520iV LF Option i-line 365 nm 0.24 0.15 1.5 m FPA-5520iV LF2 Option i-line 365 nm 0.24 0.12 0.8 m FPA-8000iW i-line 365 nm 0.24-0.12 1.0 m 目 录 一、光刻是芯片制造最核心的环节，大陆自给率亟待提升 1.1 光刻机是制造的核心设备，市场规模全球第二 1.2 一超两强垄断市场，卡脖子现象凸显 二、光刻机：多个先进系统组合，核心零部件被海外厂商垄断 2.1 光刻机发展历程：从接触式光刻机到EUV，分辨率不断降低 2.2 多个先进系统的组合，技术壁垒极高 三、大陆厂商实现从“0 到 1”，本土化带来广阔替代空间 四、投资建议及风险提示 21 22 光刻机是一种投影曝光系统：光刻机由光源、照明系统、物镜、工件台等部件组装而成。在芯片制作中，光 刻 机 会 投射光束，穿 过 印 有 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。通 过 蚀 刻 曝 光 或 未 受 曝 光 的 部分来形成沟槽，再进行沉积、蚀刻等 工艺形 成线路。光刻机的三大核心系统：光源系 统、光 学 镜 头、双 工 作 台 系 统。光刻机：人类科技之巅 来源：Photolithography technology in electronic fabrication，中 泰证券 研究所 表：光刻机核心系统介绍 操作控制单元 扫描晶圆台 晶圆传输系统 光源 投影物镜系统 照明系统 掩膜台 减震系统 激光 核 心 系统 作用 照明系统 提供高均匀性的照明光场 并精确 控制曝 光剂量 投影物镜系统 将掩膜图形以一定的缩小 比例成 像到硅 片上，直接影响光刻机的分辨率、套 刻精度、良率 工作台/掩膜台系统 工作台负责承载传输硅片，掩膜 台用于 承载掩 膜版 自动对准系统 控制套刻误差，保证两次 光刻精 准对齐 调焦调平测量系统 测量硅片表面相对于投影 物镜的 高度和 转角,保证 硅片当前场在曝光过程中始 终处于 投影物 镜的焦 深范围内 掩膜传输系统 负责运输掩膜版，控制掩 膜版整 个运动 流程 硅片传输系统 承载硅片整个运动过程，实现硅 片以高 精度和 高效率从片盒传送至工件台的 功能 框架/减振/环境控制系统 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 整机控制系统 光刻机的“大脑”和“神 经”，将各分 系统有 机地连接起来并使其进行有序 工作 图：光刻机总体结构 23 光刻机：人类科技之巅 来源：Nikon，中泰证 券研究 所 图：光刻机结构 图：光刻机核心部件结构 晶 圆 载物 台 投 影 物镜 光掩膜 晶 圆 装载机 来源：zeiss，中泰证券研究所 光 刻 分 辨 率 是 光 刻 曝 光 系 统 最 重 要 的 技 术 指 标，由 光 源 波 长、数 值 孔 径、光 刻 工 艺 因 子 决 定。根 据 瑞 利 准 则，分 辨 率 公 式 为R=k1*/NA，代表光源波长，NA 代 表 物 镜 的 数 值 孔 径，k1 代 表 与 光 刻 工 艺 因 子。数 值 孔 径 指 透 镜 与 被 检 物 体 之 间 介 质 的折射率（n）和孔 径角（2a）半数 的正弦之 乘积。公式为：NA=n*sin。n 为投影 物镜系统 像方介 质的折射 率，为投影物 镜像方半孔径角。孔径角又称“镜 口 角”，是 透 镜 光 轴 上 的 物 体 点 与 物 镜 前 透 镜 的 有 效 直 径 所 形 成 的 角 度。孔 径 角 越 大，进入透镜的光通量就越大，它与透镜的有 效直径 成正比，与焦 点的距 离成反 比。瑞 利 准 则 指 衍 射 极 限 系 统 中 的 分 辨 率 极 限。理 想 的 成 像 系 统，一 个 点 所 成 的 像 是 一 个 完 美 的 点，但 实 际 光 学 系 统 中 的 透 镜 具有 一 定 的 孔 径 大 小，由 此 导 致 所 成 的 像 不 是 一 个 点，而 是 一 个 艾 里 斑。对 于 两 个 距 离 较 近 的 点，所 成 的 光 斑 也 距 离 比 较 近。能 够 区 分 两 个 光 斑 的 最 小 距 离，就是分辨率。当 一 个 艾 里 斑 的 中 心 与 另 一 个 艾 里 斑 的 第 一 极 小 值 重 合 时，达 到 极 限 点，该极限被称为瑞利准则。24 光刻机分辨率由光源波长、数值 孔径、光刻 工艺因 子决定 图：分辨率极限示意图 图：孔径角示意图 来源：高数值孔径投影 光刻物 镜的 光学 设计，IC芯片制造中 的高 端光 刻机：发展 趋势 和技 术挑 战，中泰 证券 研究 所 三方面提高光刻机分辨率：增大 数值孔 径、缩短波 长、减 小光 刻工艺 因子。分辨率 指投影 光学系 统在晶 圆上可 实现的 最小线宽。光刻机分辨率由光源波长、数值 孔径、光刻工 艺因子 决定。因此可 以从以 下三方 面提高 分辨率：1）增大 投影光 刻物镜 的数值孔径；2）缩短曝光波长；3）减小光刻 工艺因 子。1）增大投影光刻物镜的数值孔径：一方 面可以 改进投 影式透 镜系统 来增大 入射角，另一 方面可 以采用 折射率 高的介 质-浸润式。非球面的使用能够在不增加独立 像差数 的前提 下，增 加自变 量的个 数，有 利于改 善像质，同时 在同等 约束条 件下，减少了光学元件的数量。非球面的应用使 物镜NA 可以增 加到0.9，接近物 理极限(干 式光刻)；引入浸 没式技 术后，物镜NA可以增 加到 1.1以上(浸没式光刻)；加入反射镜组成折反式结构理 论上物 镜NA 可到 1.35(极限值)。趋势为（干式）球面镜 非球面镜(浸没式)非球面镜折返式。2）缩短曝光波长：由于晶体管越做越小，元件 线路越 来越密 集，光 刻机需 要达到 更高的 分辨率，因此 必须要 寻找波 长越来 越短的光源。表：数值孔径变化趋势 25 光刻机分辨率由光源波长、数值 孔径、光刻 工艺因 子决定 表：提高