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】光刻机行业报告：从0到1，星辰大海 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 1 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 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 光刻胶去除 刻蚀 初步氧化 显影 涂光刻胶 曝光 3 来源：ASML，中泰证券研究所 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 图：全球前五大半导体设备厂商研发费用率（单位：%）图：EUV光刻机零部件占比（单位：%） 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 22年研发费用率（%） AMATASMLTokyo Lam 日本的材料 27% 美国光源 27% 荷兰腔体和英国真空32% 德国光学系统 14% KLA ElectronResearch 来源：WIND，2021数博会，中泰证券研究所4 光刻设备单价最高，市场规模全球第二 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。 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 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 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 YoY% 9% -15% -14% 18% -3% 12% 38% 14% -7% 19% 44% 占半导体市场比例 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（fab需要） 36,309 30,210 26,729 30,831 30,634 34,260 48,041 54,833 51,740 61,133 87,139 YoY% 14% -17% -12% 15% -1% 12% 40% 14% -6% 18% 43% 占半导体生产设备市场比例 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 蚀刻 4,361 3,980 3,996 5,173 6,031 7,297 10,734 11,536 10,274 12,881 18,886 光刻 8,930 6,652 6,298 6,879 5,773 6,224 8,367 11,092 11,512 13,372 17,178 CVD 3,848 3,150 2,832 4,009 4,420 4,846 7,838 8,578 7,166 9,029 13,398 测量和检验 3,802 3,736 3,534 3,531 3,310 4,162 4,932 5,478 5,313 6,339 9,184 表面处理 2,762 2,714 1,839 2,296 2,147 2,547 3,235 3,677 3,251 3,620 5,436 涂胶 2,337 1,863 1,513 1,755 1,568 1,582 1,871 2,670 2,502 2,955 4,074 PVD 1,832 1,732 1,535 1,700 1,367 1,432 2,131 2,491 2,864 3,211 4,699 热处理 1,287 775 791 727 714 870 1,293 1,413 1,350 1,556 2,705 CMP 1,240 778 740 802 896 1,236 1,796 1,852 1,486 1,572 2,622 其他沉积 2,376 1,461 1,237 1,312 1,222 1,056 1,584 1,388 1,536 1,457 2,521 离子注入 1,289 1,032 813 833 1,071 1,012 1,325 1,587 1,271 1,664 2,161 其他晶圆加工 280 275 237 239 279 281 402 429 338 483 645 代工厂设施 852 798 683 771 875 981 1,580 1,553 1,508 1,434 2,087 掩模制造设备 1,112 1,264 682 802 963 734 953 1,088 1,369 1,559 1,542 图：全球半导体制造设备市场份额（单位：百万美元） 图：2021年晶圆生产设备市场份额占比 CMP其他沉积 离子注入 其他晶圆 3% 热处理 3% 3%3% PVD6% 加工 1%蚀刻 23% 来源：SEMI，中泰证券研究所 涂胶 5% 表面处理 6% 测量与检验11% CVD16% 光刻 20% 5 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 从接触式到EUV，ASML成为绝对龙头 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 1960s-70s1980s-90s2000s2010s 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 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。 2000年,ASML发布TWINSCAN双工件光 刻机平台，生产效率提升35%以上。2010年，ASML成功研发第一台TWINSCANNXE 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 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 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。 ：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。 掩膜设备（第一台光刻机）此后，占据30%市场份额，同年ASML 2005年，摩尔定律发展再度陷入停 2017、2019、2021ASML分别开始量产出货 Kapserinstrument和perkinElmer公司先后推出了对准，投影光刻技术 刚刚成立。 1991年，ASML推出PAS5500 步进式光刻机，成为ASML长 青设备之一。 滞。ASML研发EUV光刻技术。2008年春季，产生了世界上第一个full-fieldEUV测试芯片。 NXE：3400B、NXE：3400C和NXE:3400D。分 辨率、套刻精度、生产效率不断提升。 7 来源：cntechpost，中泰证券研究所 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2μm。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8 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0.25μm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0.25μm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0.25μm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