光刻机光学：国产之路道阻且长，“中国蔡司”未来可期

行业观点 光刻机是半导体设备中最昂贵、最关键、国产化率最低的环节，全球光刻机市场被荷兰ASML、日本佳能、尼康三大巨头垄断。光学系统是光刻机的核心，光刻机制程越小，对光学系统的精度要求越高，目前仅有少数公司（德国蔡司、日本佳能、尼康）具备光刻机超精密光学系统供应能力。 伴随荷兰、日本、美国加大半导体设备出口限制，光刻机、光刻机光学零部件国产替代意义重大。我们估算中国光刻机光学部件市场达5亿美元，尽管目前蔡司在收入规模、研发投入、技术水平遥遥领先，但是中国光刻机设备崛起一定需要中国的“蔡司”。 光刻机：千亿市场ASML、佳能、尼康三分天下，国内厂商任重道远： 2022年全球前三大光刻机厂商出货量达到551台，同增15%；市场规模达196亿美元，同增26%。从销售金额来看，ASML、佳能、尼康市占率为82%、10%、8%。四种主流i-line、KrF、ArF、EUV光刻机中，EUV光刻机技术最先进、可用于10nm以下的先进制程，ASML在EUV光刻机市场为绝对垄断。 我们预计2022年中国光刻机市场规模达27亿美元，伴随荷兰、日本、美国加大半导体设备出口限制，光刻机国产化 意义重大。国产光刻机的主要企业为上海微电子，其自主研发的600系列光刻机突破了外国光刻机卡脖子，可批量生产90nm工艺的芯片。早于“十二五期间”国家启动02专项，重点进行45-22nm关键制造装备攻关等项目。 光刻机光学：全球市场达35亿美元，蔡司收入规模、研发投入、技术水平遥遥领先： 光刻机光学系统的作用是通过光学透镜将芯片图案缩小并映射到硅片上，是整个光刻机的核心，光刻机光学部件的精度和性能决定了芯片的制造精度、性能、成本、效率。 蔡司为ASML的光学部件独家供应商，蔡司的光刻机光学部件约占ASML产品成本的26%。2022年蔡司半导体收入为28 亿欧元，我们估算全球光刻机光学部件市场规模为35亿美元，中国光刻机光学部件市场规模为5亿美元。 蔡司自1846年创立，2022年蔡司收入、净利达88、12亿欧元，2015-2022年CAFR达10%、28%，毛利率超55%。2022年四大部门半导体、工业、医疗、消费光学收入占比为31%、24%、26%、18%。2022年蔡司研发费用达11.5亿欧元、研发费率达13%；2020年蔡司半导体制造业务研发投入达3.3亿欧元，研发费率达18%。 半导体物镜系统难度极高，设计、材料、工艺、组装缺一不可，EUV离轴反射系统中的反射镜需要原子级平整度要求。国产的物镜系统已实现了工艺上的突破，如茂莱光学生产的超精密物镜系统用光学器件已实现搭载在i-line光刻机上，但其工艺相比蔡司供给ASML的EUV光学物镜系统在面型精度、表面光洁度指标等方便仍有较大差距（面型精度方面，蔡司PV<0.25nm，茂莱PV<30nm），超精密光学部件国产化任重道远。 投资建议 建议积极关注茂莱光学、福晶科技、腾景科技、炬光科技、苏大维格等。 风险提示 国产光刻机研发不达预期；光刻机光学部件研发不达预期；国际贸易摩擦加剧；汇率超预期变动。 内容目录 一、光刻机：千亿市场高速增长，ASML、佳能、尼康三分天下4 1.半导体工业皇冠上的明珠，千亿市场高速增长4 2.ASML、佳能、尼康三分天下，国产厂商任重道远7 二、光刻机光学：蔡司遥遥领先，国产之路道阻且长9 1.全球光刻机光学市场规模达35亿美元，蔡司一家独大9 2.蔡司：半导体、工业、医疗、消费光学四轮驱动，高额研发护城河深厚11 3.国产之路道阻且长，蔡司技术水平遥遥领先12 3.1DUV投影物镜之难：四大途径缩小像差，设计、材料、工艺、组装缺一不可12 3.2EUV反射系统之难：原子级平整度，仅蔡司有生产能力14 3.3超精密光学部件国产化虽已实现突破，但与蔡司相差甚远、任重道远15 三、投资建议16 四、风险提示18 图表目录 图表1：全球光刻机出货量稳健增长4 图表2：全球光刻机市场规模稳健增长4 图表3：22年Q4光刻机出货量创新高4 图表4：全球半导体需求放缓4 图表5：光刻机原理（从上到下：光源、掩膜、物镜、晶片）5 图表6：EUV光刻机可实现最先进的制程5 图表7：光刻机出货量实稳健增长6 图表8：光刻机出货量结构6 图表9：EUV光刻机稳健增长6 图表10：EUV光刻机价格遥遥领先（亿欧元/台）6 图表11：2022年ASML中国光刻机收入约占15%7 图表12：2020-2022年中国光刻机市场稳健增长7 图表13：2022年全球光刻机竞争格局（出货量口径）7 图表14：2022年全球光刻机竞争格局（销售额口径）7 图表15：ASML在高端光刻机出货量绝对领先8 图表16：ASML光刻机销售额增速领先8 图表17：ASML在产品类型、工艺、生产效率上均处于领先地位8 图表18：光学系统为光刻机的核心，物镜系统为最主要光学部件9 图表19：光刻机光学系统主要光学部件9 图表20：蔡司为ASML唯一光学部件供应商10 图表21：ASML各地区供应商分布10 图表22：光学部件采购约占成本的26%10 图表23：2022年全球光刻机光学市场规模约为33.8亿美元11 图表24：2022年光刻机光学竞争格局11 图表25：2022年各类光刻机光学单机价值量11 图表26：半导体、工业、医疗、消费为蔡司主要收入来源12 图表27：2015-2022年半导体领域收入CAGR领先12 图表28：2015-2022蔡司净利润CAGR达28%12 图表29：毛利率、净利率持续双增长12 图表30：2021年销售费率、管理费率为17.9%、6.1%12 图表31：研发支出占营收比逐年提高12 图表32：光刻机投影物镜重量可达500kg13 图表33：光刻机投影物镜一般需要29枚镜头13 图表34：蔡司最畅销的几款DUV（深紫外线）、NUV（近紫外线）物镜系统13 图表35：EUV光刻光学工艺更为复杂14 图表36：EUV特性要求采用全反射的投影物镜系统14 图表37：蔡司主要EUV光学部件15 图表38：蔡司光刻机光学加工工艺远超茂莱光学15 图表39：2022H1光刻机光学相关上市公司情况17 一、光刻机：千亿市场高速增长，ASML、佳能、尼康三分天下 1.半导体工业皇冠上的明珠，千亿市场高速增长 2022年全球前三大光刻机厂商ASML、Nikon、Canon出货量达到551台，同增15%。2022年全球光刻机市场规模达196亿美元，同增26%，约占全球半导体销售额（1076亿美元）的18%。 在2020年“宅经济”刺激的半导体强需求下，2021-2022年半导体需求旺盛，但受美联储加息、经济增速下行的影响下，全球半导体销售额自2022年8月起持续下行，但是2022 年光刻机出货量逐季创新高。尽管目前已有多家晶圆厂下调2023年资本开支，但考虑光刻机交期长（2022年末ASML在手订单高达404亿欧元，订单营收比达1.9倍）、战略意义高，预计2023年光刻机市场需求维持高增。据MarketIntelligence，预计2028年全球光刻机市场规模将达到277亿美元，2022-2028年CAGR达6%。 图表1：全球光刻机出货量稳健增长图表2：全球光刻机市场规模稳健增长 600 500 400 300 200 100 0 201420152016201720182019202020212022 30% 出货量（台） YOY 25% 20% 15% 10% 5% 0% -5% -10% -15% 300 250 200 150 100 50 0 2020202120222028E 30% 销售金额（亿美元） YOY 25% 20% 15% 10% 5% 0% 来源：ASML、Nikon、Canon公告，Chipinsights，国金证券研究所来源：Chipinsights，MarketIntelligence，国金证券研究所 图表3：22年Q4光刻机出货量创新高图表4：全球半导体需求放缓 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 19Q119Q219Q319Q420Q120Q220Q320Q422Q122Q222Q322Q4 700 600 500 400 300 200 100 0 20122013201420152016201720182019202020212022 30% 全球半导体销量（十亿美元） YOY 25% 20% 15% 10% 5% 0% -5% -10% -15% 来源：猎芯网，半导体设备与材料，国金证券研究所来源：ifind，国金证券研究所 光刻机是生产芯片的核心装备，被誉为半导体工业皇冠上的明珠。其原理为光复印工艺，经曝光系统用投影方法将掩模上的大规模集成电路器件的结构图形画在涂有光刻胶的硅片上，经物镜补偿等光学误差，通过光的照射映射到晶圆上，生成电路图。 按照光源划分，市面上主流的光刻机可分为g-line、i-line、KrF、ArF、EUV五种，其中g-line逐渐走向边缘。每次光源的改进都显著提升了了光刻机的工艺水平、生产效率、良率。五代光刻机的主要差异是光刻机的工艺节点，即限制成品所能获得的最小尺寸，目前第五代EUV光刻机的最小工艺节点达到了最优。一般而言，光刻系统能获得的分辨率越高，则成品所能获得的最小尺寸越小，这需要减小照射光源的波长。在光刻机的更新迭代中，对光源、光学透镜、反射镜系统提出了越来越高的要求。 i-line光刻机：光源方面，i-line光刻机使用波长为365nm的紫外光作为光源，通常采用汞灯或氙灯。曝光方面，i-line光刻机往往采用接触式曝光，将掩模与光刻胶直接接触，可能导致掩模和光刻胶之间的污染和损伤，降低掩模的使用寿命。应用方面，尽管 i-line光刻技术已经被深紫外光刻技术所替代，但在针对部分旧款半导体工艺和制造流程、MEMS（微机电系统）制造、显示器制造、大型光掩模上仍然需要使用i-line光刻机。 KrF光刻机：KrF光刻技术全称为KryptonFluorideExcimerLaserLithography。光源方面，KrF光刻机采用波长为248nm的深紫外线光源，即使用氪氟准分子激光，比i-line光刻机具有更高的分辨率和更小的制程。曝光方面，KrF光刻机采用扫描投影式 （ScanningProjectionExposure）曝光方式，光源通过一个镜头和掩模进行投影，将电路图案投影到电路板上，通过将掩模和光刻胶之间的距离控制在纳米级别来进行曝光，避免了接触式曝光中可能导致的污染和损伤。应用方面，KrF光刻机在制造高密度DRAM、SRAM、闪存等存储器件时表现出色。 ArF光刻机：ArF光刻技术全称为ArgonFluorideExcimerLaserLithography。光源方面，ArF光刻机采用波长更短的193nm的深紫外线光源，即氩氟准分子激光，比KrF光刻机更加先进。ArF光刻机有两种类型，分别是ArFimmersio（浸没式DUV）和ArFdry（干式DUV）。ArFimmersio采用液体浸没技术，在曝光过程中，将掩模和硅片之间涂上一层液体介质，可以提高曝光分辨率和制程能力。ArFdry相对于液浸技术更加简单和稳定。在曝光过程中，不需要使用液体介质，可以直接进行曝光，但制程能力相对于ArFimmersio稍差。KrF光刻机主要集中在高端芯片市场，例如制造高性能计算机、云计算、人工智能等领域所需的芯片。 EUV光刻机：EUV光刻技术全称为紫外光刻（ExtremeUltravioletLithography），是目前半导体制造业中最先进的光刻技术之一，可以用于10nm以下的先进制程。光源方面，使用波长为13.5nm的极紫外光，即采用锗（Ge）和锡（Sn）混合的等离子体光源，产生高能量的光子来进行曝光。曝光方面，EUV光刻机采用反射式光学系统，曝光光线从光源进入光刻机，经过多个反射