半导体行业新周期系列报告之二：光刻机：半导体设备明珠，国产化突破在即

光刻机：半导体制造业皇冠上的明珠。光刻机是光刻工艺的核心设备，主要由光学系统、机械系统和控制系统构成。目前市场上的光刻机主要分为g-line、i-line、KrF、ArF、EUV五代迭代更新，其中g-line逐渐被市场淘汰，第五代EUV光刻机的最小工艺节点达到了最优。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。 光刻机产业链复杂，全球光刻机市场快速增长。光刻机产业链较为复杂，主要包括上游设备及材料、中游光刻机生产及下游刻机应用三大环节。目前市场上的光刻机主要分为g-line、i-line、KrF、ArF、EUV五代迭代更新，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，从出货量来看，2017年至2021年，全球光刻机市场规模从294台增长至450台，CAGR达11.23%。 ASML、Nikon、Canon三分天下。目前市场主流产品基本来自ASML、Nikon和Canon。三家企业光刻机出货量由2015年的281台增长至2022年的551台，CAGR达10.10%；销售收入由2019年的945亿元增长至2022年的1318亿元，CAGR达11.73%。其中ASML占据绝对的龙头地位，垄断高端EUV市场。 Canon在低端光刻机市场占据优势地位，主要集中在i-line光刻机；Nikon在光刻机产品类型覆盖较广，在除EUV之外的类型均有涉及，其中以ArF和i-line光刻机领域较为突出，但在出货量上远少于ASML和Canon。 光刻机国产化任重道远。上海微电子是大陆光刻机进展最快的厂商，其自主研发的600系列光刻机可批量生产 90nm 工艺的芯片。但是在技术层面，上海微电子的IC前道光刻机与国际先进水平差距仍较大。上海微电子装备有限公司已量产的光刻机中性能最好的最高可实现 90nm 制程节点，ASML的EUV 3400B制程节点可达到 5nm 。这也使得在IC前道光刻机市场，国产化率较低，国内的IC前道光刻机市场主要被ASML、Nikon和Canon瓜分。 投资建议：建议关注福晶科技、福光股份、腾景科技、茂莱光学、炬光科技、苏大维格、富创精密、奥普光电、赛微电子等。 风险提示：国产光刻机产业链研发进展不及预期；客户导入进度不及预期；国际贸易摩擦加剧；汇率波动风险。 表1：重点公司盈利预测与估值表 1、光刻机：半导体制造业皇冠上的明珠 光刻机是光刻工艺的核心设备。光刻机（MaskAligner）又称掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，包含上万个零部件，集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域等多项顶尖技术。它采用类似照片冲印的技术，把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。 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。 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。 图1：光刻过程 光刻机主要由光学系统、机械系统和控制系统构成。光学系统包括曝光光源、透镜、反射镜等，用于将掩模上的图形投影到硅片上；机械系统包括平台、运动控制系统、自动对位系统等，用于控制硅片的位置和运动轨迹。控制系统包括计算机、控制软件等，用于控制整个光刻机的运行和曝光过程。 光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图。 图2：光刻机组成结构图 图3：光刻机工作原理 目前市场上的光刻机主要分为g-line、i-line、KrF、ArF、EUV五代迭代更新。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。 全球光刻机市场快速增长。从出货量来看，2017年至2021年，全球光刻机市场规模从294台增长至450台，CAGR达11.23%。 图4：2017-2021年全球光刻机市场规模（按出货量）及其同比（%） 光刻机产业链涉及范围广。从产业链来看，光刻机产业链主要包括上游设备及材料、中游光刻机生产及下游刻机应用三大环节。光刻机技术极为复杂，在所有半导体制造设备中技术含量最高。主要涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，生产一台光刻机往往涉及到上千家供应商。 图5：光刻机产业链梳理 2、竞争格局：ASML、Nikon、Canon三分天下，国产化任重道远 ASML、Nikon和Canon三分天下。目前市场主流产品基本来自三大企业：ASML、Nikon、Canon。三大企业光刻机销量稳步提升，从2015年的281台增长至2022年的551台，CAGR达10.10%，销售收入由2019年的945亿元增长至2022年的1318亿元，CAGR达11.73%，其中ASML占据销量的8成以上。 表2：光刻机三大公司技术情况 图6：2015-2022年全球CR3光刻机销量（台）及同比（%） 图7：2019-2022年全球CR3光刻机销售收入（亿元）及同比（%） ASML龙头地位显著。ASML是位于荷兰Veldhoven的全球最大的半导体设备制造商之一，向全球复杂集成电路生产企业提供领先的综合性关键设备，产品覆盖低端至超高端的全系列产品。与此同时，ASML作为全球唯一一家生产高精度光刻机公司，无论是产品均价还是产品数量皆远高于其他企业，龙头地位显著。随着下游集成电路需求持续复杂和精细，工艺制程愈加接近极限，高端光刻机需求将持续扩张，整体光刻机营收也迎来上升。 图8：2018-2022年ASML光刻机销售额（亿欧元） 图9：2018-2022年ASML各类型光刻机价格（亿欧元/台） ASML垄断高端EUV光刻机市场。ASML占有EUV光刻机100%的市场份额，位于垄断地位，同时多种光刻机均有出售，并在高端光刻机上占有绝对优势地位。EUV光刻机在性能、功耗、生产成本、生产周期等方面优势突出，且由于ASML产能吃紧，在先进逻辑芯片、12nmDRAM领域EUV光刻机供不应求。 对应近年来EUV光刻机平均售价遥遥领先且一路攀升，据ASML财报数据，2022年EUV光刻机均价高达1.76亿欧元每台，远高于其他类型的光刻机。2022年ASML各产品销售额中，EUV光刻机的销售额占比近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。 表3：ASML产品举例 Nikon、Canon占据中低端市场。中低端光刻机由于较低的技术壁垒，竞争者数量较多，Nikon和Canon凭借价格优势占据中低端市场主导地位。Canon在低端光刻机市场占据优势地位，仅在i-line，KrF两类光刻机上有所出货,且主要集中在i-line光刻机；Nikon在光刻机产品类型覆盖较广，在除EUV之外的类型均有涉及，其中以ArF和i-line光刻机领域较为突出，但在出货量上远少于ASML和Canon。目前Nikon在ArFimmersio、ArFdry（干式DUV）、KrF领域已有不少产品对标ASML的产品，但其生产效率与ASML相比仍存在差距。 图10：2019-2022年CR3光刻机细分产品出货量（台） 图11：2022年CR3光刻机细分产品出货量（台） 表4：Nikon对标ASML用于芯片制造领域的光刻机 上海微电子是大陆光刻机进展最快的厂商。上海微电子装备(集团)股份有限公司主要致力于半导体装备、泛半导体装备、高端智能装备的开发、设计、制造、销售及技术服务。公司设备广泛应用于集成电路前道、先进封装、FPD面板、MEMS、LED、Power Devices等制造领域。 上海微电子自主研发的600系列光刻机可批量生产 90nm 工艺的芯片。目前上海微电子已实现 90nm 量产(600系列光刻机)，600系列IC前道投影光刻机，采用四倍缩小倍率的投影物镜、工艺自适应调焦调平技术，以及高速高精的自减振六自由度工件台掩模台技术，可满足IC前道制造 90nm 、 110nm 、 280nm 关键层和非关键层的光刻工艺需求。该设备可用于8寸线或12寸线的大规模工业生产。SSB500系列步进投影光刻机主要应用于200mm/300mm集成电路先进封装领域，包括FlipChip、Fan-InWLP、Fan-OutWLP和2.5D/3D等先进封装形式，可满足Bumping、RDL和TSV等制程的晶圆级光刻工艺需求。 上海微电子的IC前道光刻机与国际先进水平差距仍较大。上海微电子装备有限公司已量产的光刻机中性能最好的最高可实现 90nm 制程节点，ASML的EUV 3400B制程节点可达到 5nm 。这也使得在IC前道光刻机市场，国产化率较低，国内的IC前道光刻机市场主要被ASML、Nikon和Canon瓜分。 目前,上海微电子封装光刻机已实现批量供货，成为长电科技、日月光、通富微电等封测龙头的重要供应商，并出口海外市场，在国内市场占有率高达80%，全球市场占有率达40%。同时公司300系列光刻机可以满足HB-LED、MEMS和Power Devices等领域单双面光刻工艺需求。 表5：上海微电子光刻机产品举例 中国逐步在光刻机产业链中实现部分突破。在光刻机产业链上游，中国初步突破了光刻机的双工作台（华卓精科）、光源（科益虹源、福晶科技）和光学镜头（奥普光电）三大核心子系统。在中游，上海微电子是国内技术最领先的光刻设备厂商；在下游，中芯国际是全球领先的集成电路晶圆代工企业之一。 表6：光刻机国产化产业链 3、投资建议 投资建议：建议关注福晶科技、福光股份、腾景科技、茂莱光学、炬光科技、苏大维格、富创精密、奥普光电、赛微电子等。 4、风险提示 风险提示：国产光刻机产业链研发进展不及预期；客户导入进度不及预期； 国际贸易摩擦加剧；汇率波动风险。