光刻机行业海外硬科技龙头复盘研究系列之九：国之重器，路虽远行则将至

业研究 东兴证券股份有限公司证券研究报告 2024年8月22日 行业报告 电子 看好/维持 光刻机行业：国之重器，路虽远行则将至 ——海外硬科技龙头复盘研究系列之九 分析师 刘航电话：021-25102913邮箱：liuhang-yjs@dxzq.net.cn 执业证书编号：S1480522060001 投资摘要： 光刻机被誉为半导体工业皇冠上的明珠，光刻是半导体芯片生产中最复杂、关键一环。光刻机是芯片制造流程中的核心设备，其光刻的工艺水平直接决定芯片的制程、性能，被誉为半导体工业皇冠上的明珠。光刻是半导体芯片生产中最复杂、关键步骤，耗时长、成本高。光刻机原理类似相机照相，发出光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的薄片曝光，光刻胶见光后发生 性质变化，使图形复印到薄片上，使薄片具电子线路图作用。其中分辨率直接决定制程，是最重要的指标；套刻精度影响良率；生产效率影响产能及经济性。 光刻机可分为直写光刻机与掩膜光刻机，市场主流有i-Iine、KrF、ArF、ArFi、EUV五大类。掩膜光刻机由光源发出光束，经掩膜板在感光材料上成像，又可分为接近、接触式及投影式，投影式为主流，还可分为UV、DUV、EUV。直写式光刻机用计算机控制光束投影至涂感光材料的基材上，无掩膜进行曝光，又可分为光学直写、带电粒子直写。直写光刻机在半导体 应用领域窄，体量小，是掩膜光刻机的补充。市场主流光刻机有i-Iine、KrF、ArF、ArFi、EUV五大类。 光刻机产业链上游所需零件设备众多复杂，下游半导体市场驱动行业发展。零件、组件和设备为上游供应。下游市场主要为半导体市场，全球半导体市场规模稳步扩张，使光刻机需求稳步增长。受益于晶圆需求增长、服务器云计算与5G基础建设 发展，全球光刻机市场规模平稳增长，2023年全球光刻机市场规模增至271.3亿美元，预计2024年达295.7亿美元。2022年全球光刻机销售结构以中、低端KrF、i-Iine为主，占比约71.5%，高端ArFi、ArF和超高端EUV占比较小，分别为15.4%、5.8%和7.3%。 从全球光刻机竞争格局看，光刻机市场由国外企业主导。ASML占绝对霸主地位，2022年市场份额占比82.1%，Canon占比10.2%，Nikon占比7.7%，上海微电子为国内唯一巨头。超高端光刻机EUV领域ASML独占鳌头，高端光刻机ArFi和 ArF领域也主要由ASML占领；Canon主要集中在i-Iine领域；Nikon除EUV外均有涉及。2022年光刻机国产化率仅2.5%，上海微电子为国内唯一巨头。 复盘海外龙头ASML成长之路：四十载砥砺前行，成就全球光刻机龙头。1980年代ASML初出茅庐，与知名透镜制造商卡尔蔡司建立合作。1990年代，ASML推出PAS5500，使ASML名声大噪。2000年代，双工作台、浸没式光刻技术助力ASML成为行业绝对的龙头。2010年代，ASML第一台EUV光刻机问世，收购业内一众领先厂商。2020年代，ASML将EUV光 刻机推进至HighNA时代。 ASML光刻机产品全面丰富，浸入式行业领先，EUV为其独有。ASML拥有EUV、DUV两大光刻系统，DUV包括浸入式系统、干式系统，EUV包括EXE、NXE。ASML浸入式在生产力、成像和覆盖性能方面处行业领先，适用最先进逻辑和内存芯片的大批量生产。EUV技术为其独有。得益于NXE和DUV浸入式系统量价齐升，2023年ASML实现营业收入275.59 亿欧元，净利润78.39亿欧元。预测将于2025年实现约300亿欧元至400亿欧元的年销售额，毛利率约为54%至56%。 ASML通过不断研发投入、技术创新，通过产业链上下游收购不断拓宽护城河。2023年ASML研发投入39.81亿欧元，同比增长22.35%，以支持其牢牢占据高端市场；同时其注重产业链协同效应，在上游进行有针对性的收购或股权投资，与下游客户建立密切合作关系；并与客户、供应商、研究合作伙伴、同行共建创新生态系统；使其龙头地位不断巩固。 海外龙头企业发展历程对于国内光刻机企业发展的启示：1）持续高水平研发投入，坚持创新。打破国内外光刻机巨头的技术壁垒，需要持续高水平投入研发资金，坚持产品技术创新。2）重视产业链协同，深度绑定上下游，构建利益共同体。可以采取并购或合作的方法绑定上下游企业，构建企业生态圈，发挥产业链协同效应。 政策大力支持，国产光刻机行业初露锋芒。1）上海微电子：国产光刻机唯一巨头，SSX600系列光刻机较具代表性。2）炬光科技：深耕激光元器件，激光雷达、泛半导体、医疗健康多产业布局。3）茂来光学：领军国内工业级精密光学，实现九项核心技术产业化，公司光刻机曝光物镜超精密光学元件加工技术已实现产业化。4）福晶科技：全球光学晶体龙头，“晶 P2东兴证券深度报告 光刻机行业：国之重器，路虽远行则将至 体+光学元件+激光器件”一站式服务。4）波长光电：国内激光光学元件的主要供应商，目前，公司已具备提供光刻机配套的大孔径光学镜头的能力，公司成功开发的光刻机平行光源系统可用于国产光刻机领域配套。 投资策略：光刻机是国之重器，也是目前半导体工艺中被“卡脖子”最为严重的半导体设备之一。基于对国内半导体行业政策以及对于国内半导体设备国产化趋势的分析，我们认为，国产光刻机行业有望通过技术攻坚和上下游协同的形式实现弯道超车，关注上海微电子等相关公司的客户突破与产品突破，受益标的：福晶科技、茂来光学、炬光科技、波长光电等。 风险提示：技术迭代风险、行业景气度下行、行业竞争加剧、中美贸易摩擦加剧 P3 东兴证券深度报告 光刻机行业：国之重器，路虽远行则将至 目录 1.光刻机：半导体核心设备，目前国产化率仅2.5%5 1.1光刻机是半导体核心设备，目前主流光刻机分为i-Iine、KrF、ArF、ArFi、EUV五大类5 1.2光刻机产业链非常复杂，市场被海外厂商ASML,Nikon和Canon垄断8 2.复盘海外龙头ASML成长之路，我们得到哪些启示？12 2.1ASML：四十载砥砺前行，成就全球光刻机龙头12 2.2内生外延：研发投入不断加码，通过产业链上下游收购不断拓宽护城河15 2.2.1不断投入，ASML具有丰富的光刻机产品线15 2.2.2通过产业链上下游收购不断拓宽护城河18 3.享受半导体行业发展红利，国产光刻机有望实现技术突围21 3.1上海微电子：国产光刻机巨头，SSX600系列光刻机较具代表性22 3.2炬光科技：深耕激光元器件，激光雷达、泛半导体、医疗健康多产业布局23 3.3茂莱光学：领军国内工业级精密光学，实现九项核心技术产业化24 3.4福晶科技：光学晶体龙头，提供“晶体+光学元件+激光器件”一站式服务25 3.5波长光电：国内激光光学元件的主要供应商，以先进的光刻技术助力半导体产业发展26 4.投资建议28 5.风险提示28 相关报告汇总29 插图目录 图1：掩膜光刻机工作原理5 图2：光刻机内部结构及工作原理5 图3：半导体主要工艺流程6 图4：通过掩模曝光和镜头聚焦6 图5：光刻机可分为无掩膜光刻机与掩膜光刻机7 图6：光刻机行业产业链8 图7：全球光刻机行业市场规模持续增长9 图8：2022年全球光刻机销量KrF、i-Line占比约71.5%10 图9：2022年ASML、Nikon、Canon光刻机市场份额占比11 图10：上海微电子为国产光刻机龙头12 图11：PAS5500产品结构图13 图12：ASML第一台光刻机NXE310014 图13：ASMLHighNAEUV光刻机：TWINSCANEXE:500014 图14：ASML发展历程15 图15：ASML具有丰富的光刻机产品线16 图16：ASML2019-2023年营业收入持续增长17 图17：ASML2019-2023年净利润快速增长17 图18：ASML2019-2023年研发投入持续增加18 P4东兴证券深度报告 光刻机行业：国之重器，路虽远行则将至 图19：一系列并购对ASML的价值产生了正向反馈19 图20：ASML同产业链上下游企业建立深度合作20 图21：ASML未来十年NXE、EXE系统创新路线图20 图22：上海微电子主要光刻机产品系列23 图23：炬光科技主营业务及在产业链中位置24 图24：茂莱光学发展历程及产品应用领域25 表格目录 表1：DUV和EUV的主要应用7 表2：直写光刻机、掩膜光刻机应用场景对比9 表3：2022年全球前三光刻机厂商出货量：ASML垄断高端光刻机市场（单位：台）11 表4：国内促进集成电路产业发展相关政策22 表5：福晶科技主要产品及应用领域26 P5 东兴证券深度报告 光刻机行业：国之重器，路虽远行则将至 1.光刻机：半导体核心设备，目前国产化率仅2.5% 1.1光刻机是半导体核心设备，目前主流光刻机分为i-Iine、KrF、ArF、ArFi、EUV五大类光刻是半导体芯片生产中最关键一环。半导体芯片生产主要分为IC设计、制造、封测三大环节，光刻是半导体芯片生产中最复杂、关键的工艺步骤，耗时长、成本高。光刻指利用光学-化学反应原理和化学、物理刻 蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。一般芯片在生产中需进行20-30次光刻，耗时占IC生产环节50%左右，占芯片生产成本的1/3。 光刻机的工作原理：光刻机发出的光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的薄片曝光，光刻胶见光后发生性质变化，从而使光罩上的图形复印到薄片上，使薄片具有电子线路图的作用。其原理类似于照相机照相，照相机拍摄的照片印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是电路图和其他电子元件。 图1：掩膜光刻机工作原理图2：光刻机内部结构及工作原理 资料来源：电子发烧友、东兴证券研究所资料来源：电子发烧友、东兴证券研究所 光刻机的核心指标是分辨率、套刻精度、产率。光刻机主要性能指标有支持基片的尺寸范围，分辨率、套刻精度、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等。其中，分辨率直接决定制程，极致的分辨率水平为光刻机行业不懈追求，是光刻机最重要的指标。套刻精度是在多层曝光时层间图案的定位精度，影响良率。生产效率影响光刻机的产能及经济性。曝光方式分为接触、接近式、投影式和直写式。光源波长分为紫外、深紫外和极紫外。光源有汞灯，准分子激光器等。 光刻机是实现光刻工艺的核心设备，被誉为半导体工业皇冠上的明珠。光刻机是芯片制造流程中光刻的核心设备，也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。其光刻的工艺水平直接决定芯片的制程、性能水平，因此被誉为半导体工业皇冠上的明珠。 P6东兴证券深度报告 光刻机行业：国之重器，路虽远行则将至 图3：半导体主要工艺流程 资料来源：ASML年报、东兴证券研究所 根据是否使用掩膜版，光刻机主要分为直写光刻机与掩膜光刻机。 掩膜光刻由光源发出的光束，经掩膜版在感光材料上成像，具体可分为接近、接触式光刻以及投影光刻。相较于接触式光刻和接近式光刻技术，投影式光刻技术更加先进，通过投影的原理能够在使用相同尺寸掩膜版的情况下获得更小比例的图像，从而实现更精细的成像。 图4：通过掩模曝光和镜头聚焦 资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校威尔逊研究小组、东兴证券研究所 P7 东兴证券深度报告 光刻机行业：国之重器，路虽远行则将至 根据光源不同，掩膜光刻机还可分为紫外光源（UV）、深紫外光源(DUV)、极紫外光源（EUV）光刻机。光源的波长影响光刻机的工艺。 表1：DUV和EUV的主要应用 类型 波长 制程 应用 DUV 193nm 覆盖7nm及以上制程 涵盖大部分数字芯片和几乎所有模拟芯片 EUV 13.5nm 5nm及以下先进制程 覆盖手机SoC、CPU、GPU、1γ工艺DRAM等多种数字芯片。 资料来源：中国