海外半导体设备巨头巡礼系列：详解光刻巨人ASML成功之奥妙

证券研究报告 海外半导体设备巨头巡礼系列：详解光刻巨人ASML成功之奥妙 首席证券分析师：周尔双执业证书编号：S0600515110002 zhouersh@dwzq.com.cn 证券分析师：李文意 执业证书编号：S0600524080005liwenyi@dwzq.com.cn 请务必阅读正文之后的免责声明部分 2024年10月15日 历经40年发展，通过不断收购同业和上游供应商、创新并引领行业技术突破，ASML现已成为全球第一大IC光刻机厂商。ASML于1984年成立，40年来公司产品布局专注于IC前道光刻机，从创业之初的筚路蓝缕，几经突破后终成光刻巨人。2023年，ASML实现营收276亿欧元（约2150亿人民币），同比+30%，净利润78亿欧元（约610亿人民币），同比+39%。 光源&数值孔径&工艺因子三轮驱动，共促光刻技术迭代。光刻机在光刻工艺中承担曝光这一核心步骤，投影式掩模光刻长期成为IC光刻机采用的主流技术。投影式光刻机可按曝光方式分为扫描式、步进重复式和步进扫描式（目前步进扫描式为行业主流），也可按光源类型分为UV、DUV和EUV光刻机。过去40年光刻机的技术迭代主要围绕分辨率、套刻 精度、产能三大关键指标以及决定分辨率的光源波长、数值孔径和工艺因子三大参数展开。 光源系统&光学系统&双工件台为光刻机三大核心部件。光刻机产业链覆盖众多上游组件&系统和中游配套设备&材料，其中光源系统、光学系统、双工件台为光刻机的三大核心部件，价值量占比分别为15%、24%、12%。光源供应几乎由美 国Cymer和日本Gigaphoton垄断；光学系统包括照明系统和投影物镜两大组成部分，其中投影物镜技术难度极高，EUV投影物镜由德国蔡司一家垄断；双工件台由ASML于2001年最先推出，可在大幅提升光刻机产率的同时实现更高精度。 光刻机市场：一超双强格局稳定，晶圆扩产拉动需求增长。2023年全球IC光刻机市场规模接近260亿美元，且稳定呈现“一超双强”的竞争格局，其中ASML在DUV和EUV光刻机市场均占据主导地位，特别是EUV光刻机市占率达到100%。展望未来光刻机市场需求，ASML预计2025年、2030年全球晶圆需求将分别达1280万片/月、1660万片/月（等效12英寸）， 2020-2030年成熟制程和先进制程晶圆需求CAGR分别为6%和10%，从而带动光刻机特别是中高端光刻机的需求增长。 ASML核心壁垒：技术、生态、资金三重壁垒筑高墙。通过复盘ASML的发展历程，我们发现ASML的成功之路离不开技术、生态、资金三大要素，而这三大要素也铸造了ASML未来持续垄断行业的高大护城河。（1）技术：ASML早期凭借PAS5500、双工件台、浸没式、EUV四项技术实现赶超日本，如今ASML各项光刻机指标均在引领行业，成为延续摩尔定律的先锋。（2）生态：ASML已掌控了光刻机的光源、光学系统、双工件台这三大最核心部件的供应，并与全球头部晶圆厂客户深度合作，已构筑起完善而牢固的生态网络。（3）资金：ASML早期获得了头部客户的股权投资，中后期又在自身大量盈利以及荷兰政府的补贴/减税支持下，持续巨额投入资金研发、收购供应商，不断强化自身优势。 国产光刻机：前路漫漫亦灿灿，吾将上下而求索。美日荷意图通过光刻机管制政策限制中国大陆先进制程发展，其中EUV光刻机早已明令禁入中国大陆，如今ArFi光刻机的管制也在加强。但我们看到，2023年以来ASML已将较多高端ArFi光刻机交付中国大陆，其中湖北、安徽、北京三地为进口ASML中端光刻机的主要省市。光刻机国产化方面，目前 国产光刻机实现自主可控的三大核心要素均已具备，生态网络正逐步完善，资金面相对充足，但最为关键的技术端仍然薄弱。目前国内光刻机可实现65nm制程，整体技术水平落后ASML约20~30年，但在政府重视程度不断加深、多家顶尖科研院所与高校的共同努力下，我们看好未来SMEE和各大院所在技术端的持续突破。 风险提示：半导体行业投资不及预期，设备国产化进程不及预期，国际贸易摩擦加剧风险，半导体技术快速迭代风险。 表：本篇报告中重要专有名词释义 光刻机光源类型 名称 G-lineI-lineKrFArFArFiDUVEUV 单位说明 一种UV汞灯光源，波长436nm一种UV汞灯光源，波长365nm 氟化氪，一种DUV光源，波长248nm氟化氩，一种DUV光源，波长193nm 浸没式氟化氩，通过浸没式技术提高NA，将光源波长等效为134nm深紫外光，波长在170-300nm范围内 极紫外光，波长为13.5nm 光刻机相关技术参数 光刻机相关零部件厂商 其他 分辨率（Resolution， R） 瑞利准则（Raleighcriterion） CD（CriticalDimension) λ NA（NumericalAperture） k1 套刻精度（Overlay）光刻机单机产能 （Throughput） ZeissZeissSMTCymer Gigaphoton HVM（HighVolumeManufacturing） nm nmnm \ \nm wph 表示光刻机能够清晰投影最小图像的能力，是光刻机最重要的技术指标之一，决定了光刻机能够被应用于的技术节点水平。一般对于 32/28nm及以上技术节点的逻辑器件，CD等于技术节点；而对于32/28nm以下节点的逻辑器件，由于晶体管进入立体结构时代，CD要大于技术节点。 在光刻技术中，瑞利准则用来定义光刻机的分辨率，即光刻机的分辨率R=k1⋅λ/NA。 关键尺寸，集成电路中的最小特征尺寸，代表芯片结构中的最小线宽半间距，等于光刻机的分辨率R。光源波长，单位：nm。 光刻机中投影物镜镜头的数值孔径，定义为n⋅sin(θ)，其中n是镜头与晶圆之间介质的折射率，θ是曝光光线在晶圆表面的最大入射角（（取决于透镜直径）。NA越大，分辨率越高。干式DUV光刻机的NA最大为0.93，DUVi光刻机的NA最大为1.35，标准EUV光刻机的NA为0.33，High-NAEUV光刻机的NA为0.55，Hyper-NAEUV光刻机的NA为0.75。 光刻工艺因子，单次曝光下的物理极限为0.25。 多次光刻的图案层之间的对齐精度。由于一个器件可能需要经过多次光刻步骤来完成不同的层，因此每一层的图案都需要与先前的层精准对齐，稍有偏移可能会导致电路性能降低，良率下降，甚至芯片完全失效。随着芯片工艺节点越来越小，允许的绝对套刻精度误差也变得更小多重曝光工艺对套刻精度的要求更高。 光刻机每小时处理的晶圆数量。 德国-卡尔蔡司集团，ASML的核心零部件供应商。 蔡司的半导体事业部/子公司，ASML的核心零部件供应商。 美国的一家DUV和EUV光源供应商，2013年被ASML全资收购，现为ASMLEUV光源系统的唯一供应商。 日本的一家DUV光源供应商，主要为ASML、Nikon、Canon等整机厂提供DUV光源系统，目前其EUV光源处于商业化量产的验证阶段。大批量生产，在半导体行业中，进入HVM阶段表明相关技术和工艺已经足够成熟，可支持大规模商业化生产。 数据来源：东吴证券研究所整理3 目录 1ASML：全球最大IC光刻机&半导体设备制造商 2光源&数值孔径&工艺因子三轮驱动，共促光刻技术迭代 3光源系统&光学系统&双工件台为光刻机三大核心部件 4光刻机市场：一超双强格局稳定，晶圆扩产拉动需求增长 5ASML核心壁垒：技术、生态、资金三重壁垒筑高墙 6国产光刻机：前路漫漫亦灿灿，吾将上下而求索 7风险提示 1.1ASML：全球第一大半导体制造设备供应商 经历40年的发展，通过不断收购同业和上游供应商、创新并引领行业技术突破，ASML现已成为全球第一大半导体制造设备供应商。荷兰的阿斯麦（ASMLHoldingN.V.，ASML）由Philips和ASMI合资成立于1984年，1995年登陆阿姆斯特丹证交所和纽交所上市。经过40年的发展，ASML现已成为全球半导体设备公司TOP5之 一，也是全球最大的IC光刻机厂商，基本垄断了包括ArFi、EUV光刻机在内的中高端光刻机市场。2023年， ASML实现销售额约300亿美元，全球市占率28%，位列全球半导体设备厂商第一名。截至2024.10.13，ASML （ASML.O）市值约3360亿美元。 图：全球半导体设备TOP5制造商销售额及市占率 2022年销售额（十亿美元）2023年销售额（十亿美元）2023年市占率-右轴 28% 29.8 25% 26.1 26.5 22.0 19.1 13% 14.3 17.0 12% 13.2 9% 10.5 9.7 3530% 3025% 25 20% 20 15% 15 10% 10 55% 0 ASML AMAT LAM TEL 0% KLA 1.2发展历程：从创业之初的筚路蓝缕，几经突破后终成光刻巨人 ASML的发展历史可大体分为�个阶段。ASML于1984年成立，曾在之后几年的起步阶段几次濒临破产，后经历了1990s的奠基阶段和2000s的技术实力突飞猛进，直至2010年才开始实现稳定盈利。2010-2021年ASML凭借中高端的浸没式和EUV光刻机充分享受半导体扩产的红利。2022年以来，ASML开始发力提升光刻机的产能与 既有光刻机的迭代升级，2023年成功推出首台High-NAEUV光刻机EXE5000。 图：ASML发展历程复盘 1990s:PAS5500奠基2000s:双工件台&浸没式助力市占率快速提升 2010年，ASML推出第一代EUV光刻样机NXE3100 2010s:EUV垄断最高端市场 2020s:EUV拓展期 1980s:起步阶段 90 1984年，飞利浦与 ASMI各出资210万美元，各持股50%，合资成立ASML 80 70 1986年，ASML推出 PAS2500，并首次出售给美国Cypress （22年被英飞凌收购） 60 50 40 1988年，飞利浦将 MEGA产线搬至台积电，后者因意外发生火灾而向ASML采购了17台PAS2500， ASML久旱逢甘霖 30 20 10 0 1995年，ASML上市，同年三星装机第一台PAS5500并生产出250nm工艺的16Mb存储器 1991年，ASML推出I-linePAS5500，并通过IBM8 英寸晶圆产线验证，后实 现小批量交付 1997年，Intel组织成立EUVLLC联盟，ASML被 特批加入，Nikon被美国政府“排挤在外” 1996年，海力士装机第一台PAS5500，1998年海力士成为ASML的最大客户 2012年，Intel、TSMC、三星分别投资33、11、8亿欧元认购ASML15%、5%和3%的股权，主要用于支持EUV光刻机的研发 2023年ASML推出 首台High-NAEUV 光刻机EXE5000 2020年，ASML收 购BerlinerGlas，巩固晶圆台、反射镜等部件供应 2004年，TWINSCAN从 AT系统升级到XT系统，占地面积降低25%。第�代NXT将激光干涉仪换成光栅，量测和套刻精度显著提升 2000年，ASML收购美国光刻机厂商SVG，储备157nm光源和EUV相关技术专利，并打入Intel供应链 1200 2012年，ASML以25亿美元收购美国DUV和EUV光源制造商Cymer 2001年，ASML推出TWINSCAN双工件台，极大提升了光刻机生产效率 1000 2007年，ASML 收购美国计算光刻软件公司Brion 2002年，TSMC林本坚提出浸没光刻技术，此后TSMC、IBM、Intel与ASML合作研发浸没式光刻机 800 2019年，ASML收购电子束光刻机厂商Mapper 2017年，ASML收购ZeissSMT24.9% 的股份 2016年，ASML收购量测设备商HMI 600 4