2023光刻机行业产业链竞争格局市场空间及相关公司分析报告

2023年深度行业分析研究报告 目录 一、光刻机行业概述1 二、市场空间及竞争格局4 三、国内光刻机行业现状7 四、光刻机产业链10 五、光刻机相关公司14 六、光刻技术发展趋势及市场展望22 一、光刻机行业概述 1.光刻工艺 （1）集成电路制造流程复杂，光刻为其中关键一环 光刻（Lithography）是指在特定波长光线的作用下，将设计在掩膜版上的集成电路图形转移到硅片表面的光刻胶上的技术工艺。为了完成图形转移，需要经历沉积、旋转涂胶、软烘、对准与曝光、后烘、显影、坚膜烘焙、显影检测等8道工序，检测合格后继续进行刻蚀、离子注入、去胶等步骤，并视需要重复制程步骤，建立芯片的“摩天大楼”。 （2）光刻核心地位：1/2的时间+1/3的成本 随着芯片技术的发展，重复步骤数增多，先进芯片需要进行20-30次光刻，光刻工艺的耗时可以占到整个晶圆制造时间的40%-50%，费用约占芯片生产成本的1/3。 2.光刻机 （1）曝光设备应用广泛，光刻机通常指用于芯片前道工艺的光刻设备 泛半导体光刻技术可分为直写光刻和掩模光刻，直写式光刻精度较低，多用于IC后道封装、低世代线 平板显示、PCB等领域；掩模光刻目前的主流形式为投影式，光刻精度高，可用于IC制造的前道工艺、后道先进封装和中高世代线的FPD生产。 （2）光刻机单机价值量高，孕育千亿市场空间 2022年全球晶圆前道设备销售941亿美元，光刻机占17%，是IC制造的第三大设备，但却是单机价值量最大的设备。据ASML财报测算，2022年单台EUV价格约1.8亿欧元，浸没式DUV约6500万欧元。 3.光刻机技术发展历程 光刻机的技术演进主要分为以下几个阶段。 1）UV光刻机：用于0.25微米及以上制程节点，UV为紫外光，光源类型包括g-line、i-line等。 2）干式DUV光刻机：可用于65nm-0.35μm制程节点，干式DUV是指在光刻过程中使用干式透镜和深紫外线光源，该技术在20世纪90年代初得到了广泛应用。 3）浸入式DUV光刻机：可用于7nm-45nm制程节点，随着芯片制造技术对先进制程的需求持续增加，干式DUV光刻机已无法满足其精度要求。浸入式DUV光刻机通过把物镜与晶圆之间的填充由空气改变为水，进而获得更高的数值孔径（NA），使光刻机具有更高的分辨率与成像能力。 4）Low-NAEUV光刻机：用于3nm-7nm制程节点，EUV为极紫外光，该光源的波长较此前光源明显减小，显著提升光刻机的分辨率。 5）High-NAEUV光刻机：用于3nm以下制程节点，High-NA是指高数值孔径（0.33→0.55），是下一代光刻机技术，将在已有EUV基础上进一步提高分辨率与成像能力，从而实现更先进制成的生产。当前该技术由阿斯麦公司研发中，公司预计在2025年实现出货。 二、市场空间及竞争格局 1.高端EUV+ArFi光刻机市场规模较大 从出货结构来看，中低端KrF/i-line光刻机出货最多。2022年，ASML/Nikon/Canon三家头部光刻机公司合计出货209台KrF和+193台i-line光刻机，KrF机台主要来自ASML，i-line主要来自Canon。此外，浸没式光刻机可覆盖最广泛应用的28nm节点，全年出货85台，其中81台来自ASML；EUV全年出货约40台。 从收入结构来看，高端机型贡献主要收入。据ASML的财报计算，EUV与ArFi光刻机的ASP远远高于KrF和i-line光刻机，尽管高端机型出货量少于中低端光刻机，但总收入较高，市场规模较大。在ASML的设备收入中，EUV+ArFi占比超8成。 2.EUV光刻市场高速成长 先进节点主要依赖EUV。7nm逻辑芯片中，ArFi机台的开支与EUV基本持平，但最新的3nm工艺中，EUV约占总光刻支出的70%；DRAM芯片发展到1α节点也开始依赖EUV，预计未来EUV在光刻机总市场规模的占比将进一步提升。 三家主要的EUV客户宣布在全球投资超3000亿美元。IntelIDM2.0计划，对先进制程的投资可观，TSMC、Samsung也规划大手笔扩产。MordorIntelligence预计，2022-2027年EUV光刻市场CAGR达16.7%，2028年有望超过200亿美元。 3.竞争格局：“一超两强”，高端市场ASML一枝独秀 当前全球半导体前道光刻机市场主要由ASML、Nikon、Canon三分天下。光刻机市场历经千帆，从早年美国GCA+PerkinElmer把持，到如今仅剩荷兰ASML+日本Nikon/Canon，美国光刻机企业退出历史舞台。后入局的上海微电子主要在封装环节，前道光刻机小批量出货。当前，光刻机市场份额集中度很高，ASML占据全球8成以上的市场。 浸没式的成功和EUV的飞跃，使ASML几乎垄断高端市场。全球仅ASML能生产高端EUV，浸没式DUV也仅ASML与Nikon出货，2022年ASML出货占95%，在ArF和KrF光刻机的份额也高达88%/72%。仅低端i线光刻机上，Canon出货占比较高。 三、国内光刻机行业现状 1.国内光刻机依赖进口，亟待0→1的突破 中国大陆光刻机市场空间广阔，但主要依赖荷兰、日本等地进口。根据中国海关总署数据，2022年中国大陆IC用光刻机进口金额共39.7亿美元，其中从荷兰、日本的进口金额分别为25.5/13.0亿美元，进口机台数分别为147台、635台，对应进口均价分别为1733、204万美元，高端机台主要从荷兰ASML进口。 中国大陆是ASML第三大客户。2022年ASML对中国大陆总销售额31.4亿美元（含设备、服务等），其中设备收入23.3亿美元，占14%，仅次于中国台湾和韩国。 2.高端光刻机面临断供，自主可控势在必行 制裁情况优于此前预期，行业燃眉之急暂缓。2023年初美日荷三国领导人会晤，计划联合制裁。随后日本管制条例于7月23日正式实施，Nikon的高端DUV受限。3月8日荷兰政府公告拟对华限制出口“最先进”的DUV光刻设备，6月30日正式出台管制措施，并定于9月1日正式落地。此前预期ASMLNXT:2000i及之后的浸没式机台将无法出货。但ASML最新确认，公司可在2023年底前向中国大陆客户出口包括2000i及更先进型号的浸没式DUV。延长了出货时间，且先进机台的套刻精度、产率都有明显提升。 EUV长期被限，2024年高端浸没式也将断供。尽管危机暂缓，但并未完全解除，我国光刻机仍受制于人，仍是“卡脖子”最关键环节，从国家安全考虑，实现高端光刻机的国产替代至关重要。 3.谋国产化宏图，各科研院所齐发力 我国光刻机的研制起步并不晚，早在70年代就研制出接触式曝光系统，由于早期我国半导体产业的整体落后，以及“造不如买”的思潮影响，光刻机产业化落地滞后。2002年ArF光刻机被列入“863计划”、2008年启动“02专项”，光刻机事业才再度觉醒。 集各家所长，各科研院所阶段性成果陆续落地。我国光刻机攻尖采取类ASML的模式，细分各科研院所、高校做分系统，再由SMEE进行整机组装。中科院微电子所、长光所、上光所，清华大学、浙江大学、哈工大等均参与光刻机的研发，目前干法光刻机的分系统基本通过验收，陆续产业化落地，并继续承担“02专项”进行湿法光刻机分系统研发。 4.举国之力，国产光刻机曙光初显 上海微电子完成90nm光刻机出货，并加快浸没式设备研发。SMEE在光刻机领域有多年积累，占据国内后道封装用光刻机80%以上的市场份额。2018年公司承担的02专项“90nm光刻机样机研制”通过验收，对应公司90nmSSA600/20步进扫描投影光刻机实现量产。2017年公司承担的02专项“浸没光刻机关键技术预研项目”也通过验收，目前正在加速推进产业化落地。若浸没式DUV能顺利跑通，通过ArFi+多重曝光或可将国内IC制造的国产化能力推进至先进制程，将是里程碑式的迈进。 国家牵头，科研院所、关键公司参与，供应链自主可控。光刻机作为高壁垒、重资本、高风险的行业，其发展必将借助“举国体制”之力，重点关注上海微电子和几大院所的研究进展，以及其控股/参股的资产，或有光刻机成果注入的预期。 四、光刻机产业链 光刻机所需供应组件众多，供应链管理难度高。光刻机上游涉及的内部零件种类众多，且越高端的光刻机组成越复杂，如EUV内部零件多达8万件以上，其核心组件包括光源系统、双工作台、物镜系统、对准系统、曝光系统、浸没系统、光栅系统等，其中光源、晶圆曝光台、物镜和对准系统的技术门槛较为显著。因此，光刻机企业往往具备高外采率、与供应商共同研发的特点，而其下游应用主要包括芯片制造、功率器件制造、芯片封装等。 1.上游：整机进展可期，上游零部件先行 （1）光刻机上游零部件市场空间大，技术关键性强 一台光刻机由数万个零部件组成，2022年ASML供应商共5000家，合计供应链支出124亿欧元，以欧洲为主导，且依赖部分美国、中国台湾的公司。其中与产品相关的支出86亿欧元，2022年ASML设备收入154亿欧元，以此测算，上游零部件成本占比约56%。2022年国内IC用光刻机进口金额约40亿美元，若供应链实现全国产替代，对应上游零部件市场空间超150亿元。 （2）零部件存在断供隐忧，国产替代有望提速 彭博社此前称，荷兰出口管制规则将限制ASML为受控设备进行维护、修理和提供备件。在此情况下，未来无论是整机自研配套零部件，或是备件更换都会更多依赖国内零部件供应商，应重视光刻机上游零部件的投资机会。 2.下游：半导体行业发展，晶圆厂扩产 （1）半导体行业十年翻倍，先进与成熟共振 短期下行不改长期趋势，产业规模持续增长。据麦肯锡预测，2030年半导体市场规模约1.1万亿美元，相较于2020年实现翻倍增长，2021-2030年期间市场规模的CAGR为7%，各下游终端均有贡献，其中汽车电子、工业电子增速最快。 先进与成熟制程共成长，催生不同类别光刻机需求。一方面，手机和计算机性能跃升，AI对算力需求激增，摩尔定律延续，逻辑芯片向2nm以下工艺演进；另一方面，智能终端里芯片种类丰富，如电源管理等芯片以成熟制程为主，IoT、汽车电子相关芯片也以成熟为主。此外，芯片不同层的精度需求有差异，或采用先进+普通光刻设备搭配使用的方案，各类型光刻机都有增长机会。 （2）晶圆厂积极扩产，头部大厂资本开支仍居高位 ASML预计2020-2030年，全球晶圆产能每年将增长78万片/月，CAGR为6.5%。其中先进、成熟制程每年月产能增长分别为22/38万片，CAGR分别为12.0%/6.0%，存储芯片增速放缓，DRAM和NAND增速分别为4.7%/4.9%。若进一步考虑技术主权和竞争，将再增加15万片/月的产能。 半导体下行期，存储大厂短期削减资本开支，主流代工厂持平略减。TSMC预计今年资本开支320-360亿美元，基本持平或略减10%，Intel计划削减30亿美元，UMC保持30亿美元不变。国内中芯国际资本支出预计与2022年持平，维持63.5亿美元的高位。 五、光刻机相关公司 1.福晶科技：非线性晶体王者，发力超精密光学元件 公司成立于2001年，公司为中科院福建物构所控股，技术实力强劲。公司研发的非线性光学晶体，是光刻机重要的上游原材料。非线性光学晶体能够转换激光的种类，广泛应用于固体激光器的制造。目前公司有多个项目聚焦于晶体质量与性能的提升，未来产品市场有望进一步扩张。公司立足于晶体材料，横拓纵延，成为业内稀缺的“晶体+光学元件+激光器件”一站式综合服务的供应商。其中，非线性光学晶体LBO和BBO市占率近80%，位居全球第一，产品供货TRUMPF，Lumentum、锐科激光等国内外知名激光器企业。 公司成立“至期光子”，有望开辟新增长。至期光子聚焦纳米精度的超精密光学元件制造及复杂光机组件的研发，面向半导体等尖端光学应用领域。 2.奥普光电：长光所领衔，高端光栅编码器龙头 公司实控