半导体行业跟踪报告之二十三：产业政策持续加码，国产光刻机任重道远

2024年11月18日 行业研究 产业政策持续加码，国产光刻机任重道远 ——半导体行业跟踪报告之二十三 要点 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，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。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。根据观知海内信咨询，2020年全球光刻机市场规模为170.9亿美元，预计2024年将达315亿美元。ASML、Nikon和Canon三分天下，ASML垄断高端EUV光刻机市场，Nikon、Canon占据中低端市场。 ASML龙头地位显著。ASML在10纳米节点以下有100%的市占率，是全球唯一能够生产EUV光刻机（极紫外光刻机）的公司，龙头地位显著。ASML2023年营收298亿美元，同比增长34%；GAAP净利润84.8亿美元，同比增长43%。 2023年ASML合计销售光刻机450台，其中EUV销量为53台。EUV作为光刻机中的最先进产品，销售价格持续增长，2023年平均售价为1.91亿美元，同比增长2%。ASML24Q3订单及25年指引低于预期。 美国产业政策不断加码。美国对华芯片产业管制政策不断加码。2024年9月5日，美国商务部工业和安全局（BIS）在《联邦公报》上发布了一项临时最终规则（IFR）。2024年9月6日，荷兰政府发布有关浸润式DUV光刻设备出口的 最新许可证要求，该政策与美国的出口管制要求“对齐”，ASML将需要向荷兰政府而非美国政府申请TWINSCANNXT：1970i和1980i型号浸润式DUV光刻系统的出口许可证。此外美国BIS发布的IFR升级了对量子计算、先进半导体制造、GAAFET等相关技术的出口管制。美国众议院设立的中国问题特别委员会向半导体设备制造商——KLA、LAM、应用材料、TEL以及ASML发出信函，要求他们提供对中国的销售细节。信中明确要求这些公司在2024年12月1日前 提交包括在华前30大客户的收入情况、对国家安全或贸易限制名单上公司的销售记录，以及任何将生产业务转移海外的计划等在内的详细信息。 光刻机国产化任重道远。目前国内的IC前道光刻机市场主要被ASML、Nikon和Canon瓜分。中国大陆光刻机进口金额不断增长，2023年ASML在中国大陆销售额为80.1亿美元，同比增长157.6%，ASML为中国大陆光刻机最大的进口 来源。上海微电子是大陆光刻机头部厂商，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，国产光刻机任重道远。 投资建议： 1）光刻机产业链建议关注：晶方科技、茂莱光学、旭光电子、福光股份、美埃科技； 2）国产精密光学产业链建议关注：福晶科技、百傲化学、永新光学、汇成真空、波长光电、腾景科技等。 风险分析：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。 电子行业 买入（维持） 作者 分析师：刘凯 执业证书编号：S0930517100002 021-52523849 kailiu@ebscn.com 分析师：黄筱茜 执业证书编号：S0930524050001 021-52523813 huangxiaoqian@ebscn.com 行业与沪深300指数对比图 17% 6% -6% -17% -29% 11/2301/2405/2408/24 电子行业沪深300 资料来源：Wind 目录 1、光刻机：半导体制造业皇冠上的明珠5 1.1光刻机：半导体制造业皇冠上的明珠5 1.2全球光刻机市场持续增长，ASML、Nikon、Canon三分天下8 2、ASML垄断高端EUV光刻机市场12 2.1ASML龙头地位显著12 2.2ASML：24Q3订单及25年指引低于预期13 3、美国产业政策不断加码，加速国产替代进程16 3.1芯片管制政策持续加码16 3.2美国产业管制政策再次升级，涉及更多领域17 3.3美国审查多家半导体设备巨头，要求提供中国客户名单18 4、光刻机国产化突破在即18 4.1中国逐步在光刻机产业链中实现部分突破，上海微电子是大陆光刻机头部厂商18 4.2中国光刻机进口金额不断增长，ASML为最大进口来源20 4.3ASML表示仍会在合规合法的情况下为中国客户提供服务和支持21 5、投资建议22 6、光刻机及精密光学产业链相关公司梳理23 6.1晶方科技23 6.2福晶科技23 6.3茂莱光学24 6.4汇成真空24 6.5旭光电子25 6.6福光股份25 6.7美埃科技26 7、风险分析27 图目录 图1：光刻过程5 图2：光刻机组成结构图6 图3：光刻机工作原理6 图4：接触/接近式光刻机7 图5：2020-2024年全球光刻机市场规模8 图6：光刻机产业链梳理9 图7：2023年全球光刻机产品销量结构占比情况9 图8：2022年全球光刻机市场份额占比（按销售额）10 图9：2015-2022年全球CR3光刻机销量（台）及同比（%）10 图10：2019-2022年全球CR3光刻机销售收入（亿元）及同比（%）10 图11：2019-2022年CR3光刻机细分产品出货量（台）11 图12：2022年CR3光刻机细分产品出货量（台）11 图13：ASML2021-2023财年营收及同比增速12 图14：ASML2021-2023财年净利润及同比增速12 图15：ASML2021-2023年毛利率、净利率（单位：%）13 图16：2018-2023年ASML光刻机销售额（亿美元）13 图17：2018-2023年ASML各类光刻机销量（单位：台）13 图18：2018-2023年ASML各类光刻机平均单价（单位：亿美元）13 图19：ASML24Q2和24Q3设备系统净销售情况14 图20：ASML2020-2024Q3终端销售情况（单位：百万欧元）14 图21：ASML24Q2和24Q3设备系统订单15 图22：NXE:3800E光刻机图示15 图23：BIS在《联邦公报》上发布的关于升级量子计算、先进半导体制造、GAAFET等相关技术的出口管制的 IFR17 图24：上海微电子股权结构图19 图25：2015-2023年我国光刻机进口额、ASML中国大陆销售额和进口数量20 图26：2023年1-12月荷兰光刻机进口情况21 图27：ASML第七届进博会展台22 表目录 表1：电子束光刻胶对比8 表2：光刻机三大公司技术情况10 表3：ASML产品举例11 表4：Nikon对标ASML用于芯片制造领域的光刻机12 表5：美国对华科技制裁时间线16 表6：上海微电子光刻机产品举例19 表7：2023年全国各省市荷兰光刻机进口情况20 表8：光刻机及国产精密光学产业链重点公司盈利预测及PE估值22 表9：光刻机及国产精密光学产业链重点公司盈利预测及PS估值22 1、光刻机：半导体制造业皇冠上的明珠 1.1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 资料来源：芯语、传感器专家网 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 资料来源：电子发烧友，光大证券研究所整理资料来源：华卓精科招股说明书，光大证券研究所 光刻技术的发展经历了接触/接近式光刻、光学投影光刻、步进重复光刻、步进扫描光刻、浸没式光刻、EUV光刻以及电子束光刻，主流曝光源的曝光波长由g线（436nm）、i线（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm），一直缩减到极紫外线（EUV）（13.5nm）。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。 1）接触/接近式光刻机 接触式光刻技术是小规模集成电路时代的主要光刻手段，主要用于生产特征尺寸大于5μm的集成电路。在接触/接近式光刻机中，通常晶圆片放置于手动控制水平位置和旋转的工件台上。利用分立视场显微镜同时观察掩模和晶圆片的位置，并通过手动控制工件台的位置来实现掩模版与晶圆片的对准。晶圆片与掩模版对准后，二者将被压紧，使得掩模版与晶圆片表面的光刻胶直接接触。移开显微镜物镜后，将压紧的晶圆片与掩模版移入曝光台进行曝光。汞灯发出的光经透镜准直平行照射掩模版，由于掩模版与晶圆片上的光刻胶层直接接触，所以曝光后掩模图形按照1:1的比例移转印至光刻胶层。 接触光刻技术优点为因直接接触、减少光的衍射、能实现较小特征尺寸的曝光、总体简单经济；缺点为因掩膜版和涂油光刻胶的晶圆紧密接触，容易造成划痕、污染颗粒，同时造成器件致命的缺陷，缩短掩膜版的寿命，降低成品率等。 在大规模的集成电路生产中，为避免因掩模版与晶圆片的直接接触而导致的与接触式光刻不同，接近式光刻中的掩模版与晶圆片上的光刻胶之间充了氮气，掩模版浮在氮气之上，掩模版与晶圆片之间的间隙大小由氮气的气压来决定。由于接近式光刻技术不存在晶圆片与掩模版的直接接触，减少了光刻过程中引入的缺陷，从而降低了掩模版的损耗，提高了晶圆片成品率。接近式光刻技术中，晶圆片与掩模版存在的间隙使得晶圆片处于菲涅耳衍射区域。而衍射的存在限制了接近式光刻设备分辨率的进一步提高，因此该技术主要适用于特征尺寸在3μm以上的集成电路生产。 图4：接触/接近式光刻机 资料来源：汉轩微电子制造（江苏）有限公司官网 2）步进重复/扫描光刻机（步进式也称之为投影式） 接触/接近式光刻机实现了亚微米工艺的实现，那么步进重复光刻机的出现推动亚微米工艺的发展以及进入了量产。步进重复光刻机利用22mm×22mm的典型静态曝光视场和缩小比为5:1或4:1的光学投影物镜，将掩模版上的图形转印到晶圆片上。 步进重复光刻机一般由曝光分系统、工件台分系统、掩模台分系统、调焦/调平分系统、对准分系统