光刻机产业深度系列专题报告（一）：“进制程关键步骤，半导体设备明珠，光刻机市场迎国产化机遇

证券研究报告|2024年12月05日 核心观点行业研究·行业专题 光刻是先进制程的关键步骤，半导体产业的基石。光刻是一种图像复制技术，在芯片制造过程中耗时最长，成本占比最高。作为先进制程的关键步骤，光刻分辨率决定了元件的最小特征尺寸与芯片的集成度。根据瑞利准则，可以通过缩短光源波长、增大数值孔径、减小光刻工艺因子提高光刻分辨率，进而提升芯片的性能。光刻技术作为半导体产业的基石，一般用工艺节点反应半导体行业发展水平，28nm是工艺节点的重要分水岭，在性价比方面与下一代工艺有着较大差异。 光刻机为半导体设备皇冠上的明珠，光学系统是其最重要的子系统之一。光刻机作为所有半导体制造设备中难度最高、最难突破的一环，占晶圆生产设备总市场的24%。从UV到EUV，光刻机经历了五代发展和进化，每次光源的改进都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。根据前瞻研究院数据，光刻机由光源、曝光和双工作台三大核心系统组成，一台EUV光刻机内含有超10万个精密零部件，全球供应商超过5000家。其中光学系统最重要的子系统之一，约占整体光刻机成本的30%。 全球光刻机千亿人民币市场规模且保持高速增长。市场规模方面，2011年光刻机市场规模257亿美元。根据MarketIntelligence，预计2022-2028年全球光刻机市场规模CAGR有望达到6%。出货量方面，ASML、Nikon、Canon三大光刻机供应商占据了99%以上市场份额，出货量稳步提升，2019-2023年CAGR达16.75%。按供应商分类，ASML出货量增长最为明显，近五年光刻机出货量CAGR达18.33%。平均售价方面，EUV光刻机单价增长明显，ASP由2018年的1.0亿欧元提升至2023年的1.7亿欧元，其余价格较为稳定。 ASML、Nikon、Canon三大光刻机供应商占据主要市场，ASML为行业龙头。光刻机行业属于寡头垄断格局，市场份额集中，ASML出货量市占率63%，营收市占率81%。在高端光刻机（EUV、ArFi、ArF）市场，ASML的出货量占据优势，市占率分别为100%/95%/87%。2006-2023年，ASML总计投入研发费用 245.48亿欧元，平均研发费用率达到15.5%。持续高强度的研发投入使ASML在高端光刻机领域构建起绝对领先的技术壁垒，市占率有望继续巩固。Nikon和Canon则凭借价格优势占据中低端光刻机（KrF、i-line）市场。 国产光刻机空间广阔、任重道远。陆资晶圆代工厂产能持续扩张带动光刻机需求提升，美日荷对华先进制程封锁，光刻机国产化势在必行。上海微电子作为目前国内唯一前道光刻机整机制造商，其自主研发的600系列前道光刻机可批量生产90nm工艺的芯片，500系列后道制造光刻机占据80%以上国内市场。国产供应链方面，科益虹源作为我国唯一、全球第三家从事光刻准分子激光技术全链条研发的公司，193nmArF准分子激光器完成出货。国望光学研发面向28nm节点的ArFi光刻曝光光学系统，国科精密团队成功研制国内首套NA0.75ArF曝光光学系统。华卓精科与清华大学团队持续攻坚浸没式光刻机用双工件台DWSi。 产业链相关公司：茂莱光学、福晶科技、福光股份、腾景科技、波长光电、永新光学、蓝特光学、炬光科技、赛微电子等。 风险提示：国外顶尖制程工艺再度突破；国产光刻机研发及落地不及预期；下游需求疲软，晶圆代工厂扩产不及预期；光刻机出口管制进一步加剧。 电子·半导体优于大市·维持 证券分析师：胡剑证券分析师：胡慧 021-60893306021-60871321 hujian1@guosen.com.cnhuhui2@guosen.com.cnS0980521080001S0980521080002 证券分析师：叶子证券分析师：张大为0755-81982153021-61761072 yezi3@guosen.com.cnzhangdawei1@guosen.com.cn S0980522100003S0980524100002 证券分析师：詹浏洋010-88005307 zhanliuyang@guosen.com.cn S0980524060001 市场走势 资料来源：Wind、国信证券经济研究所整理 相关研究报告 《半导体三季报业绩综述：收入和归母净利润均同比增长，毛利率同环比提高》——2024-11-10 《半导体11月投资策略：全球半导体销售额创季度新高，继续 推荐细分龙头》——2024-11-07 《半导体10月投资策略：8月全球半导体销售额创历史新高，推荐细分龙头》——2024-10-06 《CIS行业专题：影像技术路线分化，国产龙头加速赶超》——2024-09-24 《半导体行业专题：先进封装超越摩尔定律，晶圆厂和封测厂齐发力》——2024-09-19 光刻机产业深度系列专题报告（一） 先进制程关键步骤，半导体设备明珠，光刻机市场迎国产化机遇 优于大市 请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容 内容目录 光刻：先进制程关键步骤，半导体产业基石6 光刻技术简介6 光刻的工艺水平决定芯片的制程与性能8 制程技术决定半导体行业的发展水平10 多重曝光工艺可跨越光刻机极限分辨率，实现更小线宽12 光刻机详解：半导体制造业皇冠上的明珠，光学系统为重中之重14 发展历程与趋势：从UV到EUV，正在向High-NAEUV发展14 产业链涉及范围广，所需供应组件众多，供应链管理难度高15 整体结构：多种先进系统的精准组合16 光源系统：稳定产生特定波长的光线17 照明系统：优化成像过程18 投影物镜系统：实现光线的聚焦19 工作台系统：承载晶圆、精确对准21 千亿市场高速增长，一超两强三分天下22 市场规模：千亿市场高速增长22 竞争格局：三大供应商占据主要市场，ASML为绝对龙头24 国产光刻机空间广阔、任重道远27 中国除港澳台地区光刻机进口规模大，替代空间广27 陆资晶圆代工厂需求持续增高28 美日荷对华先进制程封锁，光刻机国产化势在必行30 举全国之力，国产光刻机产业链实现部分突破30 产业链相关公司概览34 茂莱光学（688502.SH）：精密光学方案商赋能国产I线曝光物镜34 福晶科技（002222.SZ）：立足晶体元件，布局超精密光学业务34 福光股份（688010.SH）：特种及民品光学镜头领先者35 腾景科技（688159.SH）：深入研发光刻机合分束器项目35 波长光电（301421.SZ）：大孔径光学镜头进入半导体产业链36 永新光学（603297.SH）：光学精密仪器及元组件供应商，产品可用于半导体领域37 蓝特光学（688127.SH）：领先的光学产品制造企业，纳米级光刻机镜头系统在研37 炬光科技（688167.SH）：供应光刻机用光场匀化器，拟向光刻制程设备微透镜阵列拓展38 赛微电子（300456.SZ）：全球MEMS代工龙头，高端光刻机微镜主要供应商39 风险提示41 图表目录 图1：摩尔定律6 图2：相机原理示意图7 图3：光刻原理示意图7 图4：半导体芯片制造流程8 图5：瑞利准则概述图8 图6：孔径角示意图8 图7：光刻机光源波长λ变化趋势9 图8：光刻机数值孔径NA变化趋势9 图9：晶体管的栅极长度示意图11 图10：ASML对客户节点演进的预测11 图11：LELE工艺示意图12 图12：SADP工艺示意图12 图13：使用浸没式DUV和EUV实现更小特征尺寸时的方案13 图14：使用浸没式DUV进行多重曝光的工艺复杂度13 图15：采用浸没式DUV与EUV的工艺步数对比13 图16：ASML光刻机简易工作原理图14 图17：光刻机产业链15 图18：光刻机的结构构成（以浸没式DUV设备TWINSCANNET：2100i为例）16 图19：光刻机的结构构成（以ASMLEUV设备为例）16 图20：Cymer单腔DUV准分子激光器的工作原理17 图21：新型准分子激光器各个模块的技术进步17 图22：EUV光源系统结构图18 图23：EUV光源双脉冲方案18 图24：照明系统结构18 图25：衍射光无法成像示意图19 图26：环形光成像示意图19 图27：物镜系统通过各种透镜组合修正成像质量19 图28：DUV光刻机的物镜系统20 图29：EUV光刻机的物镜系统20 图30：投影物镜与高端单反镜头像素差21 图31：ZESSI物镜参数21 图32：双工件台工作原理示意（以ASMLDUV光刻机为例）21 图33：全球光刻机市场规模（百万美元）22 图34：全球半导体设备细分市场结构22 图35：光刻机占半导体市场规模比例23 图36：2019-2022年全球光刻机出货量（台，按供应商分）23 图37：2019-2022年全球光刻机营收（亿元）及同比（%）23 图38：2019-2023年全球光刻机出货量（台，按设备类型分）24 图39：不同类型光刻机平均售价（亿欧元/台）24 图40：2023年光刻机市占率（按出货量）25 图41：2023年光刻机市占率（按营收）25 图42：2023年不同类型光刻机市占率（按出货量）25 图43：ASML研发费用（亿欧元）及研发费用率（%）26 图44：2016-2023年ASML分地区营收情况（亿欧元）28 图45：2023年全球300mm（12英寸）晶圆产能市占率28 图46：陆资200mm（8英寸）晶圆产能（万片/月）及市占率28 图47：上海微电子自主研发的600系列前道制造光刻机32 图48：上海微电子自主研发的500系列后道先进封装光刻机33 图49：茂莱光学营业收入及同比增速34 图50：茂莱光学归母净利润及同比增速34 图51：福晶科技营业收入及同比增速35 图52：福晶科技归母净利润及同比增速35 图53：福光股份营业收入及同比增速35 图54：福光股份归母净利润及同比增速35 图55：腾景科技营业收入及同比增速36 图56：腾景科技归母净利润及同比增速36 图57：波长光电营业收入及同比增速36 图58：波长光电归母净利润及同比增速36 图59：永新光学营业收入及同比增速37 图60：永新光学净利润及同比增速37 图61：蓝特光学营业收入及同比增速38 图62：蓝特光学净利润及同比增速38 图63：炬光科技营业收入及同比增速39 图64：炬光科技净利润39 图65：赛微电子营业收入及同比增速40 图66：赛微电子净利润及同比增速40 表1：各个工艺节点和工艺及光刻机光源类型的关系11 表2：光刻机发展历程15 表3：2023年前三大供应商（ASML、Nikon、Canon）的集成电路用光刻机出货量（单位：台）24 表4：部分在售光刻机相关参数26 表5：陆资晶圆厂300mm（12英寸）扩产规划29 表6：陆资晶圆厂200mm（8英寸）扩产规划29 表7：“02专项”目标30 表8：国内光刻机重点项目主要产业化落地公司及进展31 表9：上海微电子历史沿革31 表10：蓝特光学部分在研项目情况38 表11：赛微电子与AS公司历史建立订单情况40 光刻：先进制程关键步骤，半导体产业基石 光刻技术简介 摩尔定律（Moore'sLaw）：1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔（GordonMoore）提出著名的摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的电子元件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。半导体行业大致按照摩尔定律发展了半个多世纪，对二十世纪后半叶的世界经济增长做出了贡献，并驱动了一系列科技创新、社会改革、生产效率的提高和经济增长。个人电脑、因特网、智能手机等技术改善和创新都离不开摩尔定律的延续。不断迭代创新的光刻技术使摩尔定律持续实现。 图1：摩尔定律 资料来源：Wiki，国信证券经济研究所整理 光刻(Lithography)是一种图像复制技术，是集成电路工艺中至关重要的一项工艺。简单地说，光刻是将掩模版上具有各种电子特性的区域图（即电路图形），按比例精确微缩并曝光成像在晶圆上