2024光刻机产业竞争格局国产替代空间及产业链相关公司分析报告

2024年深度行业分析研究报告 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 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，完成集成电路工艺图形化转移的第一步。其原理与照相十分类似，但精细度要求较高。相机的原理，是被摄物体被光线照射所反射的光线，透过相机的镜头，将影像投射并聚集在相机的底片（感光元件）上。而光刻机的原理是将高能激光（Laser）穿过掩模版（Reticle），将掩模版上的电路图形透过聚光镜（Projectionlens），将影像缩小十六分之一后成像（影像复制）在预涂光阻层的晶圆（Wafer）上。对比相机和光刻机，被拍摄的物体相当于掩模版，单反镜头等同于聚光镜，底片就是预涂光阻层的晶圆。值得注意的是，光刻过程只是投影，并没有刻的过程，刻的过程是在刻蚀机完成的。 图2：相机原理示意图图3：光刻原理示意图 资料来源：ASML，国信证券经济研究所整理资料来源：ASML，国信证券经济研究所整理 光刻在芯片制造过程中耗时最长、成本占比最高。在芯片制造过程中，一般需要进行20-30次光刻才能完成各层图形的传递，每一次都需要经过一整套复杂的工艺过程,包括沉积、涂胶、曝光、显影、刻蚀、离子注入、光刻胶移除等重要步骤。在芯片制造过程中，光刻是最复杂、昂贵和关键的工艺，光刻的成本约为整个制造工艺成本的1/3，耗费时间约占整个制造工艺时间的40%-60%。 (1)沉积：将硅或是其他材料通过沉积的方式加在晶圆上,作为这一层的基材(基底材料)。并在其上层产生氧化层(二氧化硅)作为绝缘层。 (2)涂胶：将光刻胶均匀旋涂在氧化层(二氧化硅)上。 (3)曝光：使用高能激光透过掩模版，将光罩上的线路图形转移到光刻胶上，光刻胶被激光照射到的部分会产生感光。 (4)显影：加入显影液，将没有被感光的光刻胶溶解去除。此时，氧化层(二氧化硅)上只留下了被感光的光刻胶区域，即掩模版上的线路图图形。 (5)刻蚀：使用化学或物理溅射方式将没有被光阻保护的氧化层(二氧化硅)部分去除。 (6)离子注入：在没有被光刻胶或氧化层保护的部分注入离子,在硅层产生半导体层。 (7)光刻胶移除：离子注入之后，已经不再需要光刻胶作为保护层，这时将多余的光刻胶去除。 与其他技术路线相比，光刻技术更适合大规模量产。由于采用了投影的方式，一片晶圆经过光刻工艺之后，便完成了成千上万个芯片的曝光工作，效率较高，远超电子束刻蚀、纳米压印等其他技术路线。高效率意味着更低的成本，因此光刻技术路线是目前厂商大规模量产的主流选择，其地位不可撼动。以ASMLNXT1980Di的官方数据为例，其产能是每小时275片，前置条件是单片晶圆曝光96 个区域，同时每平方厘米能给30焦耳的能量。目前没有一个其他的技术路线，包括电子束刻蚀和纳米压印能做到这样的量产规模。 图4：半导体芯片制造流程 资料来源：ASML，国信证券经济研究所整理 光刻的工艺水平决定芯片的制程与性能 光刻分辨率（Resolution）表示能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，决定元件的最小特征尺寸与芯片的集成度。对于理想的成像系统，一个点所成的像是一个完美的点，但实际光学系统中使用的透镜具有一定大小的孔径，由于光的衍射现象，系统所成的像不再是理想的几何点像，而是具有一定大小的光斑（艾里斑）。当两个点过于靠近时，其所成的光斑重叠在一起，就可能分辨不出是两个点所成的像，即光学系统中存在着极限分辨率。瑞利准则 （RayleighCriterion）规定，当一个艾里斑的中心与另一个艾里斑的第一级暗环重合时，达到极限点，此时两个光斑刚好可以被分辨，再近就不能分辨了。其中，能够区分两个光斑的最小距离，就是分辨率。分辨率决定了元件的最小特征尺寸，进而决定了芯片的集成密度。我们沿着摩尔定律不断追求晶体管数目翻倍的过程，其实就是在追求越来越高的分辨率。 图5：瑞利准则概述图图6：孔径角示意图 资料来源：百度百科，国信证券经济研究所整理资料来源：Zeiss，国信证券经济研究所整理 光刻分辨率由光源波长、数值孔径、光刻工艺因子决定。根据瑞利准则，分辨率公式为R=k1*λ/NA，其中λ为光刻机使用的光源波长；NA(NumericalAperture）是光学器件的数值孔径，描述了它们能够收集光的角度范围，表示可以收集多少光，公式为NA=n*sinα，n为投影物镜系统像方介质的折射率，α为投影物镜像方半孔径角；k1代表光刻工艺因子，是众多其他影响因子的汇总，如光刻胶的聚合度，分子量，颗粒度，感光剂，以及硅片的平整度，光的入射角度，杂质/灰尘 的影响量等。k1与使用方（芯片制造公司）的工艺密切相关，不同的公司，该参数差异较大，理论上对于单次曝光，k1的最小极限约为0.25。 通过缩短光源波长、增大数值孔径、减小光刻工艺因子可以提高光刻分辨率。 (1)缩短光源波长：早期的光刻机为了提高分辨率，把资源都集中在如何缩短光源波长λ方面，于是光刻机的波长一路降低，从早期的高压汞灯g线的436nm，i线的365nm，到准分子激光器DUVKrF的248nm，ArF的193nm，再到193nm浸没式等效出134