光刻机行业深度报告：自主可控攻坚正当时，产业链迎突破黄金期_45页_4mb

光刻机行业深度报告总结

核心内容

光刻机是半导体制造的核心设备，技术壁垒高、市场空间巨大且高度垄断。2023年全球WFE市场约957亿美元，其中光刻机占比约26%，价值约250亿美元。荷兰ASML占据主导地位，尤其在高端EUV和ArFi领域，是全球主要供应商。日本Nikon和Canon在中低端市场有所涉足。

主要观点

• 光刻机是半导体制造中不可或缺的关键设备，决定了芯片图形的成像效果和性能。
• 光刻机的核心指标包括分辨率、套刻精度和产出，其中分辨率是提升制程节点的关键，套刻精度影响良率，产出决定量产效率和成本。
• 分辨率提升依赖于光源波长缩短、数值孔径（NA）提升、k1因子降低及多重曝光技术。
• 光刻机的供应链集中且稳定，ASML作为核心厂商，其核心子系统如光源、曝光光学系统、双工件台等对整机性能影响深远。
• 国产替代空间巨大，随着国内半导体产业的发展及技术突破，光刻机产业链上的部分关键环节已具备自主可控的潜力。

关键信息

光刻机技术演进

• 分辨率：由瑞利判据决定，公式为 $CD = k1 * \lambda / NA$，是光刻机迭代的核心方向。
• 光源波长：经历了从g-line、i-line、KrF、ArF到EUV的演进，其中EUV波长为13.5nm。
• 数值孔径（NA）：提升NA可通过增大物镜直径或提高折射率，浸没式ArFi光刻机通过使用水作为介质，将NA提升至1.35。
• k1因子：降低k1因子依赖于照明技术的改进，如离轴照明、像素化照明及计算光刻技术，理论极限为0.25。
• 多重曝光技术：如LELE和SADP，用于在单次曝光极限下实现更精细的分辨率，是当前光刻工艺的重要手段。

光刻机核心子系统

• 光源系统：决定光刻机的波长，ASML子公司Cymer垄断EUV光源，其光源系统成本占整机约13.3%。
• 曝光光学系统：包括照明系统和投影物镜系统，其中照明系统负责调整光照条件，投影物镜负责聚焦光，对NA和像差影响极大。德国Zeiss是核心供应商，其光学元件成本占ASML系统销售成本约28.66%。
• 双工件台系统：ASML的Twinscan系统显著提升套刻精度和产出，提高晶圆处理效率。
• 对准系统：用于确保晶圆与掩膜的精确对准，对套刻精度至关重要。
• 环境控制系统：包括温度、湿度、振动等，对光刻机性能影响显著。
• 软件系统：支持光刻机的控制和优化，是实现高精度制造的重要组成部分。

产业链与国产替代

• ASML的供应链结构：其供应商遍布全球，但采购高度集中于关键供应商，如Cymer和Zeiss，2024年ASML系统销售成本为104亿欧元，占销售额约47.8%。
• 国内光刻机市场：中国大陆是光刻机主要市场之一，2024年ASML收入中有41%来自中国大陆，显示市场潜力。
• 国产化攻坚：在国际局势不确定、国内需求增长和产业链技术突破背景下，国内光刻机产业链迎来国产替代黄金期，建议关注茂莱光学、福晶科技、福光股份、菲利华等公司。

风险提示

• 国际局势影响需求复苏：如中美摩擦可能带来全球产业链重构。
• 关键技术突破不及预期：可能影响光刻机性能提升和市场拓展。
• 供应链稳定性：若关键供应商出现问题，可能影响光刻机的生产和交付。

投资建议

• 关注光刻机核心子系统及零部件厂商，如光源、光学系统、工件台等。
• 重点推荐：茂莱光学、福晶科技、福光股份、菲利华等企业在光刻机产业链中的潜力。
• 长期看好：随着国产替代进程加快，光刻机行业将迎来发展机遇。

图表目录

• 图表1：光刻流程
• 图表2：2023年WFE市场结构
• 图表3：光刻机种类
• 图表4：2024年全球主要厂商的半导体光刻机销量
• 图表5：ASML机台系统销售额结构
• 图表6：ASML机台系统销量结构
• 图表7：ASML不同种类光刻机季度均价
• 图表8：ASML光刻机分辨率不断提高
• 图表9：光刻机光源波长演进
• 图表10：主流光刻机光源种类及原理
• 图表11：同一波长大类光刻机NA不断提高
• 图表12：孔径角
• 图表13：浸没式光刻
• 图表14：k1因子发展历程
• 图表15：在轴照明和离轴照明
• 图表16：常规照明和双极照明
• 图表17：四级照明和环形照明
• 图表18：自由形式的光照
• 图表19：一些典型的分辨率增强技术
• 图表20：现代芯片制造过程中的计算光刻工具
• 图表21：基于模型的光学邻近效应修正
• 图表22：反向光刻技术掩膜优化使用实例
• 图表23：多重曝光可实现更精细分辨率
• 图表24：LELE工艺流程图
• 图表25：LELE的图形拆分
• 图表26：SADP流程图
• 图表27：SADP工艺产生的图形需要去除无用部分
• 图表28：ASML的ArFi光刻机型号迭代过程中overlay不断缩小
• 图表29：对准误差的来源
• 图表30：ASML的NXT:2100i较NXT:2050i改进overlay的措施
• 图表31：ASML的ArFi光刻机产出不断提高
• 图表32：ASML的EUV光刻机产出不断提高
• 图表33：ASML的LowNA EUV光刻机提升产出的方法
• 图表34：ASML的ArFi光刻机的迭代方向
• 图表35：ASML的光刻价值公式
• 图表36：ASML系统销售额及结构
• 图表37：ASML系统销售成本
• 图表38：2024年ASML的供应链结构
• 图表39：2018-2024年ASML季度收入地区结构
• 图表40：ASML光刻机的内部核心子系统
• 图表41：光刻机光源的作用
• 图表42：准分子激光器内部结构
• 图表43：准分子激光器重要指标及国际光源厂商主流ArFi产品指标
• 图表44：LPP方案EUV光源结构示意图
• 图表45：其他EUV光源方案
• 图表46：Cymer历史光源收入及单价
• 图表47：ASML历史光刻机单价
• 图表48：光刻机中照明系统的位置和作用
• 图表49：蔡司照明模组
• 图表50：带有6种照明条件的旋转式照明光阑装置
• 图表51：ASML可变锥镜组装置原理图
• 图表52：ASML的Flexray照明系统
• 图表53：一种去相干装置
• 图表54：采用微透镜阵列的匀化装置
• 图表55：采用积分棒的匀化装置
• 图表56：光刻机照明系统
• 图表57：Zeiss投影物镜产品
• 图表58：光刻机像差要求极小
• 图表59：光刻机投影光路示意图
• 图表60：投影物镜中的镜片组
• 图表61：带有2片反射镜的ArFi折反投影物镜
• 图表62：EUV反射式光路设计
• 图表63：DUV镜片平整度要求极高
• 图表64：镜片组中的可变镜片
• 图表65：Zeiss的DUV技术亮点
• 图表66：Zeiss的EUV技术亮点
• 图表67：ASML自Zeiss采购情况
• 图表68：光刻机结构示意图
• 图表69：光刻机曝光工作流程
• 图表70：双工件台光刻机工作流程
• 图表71：光刻机工件台中的量测过程
• 图表72：双工件台中的平衡块
• 图表73：干涉仪位置测量装置
• 图表74：光栅尺位置测量装置
• 图表75：光刻机中的传送模组
• 图表76：晶圆传输机械手
• 图表77：掩膜预对准系统的工作原理
• 图表78：晶圆预对准的装置及原理
• 图表79：ASML的TIS对准系统
• 图表80：掩膜台与晶圆台的对准示意图
• 图表81：掩膜和晶圆的对准方式
• 图表82：光刻机对准系统示意图
• 图表83：表面水平传感系统
• 图表84：温度控制系统结构示意图
• 图表85：光刻机外壳
• 图表86：光刻机主动隔振系统总体架构
• 图表87：ASML的软件支持
• 图表88：浸没头构造仰视图
• 图表89：浸没头构造断面图
• 图表90：EUV光刻机原理简图
• 图表91：不同NA的EUV物镜
• 图表92：0.55NA EUV光学：直径1米、精确度20皮米
• 图表93：上海微电子发展历程
• 图表94：上海微电子光刻设备产品
• 图表95：科益虹源股权结构
• 图表96：国科精密股权结构
• 图表97：NA0.75曝光光学系统
• 图表98：华卓精科产品历程
• 图表99：华卓精科DWS系列双工件台
• 图表100：茂莱光学发展历程
• 图表101：茂莱光学部分透镜产品
• 图表102：茂莱光学2024年收入结构
• 图表103：福晶科技主要产品
• 图表104：至期光子股权结构
• 图表105：福光股份发展历程
• 图表106：福光股份产品
• 图表107：菲利华业务
• 图表108：菲利华低膨胀石英产品
• 图表109：重点关注公司