108頁報(bào)告深度解析半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈之光刻機(jī)行業(yè) | 附完整報(bào)告下載
報(bào)告出品方/作者：方正證券，陳杭
重中之重，前道設(shè)備居首位。
光刻機(jī)作為前道工藝七大設(shè)備之首(光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、 鍍膜設(shè)備、量測設(shè)備、清洗機(jī)、離子注入機(jī)、其他設(shè)備)，價(jià)值含量極大，在制造設(shè) 備投資額中單項(xiàng)占比高達(dá)23%，技術(shù)要求極高，涉及精密光學(xué)、精密運(yùn)動、高精度環(huán) 境控制等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。光刻機(jī)是人類文明的智慧結(jié)晶，被譽(yù)為半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的 明珠。
沖云破霧，國產(chǎn)替代迎曙光。
目前全球前道光刻機(jī)被ASML、尼康、佳能完全壟斷 ,CR3高達(dá)99%。在當(dāng)前局勢下，實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)的國產(chǎn)替代勢在必行，具有重大戰(zhàn)略意義 。在02專項(xiàng)光刻機(jī)項(xiàng)目中，設(shè)定于2020年12月驗(yàn)收193納米ArF浸沒式DUV光刻機(jī)， 其制程工藝為28納米。考慮到此項(xiàng)目作為十三五目標(biāo)，未來具有較大的明確性，結(jié)合 28nm作為當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)的性能和技術(shù)優(yōu)勢，我們認(rèn)為光刻機(jī)國產(chǎn)替代將迎來新 的曙光，尤其是IC前道制造領(lǐng)域，將初步打破國外巨頭完全壟斷的局面，實(shí)現(xiàn)從0到1 的突破。
按圖索驥，追根溯源尋標(biāo)的。
通過對即將交付的28nm光刻機(jī)進(jìn)行剖析，建議關(guān)注以 舉國之力助力國產(chǎn)替代的光刻產(chǎn)業(yè)鏈，一是光刻機(jī)核心組件:負(fù)責(zé)整體集成的上海微 電子、負(fù)責(zé)光源系統(tǒng)的科益虹源，負(fù)責(zé)物鏡系統(tǒng)的國望光學(xué)，負(fù)責(zé)曝光光學(xué)系統(tǒng)的國 科精密，負(fù)責(zé)雙工作臺的華卓精科，負(fù)責(zé)浸沒系統(tǒng)的啟爾機(jī)電;二是光刻配套設(shè)施: 包括光刻膠，光刻氣體，光掩模版，光刻機(jī)缺陷檢測設(shè)備，涂膠顯影設(shè)備等。
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光刻機(jī)投資邏輯框架
1.1國產(chǎn)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈：按圖索驥
在02專項(xiàng)光刻機(jī)項(xiàng)目二期中，設(shè)定的時(shí)間為2020年12月驗(yàn)收193nmArF浸沒式DUV光刻機(jī)， 對標(biāo)產(chǎn)品為ASML現(xiàn)階段最強(qiáng)DUV光刻機(jī)：TWINSCAN NXT:2000i。以NXT:2000i為例，各 子系統(tǒng)拆分如下：上海微電子負(fù)責(zé)光刻機(jī)設(shè)計(jì)和總體集成，北京科益虹源提供光源系統(tǒng)，北京 國望光學(xué)提供物鏡系統(tǒng)，國科精密提供曝光光學(xué)系統(tǒng)，華卓精科提供雙工作臺，浙江啟爾機(jī)電 提供浸沒系統(tǒng)。
1.2 ASML光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈：集成全球工藝
ASML最先進(jìn)的浸沒式光刻系統(tǒng)：DUV——全球工藝集大成者
TWINSCAN NXT:2000i DUV（雙工作臺深紫外光刻機(jī)）是ASML最先進(jìn)的浸沒式光刻系統(tǒng) ，是極紫外光刻機(jī)EUV前的重要過渡產(chǎn)品，也是后期7nm/5nm產(chǎn)能的重要補(bǔ)充。
從上下游利益鏈條看ASML是如何成功的
ASML的成功=上游供應(yīng)商的頂尖技術(shù)+下游廠商的巨額投資+開放性研究網(wǎng)絡(luò)。
高端光刻機(jī)集合了全球各國最頂尖的科技，如：德國的蔡司鏡頭技術(shù)、美國的控制軟件和光源 、日本的特殊復(fù)合材料等，下游廠商為了獲得優(yōu)先供貨權(quán)紛紛投入巨額資金支持ASML研發(fā)。
1.3 光刻機(jī)公司地圖概覽：前道光刻，一家獨(dú)大
1.4 從0到1，國產(chǎn)光刻機(jī)如何破局
中國晶圓代工需求占全球代工總需求比重日益提升。根據(jù)IBS顯示，2018年中國IC設(shè)計(jì)公司對晶 圓制造需求約805億元，占全球晶圓代工規(guī)模4,088億元的19.7%，到2025年時(shí)需求上升漲至 30.5%。在這樣的格局下，中國對于半導(dǎo)體制造設(shè)備的需求以及資本投入將會日益提高。
隨著中國大陸代工廠的不斷擴(kuò)建，未來對于國產(chǎn)光刻機(jī)的需求不斷提升，而當(dāng)前國內(nèi)與國外頂 尖光刻機(jī)制程仍存在較大差距，國產(chǎn)光刻機(jī)應(yīng)從如下幾個方面尋求突破：1、產(chǎn)業(yè)分工：國內(nèi)涉 及相關(guān)光刻機(jī)零部件的企業(yè)形成產(chǎn)業(yè)分工，各取所長研發(fā)、提供相應(yīng)的技術(shù)和零部件；2、科研 投入：目前國內(nèi)企業(yè)仍存有買辦思維，光刻機(jī)作為人類智慧的結(jié)晶，高科技產(chǎn)物，科研投入必 不可少；3、技術(shù)突破：匯集頂尖人才對于核心技術(shù)優(yōu)先突破；4、人才積累：注重獎勵機(jī)制。
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光刻機(jī)詳解：現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花
光刻機(jī)：半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠。光刻工藝定義了半導(dǎo)體器件的尺寸，是芯片生產(chǎn) 流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的步驟。光刻機(jī)是光刻工藝的核心設(shè)備，也是所有半導(dǎo)體制造 設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備，集合了數(shù)學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、高分子物理與化學(xué)、表 面物理與化學(xué)、精密儀器、機(jī)械、自動化、軟件、圖像識別領(lǐng)域等多項(xiàng)頂尖技術(shù)。光 刻的工藝水平直接決定芯片的制程和性能水平。
光刻機(jī)的演變及歷史性轉(zhuǎn)折。根據(jù)所用光源改進(jìn)和工藝創(chuàng)新，光刻機(jī)經(jīng)歷了5代產(chǎn)品 發(fā)展，每次光源的改進(jìn)都顯著提升了光刻機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的最小工藝節(jié)點(diǎn)。在技術(shù)節(jié)點(diǎn)的 更新上，光刻機(jī)經(jīng)歷了兩次重大變革，在歷次變革中，ASML都能搶占先機(jī)，最終奠 定龍頭地位。
頂級光刻機(jī)的尖端工藝。目前業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的是采用波長13.5nm極紫外光的第五代 EUV光刻機(jī)，可實(shí)現(xiàn)7nm工藝制程，技術(shù)要求極高，單臺價(jià)值為1.2億歐元，ASML成 為全球唯一一家能夠設(shè)計(jì)和制造EUV光刻機(jī)設(shè)備的廠商。
光刻：IC制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)鏈分為IC設(shè)計(jì)、IC制造、IC封測三大環(huán)節(jié)。光刻的主要作用是將掩模版 上的芯片電路圖轉(zhuǎn)移到硅片上，是IC制造的核心環(huán)節(jié)，也是整個IC制造中最復(fù)雜、最關(guān) 鍵的工藝步驟。
通過激光或電子束直接寫在光掩模板上，然后用激光輻照光掩模板，晶圓上的光敏物質(zhì) 因感光而發(fā)生材料性質(zhì)的改變，通過顯影，便完成了芯片從設(shè)計(jì)版圖到硅片的轉(zhuǎn)移。
光刻：IC制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
光刻工藝定義了半導(dǎo)體器件的尺寸，是IC制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
作為芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的步驟，光刻工藝難度最大、耗時(shí)最長， 芯片在生產(chǎn)過程中一般需要進(jìn)行20~30次光刻，耗費(fèi)時(shí)間約占整個硅片工藝 的40～60%，成本極高，約為整個硅片制造工藝的1/3。
一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝 光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。
雙重圖案技術(shù)：用于增加一倍圖案密度
最簡單的多重圖案工藝是雙重圖案，它將特征密度提高了兩倍。 最廣泛采用的雙圖案化方案之一是雙曝光/雙蝕刻（LELE）。
該技術(shù)將給定的圖案分成兩個密度較小的部分。通過在光刻工藝中曝光光刻膠 ，然后蝕刻硬掩模，將第一層圖案轉(zhuǎn)移到下面的硬掩模上。然后將第二層圖案 與第一層圖案對準(zhǔn)并通過第二次光刻曝光和刻蝕轉(zhuǎn)移到硬掩模上。最終在襯底 上進(jìn)行刻蝕，得到的圖案密度是原始圖案的兩倍。
自對準(zhǔn)的雙重圖案技術(shù)
自對準(zhǔn)雙重圖案（SADP）技術(shù)是通過沉積和刻蝕工藝在心軸側(cè)壁上形成的間隔物 ，然后通過一個額外的刻蝕步驟移除心軸，使用間隔物來定義所需的最終結(jié)構(gòu)。因此特征密度增加了一倍。SADP技術(shù)主要用于FinFET技術(shù)中的鰭片形成、線的互連 以及存儲設(shè)備中的位線/字線的形成，其關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)在于避免了在LELE期間時(shí)可能 發(fā)生的掩模不對齊。
193nm浸沒式光刻的SADP可以實(shí)現(xiàn)20nm的半間距分辨率。
多重圖案技術(shù)的應(yīng)用
在EUV技術(shù)出現(xiàn)之前，技術(shù)人員利用193nm的光刻機(jī)，通過把鏡頭放在水里、相移掩模、 多重曝光的方法，一步步推進(jìn)芯片技術(shù)節(jié)點(diǎn)，將摩爾定律一直延續(xù)到現(xiàn)在。
將SADP加倍可以得到四重圖案化工藝SAQP，使得193nm浸沒式光刻可以實(shí)現(xiàn)到10nm的 分辨率。理論上是可以實(shí)現(xiàn)7nm節(jié)點(diǎn)工藝制程，但是需要的光罩?jǐn)?shù)量非常多，工藝復(fù)雜， 量產(chǎn)難度大。
2.1光刻機(jī)：半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠
光刻機(jī)是光刻工藝的核心設(shè)備，也是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備， 包含上萬個零部件，集合了數(shù)學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、高分子物理與化學(xué)、表面物理 與化學(xué)、精密儀器、機(jī)械、自動化、軟件、圖像識別領(lǐng)域等多項(xiàng)頂尖技術(shù)。
作為整個芯片工業(yè)制造中必不可少的精密設(shè)備——光刻機(jī)，其光刻的工藝水平直接 決定芯片的制程和性能水平，因此光刻機(jī)更是被譽(yù)為半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠。
光刻機(jī)工作原理圖
光刻機(jī)總體構(gòu)造解析
光刻機(jī)的發(fā)展歷程
ASML成立于1984年，當(dāng)時(shí)正是日本半導(dǎo)體如日中天的時(shí)代。日本半導(dǎo)體的成功背后，是尼康 和佳能兩大光學(xué)巨頭的光刻設(shè)備，以及東京電子、日立、迪恩士等一系列配套廠商的支持。
1994年ASML的市場份額只有18%，但設(shè)計(jì)超前的8英寸PAS5500以及1995年IPO給ASML帶來 了機(jī)遇。臺積電、三星和現(xiàn)代（后來的Hynix）率先決定幾乎全部改用ASML的機(jī)器，而1995年 東芝、西門子和IBM聯(lián)盟考慮到和佳能的合作，開始沒有選擇ASML。
最后的結(jié)局是：堅(jiān)持尼康佳能的日系半導(dǎo)體廠商真正開始了長達(dá)數(shù)十年的衰敗，而押寶ASML的 三大東亞廠商迅速崛起直到今天稱霸。
2.2 光刻機(jī)的演變及歷史性轉(zhuǎn)折
光刻機(jī)發(fā)展的歷史性轉(zhuǎn)折點(diǎn)——浸沒式光刻機(jī)技術(shù)
傳統(tǒng)的光刻技術(shù)中，鏡頭與光刻膠之間的介質(zhì)是空氣，而浸沒式技術(shù)是將空氣介質(zhì)換成 液體，利用光通過液體介質(zhì)后光源波長縮短來提高分辨率。
20世紀(jì)90年代干式微影技術(shù)發(fā)展遇到瓶頸：光刻光源的波長無法從193nm縮短到 157nm。林本堅(jiān)（TSMC研發(fā)副總經(jīng)理）提出將透鏡和硅片間的介質(zhì)換成水，當(dāng)時(shí)兩大 巨頭尼康、佳能選擇開發(fā)波長更低的光源，獨(dú)獨(dú)ASML決定和臺積電合作研究“浸沒式 ”解決方案。
隨著二者的合作開發(fā)，2003年成功推出第一臺浸沒式光刻機(jī)，成為市場上最先進(jìn)的產(chǎn)品 ，收獲大量客戶，市場份額快速提高，宣告著浸沒式技術(shù)將成為光刻界追逐的焦點(diǎn)。
光刻機(jī)價(jià)格變化
由于光刻機(jī)涉及系統(tǒng)集成、精密光學(xué)、精密運(yùn)動、精密物料傳輸、高精度微環(huán)境控制等多 項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備，因此也具備極高的價(jià)值，且 價(jià)格增長極快。
2018年，中芯國際向芯片機(jī)器制造商ASML發(fā)出了第一張訂單，訂購了一臺最新的EUV（ 極紫外線）技術(shù)光刻機(jī)，機(jī)器價(jià)格為1.2億歐元，于2019年交貨。但目前由于種種阻礙， ASML遲遲未向中芯國際交貨。
光刻機(jī)發(fā)展的歷史性轉(zhuǎn)折點(diǎn)——極紫外光刻技術(shù)
1997年ASML加入EUV LLC后，享受到的研究成果大大加快了其EUV的研發(fā)進(jìn)度，2005年 摩爾定律陷入停滯，極紫外光刻技術(shù)被認(rèn)為是制程突破10nm的關(guān)鍵，但由于技術(shù)難度極高 ，需要巨額的研發(fā)資金，尼康和佳能只得選擇放棄。
而同時(shí)ASML仍然堅(jiān)持投入研發(fā)，并積極向外尋求研發(fā)支持。2010年ASML推出第一臺EUV 光刻機(jī)NXE：3100，2013年收購準(zhǔn)分子激光源巨頭Cymer，同年推出NXE：3300B，2017 年推出第三款EUV光刻機(jī)NXE：3400B。
自此，ASML成為全球唯一一家能夠設(shè)計(jì)和制造EUV光刻機(jī)設(shè)備的廠商，成為超高端市場的獨(dú)家壟斷者。
EUV光刻機(jī)的工藝需求
難點(diǎn)一：在ASML的光刻機(jī)中，光源需要以每秒五萬次的頻率，用20kW的激光來擊打20微米 的錫滴，使液態(tài)錫汽化為等離子體，從而產(chǎn)生極紫外光(EUV)。
難點(diǎn)二：ASML的EUV光刻機(jī)可以實(shí)現(xiàn)13納米的分辨率。
難點(diǎn)三：ASML無塵室內(nèi)的空氣比外部干凈1萬倍，為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，無塵室的通風(fēng)設(shè)備必 須每小時(shí)凈化30萬立方米的空氣。
難點(diǎn)四：在ASML的高數(shù)值孔徑EUV設(shè)備中，為了能精確達(dá)到10納米以下的線寬以及1納米以 內(nèi)的套刻精度，聚焦反射器必須非常平整。
EUV光刻機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢
芯片追求更快的處理速度，需要縮短晶體管內(nèi)部導(dǎo)電溝道的長度，而光刻設(shè)備的分辨率決 定了IC的最小線寬，因此光刻機(jī)產(chǎn)品的升級就勢必要往更小分辨率水平上發(fā)展。
根據(jù)所使用光源的改進(jìn)以及雙工作臺、沉浸式光刻等新型光刻技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，光刻機(jī) 共經(jīng)歷了5代發(fā)展，每次光源的改進(jìn)都顯著提升了光刻機(jī)的工藝制程水平，以及生產(chǎn)的效率 和良率。
EUV光刻機(jī)主要技術(shù)優(yōu)勢如下：1）更高的光刻分辨率；2）生產(chǎn)效率高，光刻工藝簡單。但同時(shí)EUV光刻機(jī)也存在著許多問題：1）耗能巨大，能量利用率低；2）光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與 制造復(fù)雜；3）光罩掩模版表面缺陷。
光刻機(jī)上游核心：光學(xué)鏡片
高端光刻機(jī)含有上萬個零部件，而光學(xué)鏡片則是核心部件之一。高數(shù)值孔徑的鏡頭決定了 光刻機(jī)的分辨率以及套值誤差能力，重要性不言而喻。
EUV壟斷者ASML的鏡片便是以蔡司技術(shù)打底，Carl Zeiss（卡爾蔡司）是光學(xué)及光電子學(xué) 領(lǐng)域的絕對權(quán)威，長期以來為ASML的光刻設(shè)備提供最關(guān)鍵且高效能的光學(xué)系統(tǒng)。
目前ASML已與卡爾蔡司公司合作開發(fā)出數(shù)值孔徑為0.33的EUV光刻機(jī)鏡頭，并積極研發(fā) 下一代0.55高數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)，為推進(jìn)3納米及以下制程做努力。該光學(xué)系統(tǒng)與多重成 像技術(shù)相比，成本將降低50%，周期時(shí)間將縮短3~6倍，并具備一流的套刻和聚焦性能。
光刻機(jī)上游核心：光源
光源則是高端光刻機(jī)另一核心部件，光源波長決定了光刻機(jī)的工藝能力。光刻 機(jī)需要體積小、功率高而穩(wěn)定的光源。如EUV光刻機(jī)所采用的波長13.5nm的極 紫外光，光學(xué)系統(tǒng)極為復(fù)雜。
2013年ASML收購了全球領(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光器廠商Cymer，加速了EUV光源技術(shù)的發(fā)展，為光源技術(shù)提供了保障。
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光刻機(jī)的全球視角
光刻機(jī)的全球市場空間。受益于下游需求旺盛，光刻設(shè)備有望量價(jià)齊升帶動市場空間 不斷增長。量：晶圓尺寸變大和制程縮小將使產(chǎn)線所需的設(shè)備數(shù)量加大，12寸晶圓產(chǎn) 線中所需的光刻機(jī)數(shù)量相較于8寸晶圓產(chǎn)線將進(jìn)一步上升。同時(shí)預(yù)計(jì)2020年隨著半導(dǎo) 體產(chǎn)線得到持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，光刻機(jī)需求也將進(jìn)一步加大。價(jià)：隨著芯片制程的不斷升級， IC前道光刻機(jī)制造日益復(fù)雜，其價(jià)格不斷攀升。
光刻機(jī)的全球市場格局。目前光刻機(jī)行業(yè)已經(jīng)成為一個高度壟斷的行業(yè)，行業(yè)壁壘較 高，全球前道制造光刻機(jī)市場基本被ASML、尼康、佳能壟斷，CR3高達(dá)99%。ASML一家獨(dú)占鰲頭，成為唯一的一線供應(yīng)商，Nikon高開低走，但憑借多年技術(shù)積 累，勉強(qiáng)保住二線供應(yīng)商地位；而Canon只能屈居三線；上海微電子裝備（SMEE） 作為后起之秀，暫時(shí)只能提供低端光刻設(shè)備。
對標(biāo)ASML：他山之石可以攻玉。在IC前道光刻機(jī)領(lǐng)域，ASML一家獨(dú)大，高端EUV 光刻機(jī)市占率高達(dá)100%。總結(jié)ASML的崛起之路：1、在全球維度，通過并購、入股 獲取光刻機(jī)各項(xiàng)關(guān)鍵子系統(tǒng)的尖端技術(shù)，貫通上游產(chǎn)業(yè)鏈，再進(jìn)行整機(jī)集成；2、針 對頂尖工藝的巨額研發(fā)投入。
晶圓廠資本開支加速帶動設(shè)備需求
2021年將會是全球晶圓廠設(shè)備支出的標(biāo)志性一年，增長率為24％，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的677億美 元，比先前預(yù)測的657億美元高出10％，所有產(chǎn)品領(lǐng)域都有望實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增長。
存儲器工廠將以300億美元的設(shè)備支出領(lǐng)先全球半導(dǎo)體領(lǐng)域；其次是領(lǐng)先的邏輯和代工廠， 預(yù)計(jì)將以290億美元的投資排名第二。
從產(chǎn)業(yè)趨勢來看，存儲器廠成為投資主力，基于存儲芯片龍頭三星、海力士及美光二季度 數(shù)據(jù)，服務(wù)器云計(jì)算、5G基礎(chǔ)建設(shè)將會帶動相關(guān)芯片需求增長。
光刻機(jī)全球市場未來預(yù)測
受益于下游需求旺盛，光刻設(shè)備有望量價(jià)齊升帶動市場空間不斷增長。
價(jià)：隨著芯片制程的不斷升級，IC前道光刻機(jī)制造日益復(fù)雜，其價(jià)格不斷攀升。先進(jìn)制程發(fā)展使得晶體管成本降低，但是光刻機(jī)價(jià)格不斷增高。目前7nm EUV光 刻機(jī)平均每臺價(jià)格達(dá)到了1.2億歐元。
量：晶圓尺寸變大和制程縮小將使產(chǎn)線所需的設(shè)備數(shù)量加大，性能要求變高。12 寸晶圓產(chǎn)線中所需的光刻機(jī)數(shù)量相較于8寸晶圓產(chǎn)線將進(jìn)一步上升。同時(shí)預(yù)計(jì) 2020年隨著半導(dǎo)體產(chǎn)線得到持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，光刻機(jī)需求也將進(jìn)一步加大。
全球格局三足鼎立，ASML龍頭地位突顯
目前全球光刻設(shè)備的格局是：ASML一家獨(dú)占鰲頭，成為唯一的一線供應(yīng)商，旗 下產(chǎn)品覆蓋了全部級別的光刻機(jī)設(shè)備；Nikon高開低走，但憑借多年技術(shù)積累， 勉強(qiáng)保住二線供應(yīng)商地位；而Canon只能屈居三線；上海微電子裝備（SMEE） 作為后起之秀，暫時(shí)只能提供低端光刻設(shè)備，由于光刻設(shè)備對知識產(chǎn)權(quán)和供應(yīng)鏈 要求極高，短期很難達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
目前光刻機(jī)行業(yè)已經(jīng)成為一個高度壟斷的行業(yè)。如果沒有特別原因，這一格局在未來的時(shí)間里都很難發(fā)生變化。
從全球角度來看，半導(dǎo)體前道光刻機(jī)長期由ASML、尼康和佳能三家把持，從 2012-2019歷年全球半導(dǎo)體前道光刻機(jī)出貨比例可以看出，ASML，尼康，佳能 三家公司幾乎占據(jù)了99%的市場份額，其中ASML光刻機(jī)市場份額常年在60%以 上，市場地位極其穩(wěn)固。
ASML：高端光刻機(jī)的龍頭
ASML成立于1984年，是世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體設(shè)備制造商之一，其唯一產(chǎn)品類型就是集成電路制造 環(huán)節(jié)中最核心的設(shè)備——光刻機(jī)。
對內(nèi)：ASML不斷投入巨額研發(fā)費(fèi)用，集合美國、歐洲科研力量，掌握了EUV光刻機(jī)的核心技術(shù) ，從而奠定了在高端光刻機(jī)的龍頭地位。
對外：通過并購競購競爭對手，不斷布局光刻機(jī)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)；同時(shí)加強(qiáng)與三星，英特爾和臺積 電等世界頂級芯片制造商的通力合作。ASML通過攜手行業(yè)上下游，不斷鞏固市場龍頭地位。
ASML旗下的TWINSCAN系列是目前世界上精度最高，生產(chǎn)效率最高，應(yīng)用最為廣泛的高 端光刻機(jī)型。最新的TWINSCAN NXE:3400C可用于生產(chǎn)5nm的芯片，2019年共交付了9臺 。目前全球絕大多數(shù)半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商，都向ASML采購TWINSCAN機(jī)型。
市場上主力機(jī)種是XT系列以及NXT系列，為ArF和KrF激光光源，XT系列是成熟的機(jī)型，分 為干式和沉浸式兩種，而NXT系列則是現(xiàn)在主推的高端機(jī)型，全部為沉浸式。
預(yù)估2021年將推出0.55NA的新機(jī)型EXE:5000樣機(jī)，可用于2納米生產(chǎn)。
ASML為了籌集EUV光刻機(jī)的研發(fā)資金，于2012年提出“客戶聯(lián)合投資計(jì)劃”：客戶 可通過注資的方式成為股東后擁有優(yōu)先訂貨權(quán)。這樣一來，ASML的研發(fā)資金壓力轉(zhuǎn) 移到了客戶身上，客戶需要為先進(jìn)光刻技術(shù)的研發(fā)買單，但同時(shí)也會擁有對先進(jìn)技術(shù) 的優(yōu)先使用權(quán)。該計(jì)劃一經(jīng)推出，ASML以23%的股權(quán)共籌得53億歐元資金。
ASML在2019年共向客戶交付了26臺極紫外光刻機(jī)。其中，有9臺是最新型號，即 NXE:3400C，這些新型號的光刻機(jī)被用于7nn EUV工藝的制造。其中有一半給了臺積 電，其余給了三星、英特爾等有晶圓業(yè)務(wù)的公司。
ASML：穩(wěn)固的產(chǎn)業(yè)生態(tài)塑造極強(qiáng)的護(hù)城河
ASML:光刻機(jī)營收按產(chǎn)品及地區(qū)劃分
從光刻機(jī)收入按產(chǎn)品拆分可以看出，目前ASML的主流光刻機(jī)仍為ArFi，2019年?duì)I收占比為 53%，但隨著EUV被更多大廠采用，我們認(rèn)為EUV占比在未來幾年會迅速增長。
從ASML光刻機(jī)銷售凈額可以看到，三星，海力士，臺積電，英特爾作為ASML的大客戶，韓 國，中國臺灣以及美國成為了ASML光刻機(jī)的主要出貨地區(qū)，2019年銷售凈額占比分別為 18%、45%和17%。
ASML：拳頭產(chǎn)品EUV的優(yōu)勢
光刻機(jī)行業(yè)發(fā)展趨勢：EUV成為大勢所趨
ASML當(dāng)前的生產(chǎn)是使用0.33NA數(shù)值孔徑系統(tǒng)完成的，未來計(jì)劃在3nm處引入 0.55NA的形變鏡頭，可以提高光刻機(jī)的分辨率和生產(chǎn)率。
毫無疑問，EUV現(xiàn)在是用于領(lǐng)先工藝的關(guān)鍵光刻的首選解決方案，將支持未來十 年的應(yīng)用。
ASML中國業(yè)務(wù)隨著行業(yè)的發(fā)展而增長
ASML在中國的布局逐漸深化，設(shè)立了多家工廠、研發(fā)中心，擁有1000多名員工。隨著 國產(chǎn)光刻機(jī)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，ASML在中國的業(yè)務(wù)也不斷增長。
受益于5G時(shí)代、AI、自動駕駛等技術(shù)的普及，ASML 光刻機(jī)的訂單和收入強(qiáng)勁增長有望在 未來幾年持續(xù)，2025 年ASML預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)收入500億美元左右，年均復(fù)合增長率為15.8%。
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光刻機(jī)國產(chǎn)化之路：前路漫漫，曙光微現(xiàn)
02專項(xiàng)：眾志成城，技術(shù)突破。在 02專項(xiàng)的十三五規(guī)劃中，突破28nm浸沒式光刻機(jī) 及核心組件被列入戰(zhàn)略目標(biāo)，舉全國之力，匯集頂級科研人才開啟“光刻機(jī)雙工件臺 系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目、“超分辨光刻裝備研制”項(xiàng)目、“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究” 項(xiàng)目，現(xiàn)均取得重大突破。
國產(chǎn)光刻機(jī)市場空間與工藝水平剖析。隨著第三次全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，國內(nèi) 晶圓廠投資加速，光刻機(jī)作為新建晶圓廠的核心資本支出，市場空間進(jìn)一步打開。28nm作為當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)，工藝制程從90nm突破至28nm，對于國產(chǎn)替代具有重 大戰(zhàn)略意義。
探尋國產(chǎn)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈投資機(jī)會。實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)的國產(chǎn)替代并不是某一企業(yè)能夠單獨(dú)完 成的，需要光刻產(chǎn)業(yè)鏈的頂尖企業(yè)相互配合。光刻產(chǎn)業(yè)鏈可拆分為兩個部分，一是光 刻機(jī)核心組件，包括光源、鏡頭、雙工作臺、浸沒系統(tǒng)等關(guān)鍵子系統(tǒng)，二是光刻配套 設(shè)施，包括光刻膠、光掩模版、涂膠顯影設(shè)備等。上海微電子將在2021年交付的 28nm光刻機(jī)正是源于以下核心企業(yè)以舉國之力在各自細(xì)分領(lǐng)域的技術(shù)突破：上海微 電子負(fù)責(zé)光刻機(jī)設(shè)計(jì)和總體集成，北京科益虹源提供光源系統(tǒng)，北京國望光學(xué)提供物 鏡系統(tǒng)，國科精密提供曝光光學(xué)系統(tǒng)，華卓精科提供雙工作臺，浙江啟爾機(jī)電提供浸 沒系統(tǒng)。
02專項(xiàng)：眾志成城，技術(shù)突破
02專項(xiàng)——極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝專項(xiàng)
為推動我國集成電路制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升我國集成電路制造裝備、工藝及材料技術(shù)的自主 創(chuàng)新能力，充分調(diào)動國內(nèi)力量為重大專項(xiàng)的有效實(shí)施發(fā)揮作用，國家決定實(shí)施科技重大專項(xiàng) 《極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝》項(xiàng)目。
《極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝》項(xiàng)目，因次序排在國家重大專項(xiàng)所列16個重大專 項(xiàng)第二位，在行業(yè)內(nèi)被稱為“02專項(xiàng)”。
02專項(xiàng)“光刻機(jī)雙工件臺系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目
2016年4月，清華大學(xué)牽頭的02專項(xiàng)“光刻機(jī)雙工件臺系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目成功 通過驗(yàn)收，標(biāo)志中國在雙工件臺系統(tǒng)上取得技術(shù)突破。
研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)5年時(shí)間突破了平面電機(jī)、微動臺、超精密測量、超精密運(yùn)動控制、 系統(tǒng)動力學(xué)分析、先進(jìn)工程材料制備及應(yīng)用等若干關(guān)鍵技術(shù)，攻克了光刻機(jī)工件 臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成技術(shù)，通過多輪樣機(jī)的迭代研發(fā)，最終研制出2套光刻機(jī)雙工件 臺掩模臺系統(tǒng)α樣機(jī)，達(dá)到了預(yù)定的全部技術(shù)指標(biāo)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國際同 類光刻機(jī)雙工件臺的技術(shù)水平。
光刻技術(shù)是集成電路制造產(chǎn)業(yè)的核心，決定著集成電路的元件特征尺寸。伴隨半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) 摩爾定律延續(xù)，極紫外光刻（EUVL）被公認(rèn)為是最具潛力的下一代光刻技術(shù)。
極紫外光刻：使用波長為13.5nm的極紫外光，是傳統(tǒng)投影光刻技術(shù)向更短波長的延伸， 正處于產(chǎn)業(yè)化的臨界點(diǎn)。作為工業(yè)制造領(lǐng)域尖端技術(shù)的融合，世界上只有少數(shù)幾家研究機(jī) 構(gòu)及公司掌握此技術(shù)。目前，EUV光刻技術(shù)的國際壟斷局面已經(jīng)初步形成，目前全球只有 ASML一家能夠提供波長為13.5nm的EUV光刻設(shè)備。
2016年11月15日，由長春光機(jī)所牽頭承擔(dān)的國家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)——“極紫外光刻關(guān)鍵 技術(shù)研究”項(xiàng)目順利完成驗(yàn)收前現(xiàn)場測試。在長春光機(jī)所、成都光電所、上海光機(jī)所、中科院 微電子所、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等參研單位的共同努力下，歷經(jīng)八 年的戮力攻堅(jiān)，圓滿地完成了預(yù)定的研究內(nèi)容與攻關(guān)任務(wù)，為我國光刻技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展奠定 了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。突破了現(xiàn)階段制約我國極紫外光刻發(fā)展的核心光學(xué)技術(shù)，初步建立了適應(yīng)于極 紫外光刻曝光光學(xué)系統(tǒng)研制的加工、檢測、鍍膜和系統(tǒng)集成平臺，
項(xiàng)目成果：在EUV光學(xué)系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)、膜厚控制精度達(dá)原子量級的EUV多層膜技術(shù)、深亞納米 量級的超光滑非球面加工與檢測技術(shù)、超高精度物鏡系統(tǒng)波像差檢測及集成技術(shù)等方面，突破 了一系列EUVL工程化關(guān)鍵技術(shù)瓶頸；成功研制了小視場EUVL曝光光學(xué)系統(tǒng)，投影物鏡波像差 優(yōu)于0.75nm(RMS)，構(gòu)建了EUVL靜態(tài)曝光裝置，獲得32nm線寬的光刻膠曝光圖形；建立了 EUVL關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證及工藝測試平臺。
02專項(xiàng)“超分辨光刻裝備研制”項(xiàng)目
2018年11月，中科院光電技術(shù)研究所承擔(dān)的“超分辨光刻裝備研制”項(xiàng)目通過驗(yàn)收，該裝 備在365nm光源波長下，單次曝光最高線寬分辨力達(dá)到22nm，項(xiàng)目在原理上突破分辨力 衍射極限，建立了一條高分辨、大面積的納米光刻裝備研發(fā)新路線。
此次裝備打破了傳統(tǒng)路線格局，形成一條全新的納米光學(xué)光刻技術(shù)路線，具有完全自主知識 產(chǎn)權(quán)，為超材料/超表面、第三代光學(xué)器件、廣義芯片等變革性領(lǐng)域的跨越式發(fā)展提供了制 造工具。裝備制造的相關(guān)器件已在中國航天科技集團(tuán)公司第八研究院、電子科技大學(xué)、四川 大學(xué)華西醫(yī)院、中科院微系統(tǒng)所等多家科研院所和高校的重大研究任務(wù)中得到應(yīng)用。
瓦森納協(xié)定及新增——中國光刻機(jī)發(fā)展的坎坷之旅
? 《瓦森納協(xié)定》：又稱瓦森納安排機(jī)制，全稱為《關(guān)于常規(guī)武器和兩用物品及技術(shù)出口控制 的瓦森納協(xié)定》，目前共有包括美國、日本、英國、俄羅斯等42個成員國（不包括中國）。
瓦森納協(xié)定新增：2019年年底，就在國內(nèi)12英寸大硅片（300mm晶圓）項(xiàng)目紛涌而起之際 新修訂的《瓦森納協(xié)議》中，增加了兩條有關(guān)半導(dǎo)體領(lǐng)域的出口管制內(nèi)容，主要涉及計(jì)算光 刻軟件以及12英寸大硅片生產(chǎn)制造技術(shù)。
控制清單：1、軍品清單，包含各種武器彈藥、軍事裝備等；2、針對軍民兩用的一些產(chǎn)品及 技術(shù)的清單，包括特殊材料及相關(guān)設(shè)備、材料加工、電子、計(jì)算機(jī)、電子通信與信息安全、 傳感與激光、航海與航空、船舶、航空推進(jìn)系統(tǒng)共九個大類。
中國晶圓廠布局現(xiàn)狀
光刻機(jī)作為集成電路設(shè)備產(chǎn)業(yè)的重要組成環(huán)節(jié)，二者之間的關(guān)系密不可分，國內(nèi)晶圓 廠的擴(kuò)建速度越快，對于光刻機(jī)的需求越迫切。
近年來，多個12英寸晶圓廠項(xiàng)目落地中國大陸。SEMI的數(shù)據(jù)顯示，2017-2020年間 全球投產(chǎn)的半導(dǎo)體晶圓廠為62座，其中有26座設(shè)于中國大陸，占全球總數(shù)的42%。
目前中國大陸12英寸晶圓廠的投資及生產(chǎn)情況：中國大陸在12英寸晶圓廠方面已投 資數(shù)千億美元，產(chǎn)品涉及多個領(lǐng)域與制程，多個項(xiàng)目已經(jīng)在運(yùn)行當(dāng)中，其余項(xiàng)目將在 未來2-3年內(nèi)陸續(xù)投產(chǎn)。除去目前已經(jīng)停擺的兩個項(xiàng)目（成都格芯和德科瑪南京）， 目前中國大陸共計(jì)有31座在建/已建的12英寸晶圓廠，28座8英寸在建/已建/規(guī)劃中 的8英寸晶圓廠，項(xiàng)目主要集中在北京、成都、重慶及江浙一帶。
中國大陸12英寸Fab項(xiàng)目布局情況
當(dāng)前中國光刻機(jī)工藝水平
從2009年開始算起，中國研究團(tuán)隊(duì)一路攻堅(jiān)克難，國產(chǎn)首套90納米高端光刻機(jī)已經(jīng)成功研制 。2020年6月，上海微電子設(shè)備有限公司透露，將在2021-2022年交付首臺國產(chǎn)28nm工藝 浸沒式光刻機(jī)。消息一出，意味著國產(chǎn)光刻機(jī)工藝從以前的90nm一舉突破到28nm。
國產(chǎn)90nm光刻機(jī)交付意義：對于7nm頂尖制程存在較大差距，但像手機(jī)內(nèi)部主板上的射頻 芯片、藍(lán)牙芯片、功放芯片、路由器上的芯片、各種電器的驅(qū)動芯片等用的還是28-90nm工 藝的芯片。
光電所微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出來的SP光刻機(jī)是世界上第一臺單次成像達(dá)到 22納米的光刻機(jī)，結(jié)合多重曝光技術(shù)，可以用于制備10納米以下的信息器件。這不僅是世界 上光學(xué)光刻的一次重大變革，也將加快推進(jìn)工業(yè)4.0，實(shí)現(xiàn)中國制造2025的美好愿景。
當(dāng)前中國光刻機(jī)工藝進(jìn)程
IC前道光刻機(jī)：由于技術(shù)最為復(fù)雜、難度最大，因此需求量和價(jià)值量在所有光刻機(jī)中都是最高 的，中國目前與國外先進(jìn)水平存在不小差距，也是急需突破的關(guān)鍵領(lǐng)域。
國 內(nèi) 光 刻 機(jī) 市 場 ，除 了 應(yīng) 用 于 IC 前道的 光 刻機(jī)在 不 斷 的 發(fā) 展 之 外 ，封 裝光刻 機(jī) 以 及 LED/MEMS/功率器件光刻機(jī)的市場也不斷的發(fā)展壯大中。其中后面兩者國產(chǎn)化率較高。
上海微電子在封裝光刻機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量供貨，是多家封測龍頭企業(yè)（日月光、通富微電 、長電科技等）的主要供貨商，國內(nèi)封裝光刻機(jī)市場占有率高達(dá)80%。不只在國內(nèi)市場有所建 樹，上海微電子的封裝光刻機(jī)還出口海外市場，在全球市場的占有率高達(dá)40%。
面板（FPD）領(lǐng)域：國產(chǎn)光刻機(jī)廠商也在不斷滲透，國際光刻機(jī)巨頭尼康、佳能在FDP光刻機(jī) 市場處于壟斷地位，但FPD產(chǎn)能正在不斷向國內(nèi)轉(zhuǎn)移，國內(nèi)FPD產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段。
600系列光刻機(jī) —— IC前道制造
前道制造光刻機(jī)對制程要求較高，目前SMEE量產(chǎn)的是90nm制程，未來1～2年可實(shí)現(xiàn)最高 28nm制程。目前，我國從事集成電路前道制造用光刻機(jī)的生產(chǎn)廠商只有上海微電子裝備(集 團(tuán))股份有限公司(SMEE)和中國電科(CETC)旗下的電科裝備。
SSX600系列步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)作為前道制造光刻機(jī)，采用四倍縮小倍率的投影物鏡、工藝 自適應(yīng)調(diào)焦調(diào)平技術(shù)，以及高速高精的自減振六自由度工件臺掩模臺技術(shù)，可滿足IC前道制 造90nm、110nm、280nm關(guān)鍵層和非關(guān)鍵層的光刻工藝需求。該設(shè)備可用于8寸線或12寸 線的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
500系列光刻機(jī) —— IC后道先進(jìn)封裝
作為IC后道先進(jìn)封裝設(shè)備，SSB500系列步進(jìn)投影光刻機(jī)不僅適用于晶圓級封裝的重新布線（ RDL）以及Flip Chip 工藝中常用的金凸塊、焊料凸塊、銅柱等先進(jìn)封裝光刻工藝，還可以通 過選配背面對準(zhǔn)模塊，滿足MEMS 和2.5D/3D封裝的TSV光刻工藝需求。
由于前道光刻機(jī)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用難度非常高，相比較而言，后道的先進(jìn)封裝對光刻機(jī)的應(yīng)用越 來越廣泛，門檻也相對較低，可以先行進(jìn)入。SMEE抓住這個契機(jī)，開發(fā)了適用于先進(jìn)封裝行 業(yè)的500系列光刻機(jī)。此前，后道光刻機(jī)完全依賴于進(jìn)口，而今SMEE已經(jīng)占領(lǐng)了80%以上的國內(nèi)市場。
300系列光刻機(jī) —— LED、MEMS、Power Devices制造
SSB300系列光刻機(jī)面向6英寸以下中小基底先進(jìn)光刻應(yīng)用領(lǐng)域，滿足HB-LED、 MEMS和Power Devices等領(lǐng)域單面或雙面光刻工藝需求，占有率達(dá)20%左右。
產(chǎn)品特征：高分辨率，分辨率可達(dá)0.8μm；高速在線MAPPING技術(shù)；高精度拼接 ；多尺寸基底自適應(yīng)切換；高產(chǎn)能；高精度套刻；完美匹配ALIGNER。
200系列光刻機(jī) —— TFT曝光
SSB200系列投影光刻機(jī)采用先進(jìn)的投影光刻機(jī)平臺技術(shù)，專用于AM-OLED和LCD顯示 屏TFT電路制造，可應(yīng)用于2.5代～6代的TFT顯示屏量產(chǎn)線。該系列設(shè)備具備高分辨率、 高套刻精度等特性，支持6英寸掩模，顯著降低用戶使用成本。
產(chǎn)品特征：高精度，分辨率可達(dá)1.5μm；支持小Mask，可用6英寸掩模實(shí)現(xiàn)12英寸屏幕 制造；具備智能化校準(zhǔn)及診斷功能，方便設(shè)備參數(shù)校調(diào)及用戶周期性維護(hù)；快速靈活的客制化服務(wù)。
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