光刻机产业链深度报告：国产路漫其修远，中国芯上下求索（附下载）

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（精选报告来源：报告研究所）

光刻：集成电路制造核心环节

光刻三剑客：光刻机+光刻胶+光掩膜

光刻工艺是指集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。光刻工艺可以理解为使用光刻技术进行某一类加工的一种工艺；而光刻技术是则指在光照作用下，借助光致抗蚀剂（即：光刻胶）将掩膜版上的图形转移到基片上的技术。典型的光刻工艺流程包括衬底制备、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等。在光刻中主要使用工具及材料为光掩膜、光刻机及光刻胶。

光刻机：通过光源将光掩膜上图形投射于硅片

光刻机：类似纳米级打印机，通过光源将光掩膜上图形母版投射在硅片上。工作原理：利用光刻机发出的光通过具有图形的光置对涂有光刻胶的硅片曝光，光刻胶见光后会发生性质变化，从而使光置上得图形复印到硅片上，从而使硅片具有电子线路图的作用。这就是光刻的作用，类似照相机照相。照相机拍摄的照片是印在底片上，而光刻机刻的不是照片，是电路图和其他电子元件。

光刻胶：在曝光区发生光固化反应

光刻胶：又称光致抗蚀剂，组分主要包括成膜树脂、感光组分、微量添加剂和溶剂。其中成膜树脂用于提供机械性能和抗刻蚀能力；感光组分在光照下发生化学变化，引起溶解速度的改变；微量添加剂包括染料、增黏剂等，用以改善光刻胶性能；溶剂用于溶解各组分，使之均匀混合。原理：将光刻胶涂布在衬底，通过前烘去除其中溶剂；其次，透过掩膜版进行曝光，使曝光部分感光组分发生化学反应，再进行曝光后烘烤；最后通过显影将光刻胶部分溶解（对于正性光刻胶，曝光趋于被溶解；对于负性光刻胶，未曝光区域被溶解），从而实现图形从掩膜版到衬底片之间转移。

光掩膜：图形转移工具或母版

掩膜版又称光罩、光掩膜等，是微电子制造过程中图形转移工具或母版，用于下游电子元器件行业批量复制生产。掩膜版在生产中起到承上启下的关键作用，是产业链中不可或缺的重要环节。光掩膜可分为接触式光掩膜（真空接触、软接触及硬接触）及投影光掩膜（匀胶铬版光掩膜、移相光掩膜、不透光钼光掩膜及极紫外光掩膜）。

技术：光源、数值孔径、工艺系数、机台四轮驱动，共促光刻产业升级

分辨率由光源波长、数值孔径、光刻工艺因子决定

分辨率：指光刻机能够将掩膜版电路图形在衬底面光刻胶上转印的最小极限特征尺寸。通常，分辨率用该极限电路图形半节距表示。瑞利准则：理想的成像系统，一个点所成像是一个完美点，但实际光学系统中透镜具有一定的孔径大小，由此导致所成像不是一个点，而为一个艾里斑（中心是一块明亮区域，周围是一系列亮度不断降低的同心圆环）。对于两个距离较近的点，所成光斑距离同样较近。能够区分两个光斑的最小距离，即分辨率。当一个艾里斑中心与另一个艾里斑第一极小值重合时，达到极限点，该极限被称为瑞利准则。

孔径角与透镜有效直径成正比，与焦距成反比。孔径角又称“镜口角” ，是透镜光轴上的物体点与物镜前透镜有效直径所形成角度。孔径角越大，进入透镜光通量就越大，它与透镜有效直径成正比，与焦点距离成反比。增大数值孔径、缩短波长、减小光刻工艺因子可提高分辨率。根据瑞利准则光刻机分辨率由光源波长、数值孔径、光刻工艺因子决定。因此可以从以下三方面提高分辨率：1）增大投影光刻物镜的数值孔径；2）缩短曝光波长；3）减小光刻工艺因子。

光源波长（λ）——光源

光源是光刻机核心系统之一，光刻机工艺能力首先取决于其光源波长。最早两代光刻机采用汞灯产生波长436nm g-line和365nm i-line 作为光刻光源，可以满足800-250nm制程芯片生产。第三代光刻机采用248nm的KrF准分子激光作为光源，将最小工艺节点提升至180-130nm。第四代光刻机的光源采用193nm准分子激光，将制程提升至130-65nm的水平（通过浸没式技术、双图形技术、多图形等先进技术，193nm ArF准分子激光可应用于光刻10nm节点量产）。第五代光刻机技术，采用波长为13.5nm的极紫外光作为曝光光源。

高压汞灯：放电管内充氩气（用于启动）与汞（用于放电），汞蒸气被 能量激发，汞原子最外层电子受激发跃迁，落回后释放光子。深紫外光光源：一般采用准分子激光器作为光源，工作气体受到放电激 励，在激发态形成短暂存在“准分子”，准分子受激辐射跃迁，形成紫 外激光输出。极紫外光激光：EUV光源由光的产生、光的收集、光谱的纯化与均匀化 三大单元组成。相关的工作元器件主要包括大功率CO2激光器、多层涂 层镜、负载、光收集器、掩膜版、投影光学系(Xe或Sn)形成等离子体， 等离子利用多层膜反射镜多次反射净化能谱，获得13.5nm的EUV光。

光源波长（λ）

原理：速度接近光速的带电粒子在磁场中做圆周运动时，沿运动轨迹切线方向会发出电磁辐射（同步辐射SR)，具有高亮度、宽频谱、高准直、高偏振等特性。使用雷射对电子进行操控，在储存环中可形成超短的电子束团（又称微聚束），这种技术可保证电子束长度比传统存储环小六个数量级，经由结合微聚束辐射的强相干特性以及储存环内电子束的高回旋频率特性，稳态微聚束(SSMB)光源可提供高平均功率、窄频宽的相干辐射，产生的电磁波可覆盖太赫兹(THZ)、极紫外光(EUV)、软X光(Soft X-ray)。同步辐射光源装置包括电子子生及加速的雷子加速器、储存电子束的电子储存环、以及将生产的同步辐射用在物理、化学、材料、生物等各类科学研究的辐射线束站。

数值孔径（NA）——物镜

光刻物镜包括能够满足光刻机成像质量要求和整机接口需求的投 影物镜以及相关控制系统。整个物镜长度一般超过1m，重量超过 500Kg，为能刻蚀尽可能精细线条，物镜分辨率必须达到衍射极限， 这意味着在物镜实际工作过程中，全视场波前像差均方根至少要 小于0.07λ；此外，像面弯曲要求小于几十纳米，畸变不能超过 几纳米。如此高像质光学系统需要其内部环境控制必须十分严格， 如物镜内部温度变化要小于0.01摄氏度，气压变化要小于100帕。光刻物镜工作波长大多数属于紫外波段，如K r F ( 2 4 8 n m )， ArF(193nm）和EUV（13.5nm）。按照构成物镜零部件属性，可以将物镜划分为光学、机械和控制 三个分系统。光学分系统包括参与投影成像全部光学零件；机械 分系统包括用于实现光学零件支撑、调节，物镜环境控制与保护 以及与整机机械结构连接全部机械零件和功能性组件；控制分系 统包括用于物镜控制机箱及相关控制软件系统、物镜调节机构及 光阑驱动等。

市场：一超两强格局稳定，新建晶圆厂+产线扩产需求

发展：技术&成本综合驱动光刻机发展

MCU是8英寸晶圆上价格最高的芯片，CPU/GPU在12寸晶圆最赚钱。当MCU需求激增时，8英寸晶圆往往会生产更多的MCU，而不是价格较低的MOSFET。(每次缺货都从毛利较低的器件品类开始)。另一方面，PMIC和DDIC的需求稳定，因此晶圆代工厂商总是为PMIC和DDIC分配一定的产能。在12英寸晶圆厂，CPU和GPU是最赚钱产品，在22nm及以下的先进制程，晶圆代工厂商关心的是其12英寸晶圆厂的盈利，而不是保持100%的产能利用率。

出货：EUV光刻机销量逐步增长，KrF与l-line仍为主要需求类型

EUV光刻机销量逐步增长，KrF与l-line仍为主要需求类型。根据各公司官网数据，2023年，全球前三大光刻机厂商销售共计681台，同比增长21.82%；从光刻机类别分析，KrF与l-line仍为市场主流类别，EUV、ArFi、ArF、KrF、l-line出货量分别为53、134、42、242、210台，占比分别为7.78%、19.68%、6.17%、35.54%、30.84%，全球前三大光刻机厂商销售量创历史新高，合计681台。2024Q1全球前三大厂商共计销售光刻机139台，其中EUV光刻机11台，占比约为7.91%。

格局：一超两强格局稳定，ASML为EUV光刻机独家供应商

2023年ASML光刻机销量一骑绝尘，且为EUV光刻机独家供应商。根据各公司官网数据，2023年ASML、Canon、Nikon光刻机销量分别为449、187、45台，ASML光刻机销量远超其余两家之和，为Canon、 Nikon合计销量1.94倍。从提供光刻机类别层面分析，ASML为EUV光刻机唯一供应商，ASML与Nikon皆能提供ArFi、ArF光刻机，Canon仅能提供KrF、i-line光刻机。

需求：25年晶圆厂设备支出有望超1,200亿美元

23年半导体制造设备销售额小幅下降，中国仍为半导体设备最大市场。根据SEMI数据，2023年全球半导体制造设备销售额从2022年创下的 1,076亿美元的历史最高水平小幅下降1.3%至1,063亿美元；中国大陆、韩国和中国台湾在2023年芯片设备支出排名前三，占全球设备市场 72%，其中中国仍是最大的半导体设备市场；中国大陆半导体设备支出同比增长29%，达366亿美元，中国台湾半导体设备支出为196亿美元；由于需求疲软和内存市场库存调整，第二大设备市场韩国的设备支出下降7%至199亿美元。北美半导体设备投资同比增长15%，主要得益于CHIPS和科学法案投资的强劲增长；全球半导体制造设备增长预计将在2024年恢复，预计在前端和后端细分市场的推动下，2025年销售额预计达到1,240亿美元新高。

破局：师夷长技以制夷，星星之火可燎原

ASML：光刻机行业绝对霸主，实力远超同业

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