亚商投顾-半导体设备明珠—光刻机，国产替代加速推进（附股）！

 

事件驱动：近日，三星电子正在与蔡司集团深化在下一代极紫外（EUV）光刻技术和芯片技术领域的合作。蔡司集团是全球领先的极紫外（EUV）光系统供应商ASML Holding NV的唯一光学系统供应商，全球光刻机光学市场规模达35亿美元，一家独大。

 

行业透视

 

光刻机是半导体制造过程中价值量和技术壁垒最高的设备之一。全球光刻机市场规模超 230 亿美元，ASML 处于绝对领先，国内市场规模超 200 亿元，但是国产化率仅 2.5%。目前半导体制造工艺节点缩小至 5nm 及以下，曝光波长逐渐缩短至 13.5nm，光刻技术逐步完善成熟，但是国内光刻机仍明显落后ASML。同时，美国对中国先进制程设备和技术围追堵截，光刻机处于核心“卡脖子”状态。光刻机产业国产替代趋势下，高端光刻机的发展有望获得推动，国内产业链相关企业有望受益。（文末附产业链及相关上市公司梳理）

 

一、行业概况

 

1.光刻工艺：芯片制造的核心工艺

 

集成电路制造流程复杂，光刻为其中关键一环。光刻（Lithography）是指在特定波长光线的作用下，将设计在掩膜版上的集成电路图形转移到硅片表面的光刻胶上的技术工艺。为了完成图形转移，需要经历沉积、旋转涂胶、软烘、对准与曝光、后烘、显影、坚膜烘焙、显影检测等 8 道工序，检测合格后继续进行刻蚀、离子注入、去胶等步骤，并视需要重复制程步骤，建立芯片的“摩天大楼”。

 

光刻核心地位：1/2 的时间+1/3 的成本。随着芯片技术的发展，重复步骤数增多，先进芯片需要进行20-30 次光刻，光刻工艺的耗时可以占到整个晶圆制造时间的 40%-50%，费用约占芯片生产成本的 1/3。

 

 

光刻机单机价值量高。2022 年全球晶圆前道设备销售 941 亿美元，光刻机占 17%，是 IC 制造的第三大设备，但却是单机价值量最大的设备。据 ASML 财报测算，2022 年单台 EUV 价格约 1.8 亿欧元，浸没式 DUV 约 6500 万欧元。

 

 

2.光刻机的分类

 

1）根据工作原理进行分类

 

根据工作原理进行分类，按照光刻时是否使用掩膜，将光刻机分为掩膜光刻以及无掩膜光刻。其中，掩膜光刻包含接触式光刻机、接近式光刻机和投影式光刻机；无掩膜光刻包含激光直写光刻机、纳米压印光刻机等。

 

 

①掩膜光刻

 

根据曝光时掩膜版与衬底间的位置关系，掩膜光刻可分为接触式、接近式和投影式光刻。其中，在投影式光刻中，根据曝光过程中掩膜和晶圆的移动方式，可进一步细分为扫描投影光刻机、步进重复光刻机和步进扫描式光刻机。

 

 

②无掩膜光刻

 

无掩膜光刻主要包含了直写光刻和纳米压印光刻。其中，根据辐射源的不同，直写光刻可分为光学直写光刻（如激光直写光刻）和带电粒子直写光刻（如电子束直写、离子束直写）。

 

 

2）根据光源进行分类

 

光源是光刻机的核心构成之一，其波长决定了光刻机的工艺能力。光刻机根据光源不同可分成紫外（UV）光刻机、深紫外（DUV）光刻机、极紫外（EUV）光刻机三类。

 

 

二、 行业现状

 

1.光刻机的价值量

 

2022年全球半导体设备市场规模超千亿美元，其中晶圆制造中光刻设备为关键工艺设备，设备价值在晶圆厂单条产线成本中占比最高。

 

 

2.光刻技术演进

 

从汞灯光源到准分子激光器，再到极紫外（EUV）光源，光刻机的光源波长不断缩短，数值孔径（NA）和工艺因子（k1）也在不断优化，以实现更高的分辨率和生产效率。（通过多重曝光，DUV光刻机也可实现7nm工艺，但再往下则必须要用到EUV光刻机）

 

3.ASML一家独大

 

全球光刻机行业竞争格局上，ASML一家独大，Nikon+Canon占据剩余份额，其中，最高端E U V光刻机全球仅ASML可以生产，具有极高的技术壁垒。

 

 

4.国内光刻机依赖进口

 

根据中国海关总署数据，2022年中国大陆IC用光刻机进口金额共39.7亿美元，其中从荷兰、日本的进口金额分别为25.5/ 13.0亿美元，进口机台数分别为147台、635台，对应进口均价分别为1733、204万美元，高端机台主要从荷兰ASML进口。

 

 

三、市场机遇

 

展望未来国内光刻机产业的发展：

 

短期维度，因为芯片制造会使用多种光刻机，对于中低阶机型需求稳定，国产厂商有望在中低阶领域快速提升份额。在芯片制造过程中，一般核心芯片关键层使用先进机型，金属层线宽更宽，故可以使用传统成熟机型优化成本结构。虽然短期内国内晶圆厂扩产主要集中于 DUV 光刻机覆盖的制程，但预计中低阶机型需求保持稳定，考虑到市场已较为成熟，国内外产品性能参数接近，且下游客户推进供应链国产化意愿强烈，国产厂商有望快速提升份额。

 

中长期维度，国产光刻机致力于逐步实现中低阶工艺覆盖，并有望通过多重曝光技术覆盖高端工艺以实现光刻机设备自主化，相关潜在市场前景广阔。上海微电子研发的 SSA600/20 为 ArFDry 光刻机，可生产 90nm 芯片；其在研的 SSA800/10 为 ArFIm 光刻机，如果能够实现量产，届时将覆盖目前半导体的主流工艺区间，基本满足国内半导体制造光刻机设备的需求。通过逐步覆盖各段工艺，国产光刻机设备有望基本实现自主化，且国内晶圆厂扩产主要集中于相应区间，相关市场空间广阔，有望成为国产光刻机厂商未来的长期增长点。

 

四、产业链分析

 

1.上游

 

光刻机由三大核心系统（光源系统、光学系统、双工件台系统），数万个零件组成（例如德国的光学设备与超精密仪器，美国的计量设备与光源等），是产业链各环节顶尖公司通力合作的成果。

 

光源系统：提供光刻机所需的光源，包括准分子激光器、极紫外（EUV）光源等，光源波长决定了光刻机的工艺能力。光源系统主要供应商有美国Cymer（已被ASML收购）、日本Gigaphoton等。

 

光学系统：包括照明系统和投影物镜系统，用于实现高分辨率成像，光学系统了决定光刻机的分辨率以及套刻精度。ZEISS是ASML的关键光学元件供应商，国内茂莱光学等公司也在努力提升技术水平。

 

双工件台系统：提供精密运动和测控系统，提高光刻精度与效率。国内华卓精科和清华大学团队在这方面有显著进展。

 

 

2.中游

 

光刻机制造商：如荷兰ASML、日本Nikon、日本Canon、上海微电子等，负责光刻机的整体设计、组装和销售。

 

3.下游

 

半导体制造商：光刻机主要卖给半导体制造商，如台积电、中芯国际、英特尔等。

 

五、行业的投资逻辑

 

1.政策利好行业发展

 

相比之下，我国光刻机技术长期处于落后状态，光刻设备需要长期大量依赖进口，同时由于光刻机属于高精尖产品，其产能有限。因此，从国家安全层面来讲，核心技术必须做到独立自主，相关政策也持续推出。

 

我国对于光刻机行业较为重视。对于整个 IC 产业链企业的政策优待以及对于半导体设备行业的相关规划与推动将持续推出。其主要表现在资金方面的补助和人才方面的培养，以及进出口，投融资方面的政策扶持。

 

2.光刻机在半导体设备的占比呈向上趋势

 

2022 年 WFE（全球晶圆厂设备支出）980 亿美元，创历史新高，2023 年将下降 22%至 760 亿美元。预计 2024 年迎来复苏，同比增长 21%至 920 亿美元。

 

光刻机市场趋势与 WFE 整体趋势基本保持一致，但随着芯片工艺升级，对应光刻难度提升，采用更先进的机台，因此，光刻机在半导体设备的占比呈向上趋势，2024 年光刻支出占 WFE 的比例将超过25%，以此测算光刻机市场规模约 230 亿美元。

 

 

3.芯片性能升级推动光刻强度上升

 

10nm 逻辑芯片已达 25%，5nm 及以下制程需要利用 EUV+多重曝光实现，光刻强度超过 35%。先进DRAM 芯片光刻强度在 25%左右。NAND 多采用 3D 堆叠架构，光刻强度相对较低，但存储巨头也在逐步引入 EUV 生产更高层 3D NAND。

 

 

4.国产代替进口需求推动行业发展

 

目前光刻机市场主要由国外的三个企业所垄断，随着中国大陆代工厂的不断扩建，未来对于国产光刻机的需求不断提升，而当前国内与国外顶尖光刻机制程仍存在较大差距。但为应对国外技术出口管制风险，国产光刻机需求上涨，推动行业加速发展。

 

六、相关上市公司梳理

 

光刻机是半导体产业的核心设备，直接决定芯片制程的先进程度，重要性不言而喻，在全球半导体产业持续扩张的趋势下，光刻机市场规模长期可观；此外，光刻机开发难度大，产业垄断性强，是海外对华半导体制裁的重灾区，直接影响国内半导体产业先进制程的发展，因此光刻机自主突破的重要性尤为凸显，光刻机国产产业链颇具潜力，相关企业有望持续受益。

 

产业链相关企业具体梳理如下：

 

资料来源：中航证券研究所

 

 

 

 

 

风险提示：国内技术产品开发不及预期的风险、下游需求不及预期的风险等

 

参考资料：20240412——慧博智能投研—国产浪潮随风起，光刻机行业亟待 破局；网页公开资料。

 

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