全球光刻機市場份額集中在少數(shù)企業(yè) 我國光刻機亟需自主突破

1、全球光刻機市場持續(xù)擴大，行業(yè)集中度極高

光刻(Lithography)是一種圖像復(fù)制技術(shù)，是集成電路工藝中至關(guān)重要的一項工藝。簡單地說，光刻是將掩模版上具有各種電子特性的區(qū)域圖（即電路圖形），按比例精確微縮并曝光成像在晶圓上，完成集成電路工藝圖形化轉(zhuǎn)移的第一步。其原理與照相十分類似，但精細度要求較高。相機的原理，是被攝物體被光線照射所反射的光線，透過相機的鏡頭，將影像投射并聚集在相機的底片（感光元件）上。而光刻機的原理是將高能激光（Laser）穿過掩模版（Reticle），將掩模版上的電路圖形透過聚光鏡（Projection lens），將影像縮小十六分之一后成像（影像復(fù)制）在預(yù)涂光阻層的晶圓（Wafer）上。對比相機和光刻機，被拍攝的物體相當于掩模版，單反鏡頭等同于聚光鏡，底片就是預(yù)涂光阻層的晶圓。值得注意的是，光刻過程只是投影，并沒有刻的過程，刻的過程是在刻蝕機完成的。

在芯片制造過程中，一般需要進行 20-30 次光刻才能完成各層圖形的傳遞，每一次都需要經(jīng)過一整套復(fù)雜的工藝過程,包括沉積、涂膠、曝光、顯影、刻蝕、離子注入、光刻膠移除等重要步驟。在芯片制造過程中，光刻是最復(fù)雜、昂貴和關(guān)鍵的工藝，光刻的成本約為整個制造工藝成本的 1/3，耗費時間約占整個制造工藝時間的 40%-60%。

(1) 沉積：將硅或是其他材料通過沉積的方式加在晶圓上，作為這一層的基材(基底材料)。并在其上層產(chǎn)生氧化層(二氧化硅)作為絕緣層。

(2) 涂膠：將光刻膠均勻旋涂在氧化層(二氧化硅)上。

(3) 曝光：使用高能激光透過掩模版，將光罩上的線路圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，光刻膠被激光照射到的部分會產(chǎn)生感光。

(4) 顯影：加入顯影液，將沒有被感光的光刻膠溶解去除。此時，氧化層(二氧化硅)上只留下了被感光的光刻膠區(qū)域，即掩模版上的線路圖圖形。

(5) 刻蝕：使用化學(xué)或物理濺射方式將沒有被光阻保護的氧化層(二氧化硅)部分去除。

(6) 離子注入：在沒有被光刻膠或氧化層保護的部分注入離子，在硅層產(chǎn)生半導(dǎo)體層。

(7) 光刻膠移除：離子注入之后，已經(jīng)不再需要光刻膠作為保護層，這時將多余的光刻膠去除。

由于采用了投影的方式，一片晶圓經(jīng)過光刻工藝之后，便完成了成千上萬個芯片的曝光工作，效率較高，遠超電子束刻蝕、納米壓印等其他技術(shù)路線。高效率意味著更低的成本，因此光刻技術(shù)路線是目前廠商大規(guī)模量產(chǎn)的主流選擇，其地位不可撼動。以 ASML NXT1980Di 的官方數(shù)據(jù)為例，其產(chǎn)能是每小時 275 片，前置條件是單片晶圓曝光 96個區(qū)域，同時每平方厘米能給 30 焦耳的能量。目前沒有一個其他的技術(shù)路線，包括電子束刻蝕和納米壓印能做到這樣的量產(chǎn)規(guī)模。

光刻機作為光刻工藝的核心設(shè)備，是所有半導(dǎo)體設(shè)備中難度最高、最難突破的一環(huán)，其原理是將高能鐳射光穿過掩模版，經(jīng)過物鏡補償各種光學(xué)誤差，從而將掩模版上的圖形縮小 1/16 后成像在預(yù)先涂制好光刻膠的晶圓上。光刻機是數(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、機械、自動化、軟件、算法、圖像識別領(lǐng)域等多項頂尖技術(shù)的集大成者。

根據(jù)所用光源改進和工藝創(chuàng)新，光刻機經(jīng)歷了五代產(chǎn)品發(fā)展，每次改進和創(chuàng)新都顯著提升了光刻機所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點。

（1）接觸式光刻機：曝光方式為掩模版與半導(dǎo)體基片之間靠控制真空度實現(xiàn)緊密接觸，使用光源分別為 g 線和 i 線。接觸式光刻機由于掩模與光刻膠直接接觸，所以易受污染，掩模版和基片容易受到損傷，掩模版壽命短。

（2）接近式光刻機：曝光方式為掩模版與半導(dǎo)體基片之間為非緊密接觸狀態(tài)，掩模版不容易受到損傷，掩模版壽命長，但由于掩模版與基片之間有一定間隙，成像質(zhì)量受到影響，分辨率下降。

（3）掃描投影式光刻機：中間掩模版上的 IC 版圖通過光學(xué)透鏡成像在基片表面，有效地提高了成像質(zhì)量，投影光學(xué)透鏡可以是 1∶1，但大多數(shù)采用精密縮小分步重復(fù)曝光的方式（如 1∶10，1∶5，1∶4）。IC 版圖面積受限于光源面積和光學(xué)透鏡成像面積。光學(xué)曝光分辨率增強技術(shù)的突破，把光刻技術(shù)推進到深亞微米及百納米級。

（4）步進式掃描投影光刻機：以掃描的方式實現(xiàn)曝光，可以增大曝光面積和曝光效率，通過采用 193nm 的 ArF 準分子激光光源，實現(xiàn)光刻過程中掩模和硅片的同步移動，并同時實現(xiàn)將掩模圖像縮小投影在硅片上，進行分步重復(fù)曝光，將芯片的最小工藝節(jié)點提升一個臺階。利用浸沒式光刻技術(shù)，通過在光刻機投影物鏡最后一個透鏡下表面與硅片光刻膠之間充滿高折射率的液體（如去離子水），進一步提高了光刻分辨率，把193nm光源的光刻工藝節(jié)點進化到 22nm。

（5）EUV 光刻機：采用波長為 13.5nm 的激光等離子體光源作為光刻曝光光源。即使其波長是 193nm 的 1/14，幾乎逼近物理學(xué)、材料學(xué)以及精密制造的極限，將最小工藝節(jié)點推進至 7nm 仍然面臨著種種難題。荷蘭 ASML 公司用于 7nm 工藝的EUV 光刻機共有 10 萬個零件，其中 90%的關(guān)鍵設(shè)備來自世界各國。

目前，EUV 光刻機可支持芯片制造商將芯片制程推進到 3nm 制程左右，但是如果要繼續(xù)推進到 2nm 制程甚至更小的尺寸，就需要更高數(shù)值孔徑的 High-NA EUV 光刻機。相比目前 NA 為 0.33 的 EUV 光刻機，High-NA EUV 光刻機將 NA 提升到 0.55，可以進一步提升分辨率與成像能力，從而實現(xiàn)更先進制成的生產(chǎn)。

光刻機發(fā)展歷程

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根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國光刻機行業(yè)發(fā)展趨勢分析與投資前景研究報告（2025-2032年）》顯示，光刻機產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游材料與組件、中游光刻機整機以及下游光刻機具體應(yīng)用三大環(huán)節(jié)。光刻機涉及的內(nèi)部零件種類眾多，且越高端的光刻機組成越復(fù)雜，其核心組件包括光源系統(tǒng)、雙工作臺、物鏡系統(tǒng)、對準系統(tǒng)、曝光系統(tǒng)、浸沒系統(tǒng)、光柵系統(tǒng)等，其中光源、晶圓曝光臺、物鏡和對準系統(tǒng)的技術(shù)門檻較為顯著。因此，光刻機企業(yè)往往具備高外采率、與供應(yīng)商共同研發(fā)的特點。

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目前在半導(dǎo)體設(shè)備細分市場中，光刻機設(shè)備在半導(dǎo)體設(shè)備總市場的 24%，為市場占比最大的細分設(shè)備。近年來，光刻機市場在半導(dǎo)體總市場中的占比持續(xù)提升。盡管目前已有部分晶圓廠調(diào)整未來資本開支，但考慮光刻機交期長、戰(zhàn)略意義高，預(yù)計 2025 年光刻機市場需求依然維持高位，未來行業(yè)規(guī)模有望維持高增長。

資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

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從光刻機類型角度分析，ASML 是唯一的 EUV 光刻機供應(yīng)商，處于壟斷地位，同時多種光刻機均有出售，高端光刻機（EUV、ArFi、ArF）的出貨量占據(jù)絕對優(yōu)勢，市占率分別為100%/92%/80%。作為 EUV 光刻機唯一的供應(yīng)商，ASML 技術(shù)領(lǐng)先、在手專利充足，因此在在高端光刻機的優(yōu)勢短期內(nèi)難以被追平，未來有望隨高端光刻機需求增長而持續(xù)獲得市場份額，行業(yè)龍頭效應(yīng)將更加集中。

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2、我國光刻機面臨持續(xù)制裁，行業(yè)發(fā)展仍然存在不確定性

我國的光刻機發(fā)展起源于 70 年代，伴隨著半導(dǎo)體行業(yè)研究的興起，我國于 1977年研發(fā)成功第一臺光刻機，1978-1985 年先后研制成功三臺光刻機，當時我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)雖然沒有達到當時世界先進水平，但是差距并不大。80 年代底，由于信奉“造不如買”的發(fā)展理念，導(dǎo)致我國半導(dǎo)體行業(yè)停滯不前，直到 2002 年，國家開始重視光刻機的研發(fā)。至今 20 余年的時間里，我國在逐步縮小和國際光刻機巨頭的差距。

2008年，我國出臺了《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》，其中明確了16個科技重大專項，其中排名第二的就是“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”，因此也被業(yè)內(nèi)稱為“02專項”。光刻機項目作為“02專項”的核心項目之一由此開啟，根據(jù)“02專項”的部署，上海微電子負責(zé)光刻機整體的系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)集成；中科院長春光學(xué)精密機械和物理研究所（簡稱長光所）牽頭負責(zé)物鏡系統(tǒng)的研發(fā)，中科院上海光學(xué)精密機械研究所（簡稱上光所）負責(zé)照明系統(tǒng)的研發(fā)，兩者一起組成光刻機的曝光光學(xué)系統(tǒng)；清華大學(xué)牽頭負責(zé)光刻機雙工件臺設(shè)計；浙江大學(xué)牽頭負責(zé)研發(fā)光刻機浸液系統(tǒng)。

上海微電子是中國目前唯一前道晶圓制造光刻機整機制造商。上海微電子裝備（集團）股份有限公司（簡稱 SMEE）主要致力于半導(dǎo)體裝備、泛半導(dǎo)體裝備、高端智能裝備的開發(fā)、設(shè)計、制造、銷售及技術(shù)服務(wù)。公司設(shè)備廣泛應(yīng)用于集成電路前道、先進封裝、FPD 面板、MEMS、LED、Power Devices 等制造領(lǐng)域。

美國聯(lián)合荷蘭對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實施多輪制裁，目前來看，EUV完全對我國禁售，ASML的2000i及以上的浸沒式光刻機的出口許可證也于2024年年初失效，稍低端的1980i和1970i的出口則需要荷蘭政府的許可證，實施光刻機整機自主可控是大勢所趨。此外，BIS于2022年年底將國產(chǎn)光刻機廠商上海微納入實體清單，基本不可能從美國獲得《出口管理條例》所列物項和技術(shù)，而目前成熟光刻機的一些核心零部件依賴美國供應(yīng)商，因此國產(chǎn)光刻機的零部件供應(yīng)鏈的國產(chǎn)化建設(shè)也至關(guān)重要。

美國聯(lián)合荷蘭政府對于我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的制裁措施

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我國光刻機行業(yè)發(fā)展風(fēng)險：

1、產(chǎn)業(yè)化進展不及預(yù)期風(fēng)險

國內(nèi)光刻機產(chǎn)業(yè)起步較晚，和國際廠商尚存在較大差距，研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進展有可能不及預(yù)期。

2、技術(shù)風(fēng)險

技術(shù)進步是推動行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。如果關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)進展緩慢或者未能實現(xiàn)預(yù)期的突破，可能會阻礙產(chǎn)品的創(chuàng)新和升級，影響企業(yè)的競爭力和市場表現(xiàn)。

3、人才流失風(fēng)險

半導(dǎo)體是典型的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，而光刻機更是行業(yè)明珠，涉及諸多基礎(chǔ)學(xué)科和工程原理，對于專業(yè)人才的依賴程度很高，多人才流失，可能會導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后。

4、地緣政治風(fēng)險

全球政治和經(jīng)濟的不確定性，如貿(mào)易爭端、地緣政治緊張和經(jīng)濟制裁，都可能對市場需求產(chǎn)生負面影響。這些宏觀因素可能導(dǎo)致消費者信心下降，企業(yè)投資減少，從而抑制光刻機需求。

中美之間的貿(mào)易摩擦可能會迫使企業(yè)重新考慮其供應(yīng)鏈布局，以規(guī)避潛在的貿(mào)易壁壘和關(guān)稅。這種產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)可能會導(dǎo)致成本上升、生產(chǎn)效率下降，甚至影響全球供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性。（YM）