光刻机产业链深度扫描

（来源：君实财经）

Q：当前半导体国产替代中最紧迫的“卡脖子”环节是什么？其核心逻辑何在？

A：当下，我们重点推荐国产替代卡脖子环节。国内半导体领域中，先进制造发展态势良好，其中，中芯国际是先进制造领域的核心标的，与中芯国际关联紧密的光刻机环节也备受关注。在半导体设备领域，光刻机处于从0到1的发展阶段，由于海外对高端光刻机实施禁运，国内该领域发展较为分散。并且，在半导体设备细分品类中，光刻机市场规模位居第二，契合科技板块从0到1突破、市场空间大以及国产替代需求迫切的大逻辑。

Q：从产业趋势来看，先进制造和光刻机赛道有何变化？

A：从产业趋势来看，自今年年初至下半年，产业将呈现明显变化。无论是先进制造的良率改善，还是光刻机赛道自身的产业进度，都将有显著进展。目前，该领域已接近一个重要节点，从基本面各方面考量，其中蕴含众多行业热点和细分主题。在此情形下，先进制造和光刻机赛道极易脱颖而出。而且，光刻机赛道并非着眼于短期业绩和估值，而是具备较大的长期想象空间。所以，现阶段我们重点推荐以中芯国际为代表的先进制造，以及以福晶科技、二十创为代表的光刻机产业链标的。

Q：能否详细介绍下光刻机在芯片制造中的战略核心定位，以及全球发展程度和供应商格局？

A：光刻环节在半导体制造工艺中至关重要，工艺环节众多，是所有工艺环节里的核心。其占整个芯片制造成本价值量约三分之一，且耗费时间在所有工艺环节中最长。光刻环节所用到的设备，如以光刻机为代表，以及一些图像信息设备等，还有光刻胶等材料，均是半导体环节的核心。光刻机制造难度极大，在各新应用领域中，但凡与光学关系密切的产品，通常难度都很高，例如设备中的光刻机，材料中的光刻胶等。由于光刻机承担着高端制造中关键的光刻加工工艺环节，其难度更为突出。从全球范围看，目前最高端的光刻机来自ASML。此前对ASML零部件占比的研究发现，其零部件供应商分布在荷兰、美国、日本和德国等国家，这些国家在相关赛道实力强劲，这也表明高端设备制造难度大，难以由单个国家或地区完全实现设备制造及产业链供给。在设备价值量方面，从国内来看，光刻机正处于从0到1的发展阶段，市场规模较大。以2021年为例，全球半导体制造设备中，前端设备里，光刻机的市场规模为171亿美金左右，在全球半导体设备市场规模中位居第二。国内情况与全球类似，这意味着其市场规模大，为产业链公司发展提供了广阔空间。在产业格局方面，光刻机发展历史较为悠久，1955年最早出现于实验室，随后日本、美国等公司逐步推进。之后，ASML推出镜面式光刻机，进而发展EUV光刻机，成为全球顶级龙头，与第二、三名公司拉开极大差距。

Q：如何对光刻机的零部件进行拆解？

A：光刻机与许多其他半导体设备不同，高端光刻机整机并无上市公司。因此，我们需要对其核心产业链公司进行拆解分析。光刻机的核心组成部分包括光源、镜头和工作台等，每个部件都极为复杂，需精心设计以确保精度、效率和稳定性。光源系统方面，例如针对准激光光源，科益虹源主要研发248nm准分子激光器、干式193nm准分子激光器等；福晶科技研发KBBF晶体。物镜系统方面，茂莱光学的光刻机曝光物镜超精密光学元件加工技术已实现产业化。一台完整的光刻机包含超过10万个零部件，这些零部件按功能组成若干关键组件，如照明系统，在光刻对位过程中使用，无论是自动对位还是手动对位，都需要照明光源；掩模台系统，用于光刻掩模版的承载，保证光刻掩模版在正确位置；自动对准系统，几乎所有光刻机都具备自动对位能力，可减少人工干预和人为错误，提高加工效率和正确度；调平调焦测量系统，光刻机需在基片上成像，成像位置决定成像结果好坏，因此聚焦系统必不可少；框架减震系统，工作时需保证设备平稳和走位精确，防止震动碰撞影响产品质量；环境控制系统，光刻机内部需保证稳定温度和符合要求的空气环境，精密光路系统需惰性气体保证硬件质量，一般用空调保证内部温度22℃，通入氮气等惰性气体保压；掩模传输系统，负责光刻掩模版的装卸；投影物镜系统，可对光源发出的不同波长和入射角度的光进行筛选，减少衍射、干涉等光现象，只保留有效光；硅片传输系统，将加工产品从进片端移到曝光位置，完成曝光后送出已曝光硅片；工件台系统，为光刻机多个部件提供光滑、水平、干净的放置平台。

Q：大陆公司在光刻机供给方面的情况如何？

A：大陆公司在光刻机供给方面，上海微电子是我国第一家也是目前唯一的光刻机巨头，出货量占国内市场份额超过80%，产品主要涉及ArF、KrF和i-line领域，已具备90nm及以下的芯片制造能力。据东海证券援引ASML官网数据，2023年各类光刻机均价为：EUV（17386万欧元）、ArFi（7196万欧元）、ArFdry（2742万欧元）、KrF（1192万欧元）、i-Iine（399万欧元）。目前光刻机国产化率仅为2.5%，整机技术与海外差距较大，5 - 10年内90nm、28nm光刻机的研发量产较为关键。根据中国国际招标网信息，半导体设备招标中，刻蚀、沉积等核心设备的国产化率有较大提升，因我国相关企业在技术上逐步追赶上海外企业，但光刻机作为核心设备，国产化率不足3%，核心原因在于零组件供应与整机技术和海外差距较大。另外，同飞股份的液体恒温设备在半导体制造设备领域，主要应用于光刻机、刻蚀机、研磨抛光机等关键设备的温度控制。波长光电为国内激光光学元件的主要供应商，已具备提供光刻机配套的大孔径光学镜头的能力，其成功开发的光刻机平行光源系统可用于国产光刻机领域配套。

Q：投资光刻机相关领域有哪些风险需要提示？

A：投资光刻机相关领域，首先面临宏观环境风险，全球经济形势的不稳定、贸易摩擦等宏观因素，可能影响整个半导体行业的发展，进而对光刻机产业链造成冲击。产业政策变化也存在风险，半导体行业受政策影响较大，若相关支持政策出现变动，如补贴减少、税收优惠政策调整等，可能影响企业的研发投入和市场拓展。市场竞争加剧也是重要风险，尽管国内光刻机领域处于发展阶段，但全球范围内竞争激烈。国外老牌企业技术领先、市场份额大，国内企业在技术突破和市场份额争夺中面临巨大挑战，若不能在竞争中取得优势，企业的盈利和发展将受到限制。

Q：如何对光刻机进行分类？

A：光刻机通常按照芯片能够制造的制程来分类，而这又与光刻机所采用的光源波长紧密相关。在历史上，不同类型的光刻机有着不同的光源波长和对应的制程能力。例如，早期的光刻技术中，使用的光源波长较长，像汞灯作为紫外光源，从g线的436纳米逐步发展到i线的365纳米，对应的加工尺寸大概在0.5微米或者更往上。这类光刻机，如采用g线光源的，可能用于一些较为低端的制程，像在某些公测场景中，对芯片制程要求不高时会被使用。随着技术的发展，出现了波长更短的光源用于光刻机，制程能力也得到了提升。例如，KrF光刻机的波长在248纳米，其加工工艺一般处于几十纳米到100纳米出头的范围。再往高端升级，ArF光刻机的波长是193纳米，而浸入式光刻机通过特殊的光学设计，如使用透镜等，将波长等效到134纳米，目前它主要应用于28纳米及以下的高端制程。在全球范围内，海外最先进的是EUV光刻机，在10纳米以内的制程中应用较多。而国内，EUV以及一些高端的浸入式ArF光刻机由于受到禁运限制，目前在获取上存在困难。

Q：目前光刻机市场的竞争格局是怎样的？

A：当下，光刻机市场呈现海外垄断的局面，国内发展面临较大难度。在市场份额方面，荷兰的阿斯麦（ASML）占据了超过80%的市场份额，处于绝对领先地位。曾经在光刻机领域表现不错的佳能和尼康，如今已明显落后。从不同类型光刻机的出货量来看，在较为低端的i-line光刻机领域，阿斯麦的出货量相对较少，因为其业务更聚焦于中高端产品。而在全球范围内，佳能在i-line光刻机的出货量较多。在国内，一些整机的光纤设备公司正试图在i-line光刻机领域替代海外产品。对于KrF光刻机，阿斯麦的出货量在2024年遥遥领先，超过150台，而尼康的出货量较少，佳能大概为50台，差距十分明显。干法的ArF光刻机一年的出货量相对较少，这可能与对应的资产扩产规模较小有关，阿斯麦一年的出货量大概在28台。浸入式的ArF光刻机出货量则非常大，阿斯麦一年约为129台，尼康有一定数量，而佳能在这一领域直接处于空白状态。至于EUV光刻机，基本上只有阿斯麦一家能够生产。总体而言，从全球来看，光刻机产品越高端，垄断现象越明显。对于国内来说，由于仅有一家公司对大陆实施禁运，就会导致国内难以通过其他途径解决高端光刻机的供应问题，只能大力发展国产化替代。

Q：阿斯麦的光刻机产品有怎样的布局特点？

A：阿斯麦的光刻机产品编号众多，存在一个大规律，即数字越大，代表光刻技术越高端。例如，EUV系统基本都以3开头命名。以浸入式的DUV（深紫外光刻）来看，1980是其最低端的浸入式DUV系列，产品名称上一般会有“IN”标识来表示浸入式。再往上还有2200、2050等产品。而一些相对低端的单DUV产品，如之前提到的KrF等，就未被一一列举。在阿斯麦的产品布局中，分辨率是一个关键参数。分辨率与波长、数值孔径等密切相关。从光学公式来讲，分辨率由光刻光因子、光源波长、物镜的数值孔径以及光刻工艺因子决定。其中，光源波长越短，越有利于提升分辨率。在实际升级产品时，将出光波长越做越短是非常重要的一步。例如，在先进制程的加工中，更短的波长和更高的分辨率能够实现更高的精度，进而更容易保证较高的加工良率，这也是阿斯麦在产品研发和布局时重点考虑的因素。

Q：光刻机的内部结构是怎样的，各部分有什么作用？

A：光刻机最重要的组成部分与光相关，其核心构成包括光源系统、光路系统、掩模板、投影物镜以及工件台（一般为双工台）。光源系统并非简单的光源，它包含发光部件，光从发光部件产生后，还需要经过一系列如增益、透镜、滤光片等元件的处理。其作用是产生特定波长且满足光刻需求的光。光路系统则是按照设备设计，引导光沿着特定路径传输，并且在传输过程中会进行光束整形、调光等功能，以确保光能够准确、稳定地传输到后续部件。掩模板承载着芯片的电路设计图案，是光刻过程中的重要模板。投影物镜位于掩模板下方，它的作用是将经过光路系统传输和处理后的光，准确地投射到工件台上的芯片上，以实现对芯片的加工。工件台一般采用双工台设计，其中一个重要原因是双工台带有原位检测部分，该部分能够先对芯片位置进行精准定位，然后快速切换，从而有效提升整个光刻机的使用效率。整体来看，这些部分协同工作，从光源产生光，经过光路系统传输和处理，再通过掩模板和投影物镜将图案投射到工件台上的芯片，完成光刻加工过程。

Q：分辨率对光刻机为何重要，它由哪些因素决定？

A：分辨率对于光刻机至关重要，尤其是在如10纳米以内的高端芯片加工中，芯片尺寸本身极小，若光刻机分辨率达不到要求，整个加工能力将难以提升。从光学公式的角度来看，分辨率主要由光刻光因子、光源波长、物镜的数值孔径以及光刻工艺因子这三个参数决定。其中，光源波长起着关键作用，在技术发展过程中，我们可以看到，为了提升光刻机的分辨率和加工能力，不断将光源的波长做短是重要的发展方向。例如，早期光刻技术从汞灯的g线436纳米发展到i线365纳米，后续又发展到深紫外光源，如ArF的193纳米，再到浸入式技术将波长等效缩短等。物镜的数值孔径则由物镜的物理设计所决定，它对分辨率也有着重要影响。光刻工艺因子同样在分辨率的确定中发挥作用。在不同的光刻阶段，这些参数的变化趋势也有所不同，例如随着制程工艺的进步，对光源波长的要求越来越短，对物镜数值孔径等参数的设计也不断优化，以满足更高分辨率的需求，从而实现更先进制程的芯片加工。

Q：光刻机有哪些核心组成部分，它们分别发挥着怎样的作用？

A：光刻机的核心组成部分包括光源、镜头和工作台，每个部件都极为复杂，需精心设计以确保精度、效率和稳定性。光源系统作为整个光刻机的能量来源，具有至关重要的地位。其重要性主要体现在两个关键指标上，一是要让输出的波长越做越短，二是出发的波长必须达到一定功率。例如，若波长能做到很短，但功率仅为十几瓦甚至几十万瓦，是无法满足行业加工要求的。从光源分类来看，像I线、H、基线等，通常采用汞灯光源就可满足需求；而KRF、ARF等，则对应不同的发光介质；到了应用端，如极紫外光刻（EUV），是通过击打锡（Sn）来发出13.5纳米的光。当波长达到13.5纳米后，EUV的原理与深紫外光刻（DUV）及更低端的光刻技术截然不同，它必须采用全反射原理，因为如此短的波长，若穿透任何镜片都会被吸收，导致功率不足。全球范围内，EUV光源的供应商主要有美国和日本的两家公司，处于高度垄断状态。在光刻机的价值构成中，光源系统的价值量占比相对较高，大约能达到十几个百分点，是光刻机三大系统中的重要组成部分。

Q：曝光系统在光刻机中扮演着怎样的角色，它又包含哪些部分？

A：曝光系统在光刻机中起着关键作用，它是除光源系统外，与光刻紧密相关的重要部分。曝光系统主要分为照明系统和投影物镜两大部分。照明系统涵盖了整个光路，从激光器发出的光经过光源系统后，会经过一系列的反射镜、透镜等元件，其中包括光束整形装置，其作用是将光源发出的光整形成符合实际光刻需求的规整形状，比如将不够规整的圆形光调整为更标准的圆形。还有匀光系统，它能使圆形光斑内各个位置的光束能量分布均匀。之后光线会经过掩模板，再到达投影物镜系统。从价值量排序来看，投影物镜的价值量最高，其次是照明系统，最后是光源系统。不过，由于照明系统包含的部件众多，其总体价值量可能略高于光源系统。从难度程度排序，投影物镜系统和照明系统在某种程度上难度相当，然后是光源系统。在照明系统中，像匀光系统等部分技术难度较高。例如，MMAA微反射镜阵列是照明系统中较为重要的部件，它由众多微反射镜组成，当这些微反射镜运动时，能够对光束的形状进行改变和整形，对光刻质量有着重要影响。

Q：投影物镜系统的设计难点体现在哪些方面？

A：投影物镜系统的设计难度极大。随着光刻机不断升级，波长越来越短，光刻技术越来越高端，投影物镜系统呈现出两个明显变化：一是镜片直径不断增大，二是镜片数量显著增多。在一些高端光刻机中，内部可能包含二三十个镜片，且每个镜片的形状各异，有凸透镜、凹透镜，有用于汇聚光线的，也有用于分散光线的。其设计难点在于，当输入193纳米的光时，如何精确聚焦，最终能聚焦到多大的光斑，这涉及到复杂的光学公式计算以及整个光学系统的精密设计。此外，镜头并非完全固定，部分组件需要具备微调功能，因为长时间使用后，一些部件可能会出现错位，需要通过微调使其恢复到良好状态。镜头中还包含诸如罗蒙元件以及传感器等。在设计环节，需要精确计算每颗芯片的尺寸、类型（如凸物镜的凸出幅度）、直径，以及芯片的排列顺序、芯片之间的距离等。从全球范围看，ASML的镜头主要由蔡司公司负责制造，蔡司在光刻机产业链中占据着重要地位。国内的情况通常是一些供应商完成镜头设计后，交由专门的镜片生产公司进行生产制造。

Q：工作台在光刻机中起到什么作用，它的难点主要集中在哪些方面？

A：在光刻机曝光过程中，路径保持不动，而工作台负责移动。工作台的难点首先体现在要具备强大的承载能力，且不能受到外界因素的干扰。同时，要保证芯片能够以一定速度稳定运行，这个速度既不能过慢影响生产效率，又要确保运行的稳定性。除此之外，工作台上面的传感器是极为核心的部分。由于光刻时光束非常小，加工尺寸也极其微小，因此需要通过工作台上面的传感器来实现芯片与光束的精确定位。然而，关于工作台传感器的信息，公开资料相对较少。在高端光刻机领域，全球范围内可能只有一家公司能够生产相关的传感器，并且部分高端传感器甚至依赖手工制作，由经验丰富的老师傅完成，其专业性和独特性可见一斑。这也凸显了工作台传感器在整个光刻机系统中的核心地位和重要性。

Q：国内在光刻机相关领域有哪些公司，当前对光刻机赛道的看法如何？

A：我们对国内相关的光刻机公司进行了梳理，但由于当时制作PPT的时间较早，可能存在部分新崛起的公司未被纳入。各个公司的具体情况，欢迎会后与我们进一步交流探讨。从当前形势来看，光刻机赛道与科技发展紧密相连，在当下环境中，我们十分看好这一赛道。该赛道具有独特优势，不受短期业绩和估值的过多束缚，并且正处于从0到1的关键发展阶段。因此，现阶段我们重点推荐中芯国际，以及光刻机产业链中的相关标的。在光刻机产业链标的中，福晶科技和阿石创是重点推荐对象，其中阿石创是光刻机产业链中较新的概念股，而福晶科技更是极为核心的标的。值得注意的是，从2024年年底至今，福晶科技的股价处于滞涨状态。此外，像华辰装备、波长光电等其他核心公司，我们也会持续关注和推进研究。因为一旦科技板块迎来发展契机，往往会引发整个板块的行情，光刻机赛道作为科技板块中的关键一环，其潜力不容小觑