1、光刻机行业发展研究报告核心要点重中之重，前道设备居首位。光刻机作为前道工艺七大设备之首（光刻机、刻蚀机、镀膜设备、量测设备、清洗机、离子注入机、其他设备），价值含量极大，在制造设备投资额中单项占比高达23%，技术要求极高，涉及精密光学、精密运动、高精度环境控制等多项先进技术。光刻机是人类文明的智慧结晶，被誉为半导体工业皇冠上的明珠。冲云破雾，国产替代迎曙光。目前全球前道光刻机被ASML、尼康、佳能完全垄断,CR3高达99%。在当前局势下，实现光刻机的国产替代势在必行，具有重大战略意义。在02专项光刻机项目中，设定于2020年12月验收193纳米ArF浸没式DUV光刻机，其制程工艺为2
3、等。目录一、光刻机投资逻辑框架国产光刻机产业链：按图索骥ASML光刻机产业链：集成全球工艺光刻机公司地图概览：前道光刻，一家独大从0到1，国产光刻机如何破局二、光刻机详解：现代光学工业之花三、光刻机的全球视角四、国产光刻机之路：路漫漫其修远兮国产光刻机产业链中芯国际华润微华虹宏力光刻配套设施上微电芯硕半导体影速半导体光刻胶光刻气体光刻核组件福晶科技科益虹源国产光刻机产业链：按图索骥双工作台光源系统华卓精科心浸没系统启尔机电曝光系统国科精密物镜系统奥普光电国望光学光栅系统上光所华特气体雅克科技光掩模版涂胶显影缺陷检测精测电子东方晶源南大光
9、艺定义了半导体器件的尺寸，是芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤。光刻机是光刻工艺的核心设备，也是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域等多项顶尖技术。光刻的工艺水平直接决定芯片的制程和性能水平。光刻机的演变及历史性转折。根据所用光源改进和工艺创新，光刻机经历了5代产品发展，每次光源的改进都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。在技术节点的更新上，光刻机经历了两次重大变革，在历次变革中，ASML都能抢占先机，最终奠定龙头地位。顶级光刻机的尖端工艺。目前业内最先进的是采用波长1
10、3.5nm极紫外光的第五代EUV光刻机，可实现7nm工艺制程，技术要求极高，单台价值为1.2亿欧元，ASML成为全球唯一一家能够设计和制造EUV光刻机设备的厂商。核心要点光刻：IC制造中的关键环节半导体芯片产业链分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节。光刻的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上，是IC制造的核心环节，也是整个IC制造中最复杂、最关键的工艺步骤。通过激光或电子束直接写在光掩模板上，然后用激光辐照光掩模板，晶圆上的光敏物质因感光而发生材料性质的改变，通过显影，便完成了芯片从设计版图到硅片的转移。IC制作工艺流程基底化合物基底化合物光胶基底化合物光胶基底化合物基底基
16、m易受污染，掩模版寿命短接近式光刻机800-250nm成像精度不高第二代i-line365nm接触式光刻机800-250nm易受污染，掩模板寿命短接近式光刻机800-250nm成像精度不高第三代DUVKrF248nm扫描投影式光刻机180-130nm采用投影式光刻机，大大增加掩模版寿命第四代ArF193nm步进扫描投影光刻机130-65nm最具代表性的一代光刻机,但仍面临45nm制程下的分辨率问题浸没式步进扫描投影光刻机45-22nm第五代EUV13.5nm极紫外光刻机22-7nm成本过高，技术突破困难光刻机工作原理图ASMLTwinscan简易工作原理图光刻机的工作原理：在IC制作过
18、SML官网，电子发烧友，方正证券研究所环境控制系统掩模传输系统投影物镜系统硅片传输系统工作台系统整机软件系统整机控制系统光源系统掩模台系统自动校准系统调平调焦测量系统框架减震系统激光光束传输投影镜片操作控制单元光源晶圆传输系统掩模台扫描晶圆台Airmounts光刻机（激光器）光刻机总体结构光刻机的构造：照明系统Stage系统镜头组搬送系统Alignment系统光刻机性能指标：基片尺寸范围分辨率对准精度曝光方式光源波长光强均匀性生产效率分辨率套刻误差1m500nm40090nm10038nm3216nm250nm100nm10012nm204nm2nmPAS5500TwinscanXT-
19、NXTTwinscanNXE198419891990s2000s2010sPAS5000PAS2000光刻机的发展历程ASML光刻机升级历程ASML成立于1984年，当时正是日本半导体如日中天的时代。日本半导体的成功背后，是尼康和佳能两大光学巨头的光刻设备，以及东京电子、日立、迪恩士等一系列配套厂商的支持。1994年ASML的市场份额只有18%，但设计超前的8英寸PAS5500以及1995年IPO给ASML带来了机遇。台积电、三星和现代（后来的Hynix）率先决定几乎全部改用ASML的机器，而1995年东芝、西门子和IBM联盟考虑到和佳能的合作，开始没有选择ASML。最后的结局是：
25、ECH，方正证券研究所EUV光刻机的工艺需求大功率EUV电源激光等离子体磁极磁极中间聚焦收集镜EUV收集镜13面镜的示例系统难点一：在ASML的光刻机中，光源需要以每秒五万次的频率，用20kW的激光来击打20微米的锡滴，使液态锡汽化为等离子体，从而产生极紫外光(EUV)。难点二：ASML的EUV光刻机可以实现13纳米的分辨率。难点三：ASML无尘室内的空气比外部干净1万倍，为了实现这个目标，无尘室的通风设备必须每小时净化30万立方米的空气。难点四：在ASML的高数值孔径EUV设备中，为了能精确达到10纳米以下的线宽以及1纳米以内的套刻精度，聚焦反射器必须非常平整。EUV光刻技术示意图资料
30、备能让微芯片变得更小、更强大、更节能、更经济。工业质量与研究蔡司业务分类确保满足质量标准并应用于科研。工业和科学界使用蔡司坐标测量机、显微镜系统和软件解决方案以发现非常细小的结构和细微的过程。作为眼镜、电影和相机镜头以及双筒望远镜、观测镜和瞄准镜的优秀制造商，光学消费品市场创造了许多令人难忘的时刻。光学消费品市场半导体制造技术塑造医疗进步。蔡司为眼科、神经外科、耳鼻喉科、牙科和肿瘤学等提供的产品和解决方案帮助患者提高生活质量。医疗技术光刻机上游核心：光源光源则是高端光刻机另一核心部件，光源波长决定了光刻机的工艺能力。光刻机需要体积小、功率高而稳
32、间光刻机的全球市场格局海外巨头概览四、国产光刻机之路：路漫漫其修远兮核心要点光刻机的全球市场空间。受益于下游需求旺盛，光刻设备有望量价齐升带动市场空间不断增长。量：晶圆尺寸变大和制程缩小将使产线所需的设备数量加大，12寸晶圆产线中所需的光刻机数量相较于8寸晶圆产线将进一步上升。同时预计2020年随着半导体产线得到持续扩产，光刻机需求也将进一步加大。价：随着芯片制程的不断升级，IC前道光刻机制造日益复杂，其价格不断攀升。光刻机的全球市场格局。目前光刻机行业已经成为一个高度垄断的行业，行业壁垒较高，全球前道制造光刻机市场基本被ASML、尼康、佳能垄断，CR3高达99%。ASML一家独
33、占鳌头，成为唯一的一线供应商，Nikon高开低走，但凭借多年技术积累，勉强保住二线供应商地位；而Canon只能屈居三线；上海微电子装备（SMEE）作为后起之秀，暂时只能提供低端光刻设备。对标ASML：他山之石可以攻玉。在IC前道光刻机领域，ASML一家独大，高端EUV光刻机市占率高达100%。总结ASML的崛起之路：1、在全球维度，通过并购、入股获取光刻机各项关键子系统的尖端技术，贯通上游产业链，再进行整机集成；2、针对顶尖工艺的巨额研发投入。2021年将会是全球晶圆厂设备支出的标志性一年，增长率为24，达到创纪录的677亿美元，比先前预测的657亿美元高出10，所有产品领域都有望
37、从全球角度来看，半导体前道光刻机长期由ASML、尼康和佳能三家把持，从2012-2019历年全球半导体前道光刻机出货比例可以看出，ASML，尼康，佳能三家公司几乎占据了99%的市场份额，其中ASML光刻机市场份额常年在60%以上，市场地位极其稳固。2012-2019年的半导体前道光刻机市场份额变化2011-2019年三大公司各品类累计出货量（台）0%10%20%30%40%50%60%70%20122013201420152016201720182019ASMLNikonCanon018001600140012001000800600400200CANONASMLNIKONEUVARFI
40、竞购竞争对手，不断布局光刻机领域关键技术；同时加强与三星，英特尔和台积电等世界顶级芯片制造商的通力合作。ASML通过携手行业上下游，不断巩固市场龙头地位。1995飞利浦出售其剩余股份，ASML成为一家完全独立的上市公司，在阿姆斯特丹和纳斯达克证券交易所上市2000收购了硅谷集团，并将康涅狄格州的威尔顿作为研发和制造地点2001推出了TWINSCAN系统及其革命性的双阶段技术2007发运了第一个浸入式系统，收购了领先的半导体设计和制造优化解决方案提供商BRION2012与三个主要客户-英特尔，台积电和三星共同开发了客户联合投资计划2016-2017通过收购H
43、学（透镜）反射光学（布拉格反射镜）准分子激光源激光等离子体源浸没式（NAofwater=1.33）真空度（NA=0.33）ASML：创新的股权结构ASML为了筹集EUV光刻机的研发资金，于2012年提出“客户联合投资计划”：客户可通过注资的方式成为股东后拥有优先订货权。这样一来，ASML的研发资金压力转移到了客户身上，客户需要为先进光刻技术的研发买单，但同时也会拥有对先进技术的优先使用权。该计划一经推出，ASML以23%的股权共筹得53亿欧元资金。ASML在2019年共向客户交付了26台极紫外光刻机。其中，有9台是最新型号，即NXE:3400C，这些新型号的光刻机被用于7nnEU
45、18.2亿欧元（约907.3亿人民币），同比增长8%，净利润为25.9亿欧元（约198.9亿人民币），同比增长3%。未来逻辑芯片客户强劲的需求将弥补在存储芯片方面的需求减缓。由于半导体领域的技术创新，以及5G技术的成熟推动多种场景的落地，ASML预计未来营收将实现稳步增长。ASML2014-2019年营收及增长ASML2014-2019年归母净利润及其增长35%30%25%20%15%10%5%0%140120100806040200201420152016201720182019营业收入(亿欧元)营收同比增长0%10%20%30%40%50%0.005.0010.0015.0020.002
53、引领未来ASML当前的生产是使用0.33NA数值孔径系统完成的，未来计划在3nm处引入0.55NA的形变镜头，可以提高光刻机的分辨率和生产率。毫无疑问，EUV现在是用于领先工艺的关键光刻的首选解决方案，将支持未来十年的应用。EUV技术扩展到0.33NA和0.55NA支持超出了未来十年的应用EUV将延伸到0.33NA以提供最先进广泛的覆盖和节点到节点的生产力改进EUV0.33NA201620172018201920202021202220232025NXE3350BNXE:3400B2.5nm|125wph2.0nm|125wphOverlayTput1.5nm155NXE:3400C
59、.93亿日元，下滑幅度高达88.40%。图像产品收入同比减少最为严重，2020年受到舆情的影响，市场对于高端产品的需求反弹缓慢，不排除连续明年亏损的可能性。尼康2014-2019年营收及增长率尼康2014-2019年扣非后归母净利润及增长率-20%-15%-10%-5%0%5%10%15%1,000,000900,000800,000700,000600,000500,000400,000300,000200,000100,00002014201520162017营收（百万日元）20182019同比增长%900%800%700%600%500%400%300%200%100%0%-100%-