光刻机行业深度报告：博采众星之光点亮皇冠明珠-华福证券

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1、博采众星之光博采众星之光，点，点亮亮皇冠明珠皇冠明珠 光刻机行业深度报光刻机行业深度报告告证券研究报告|行业深度报告 电子行业评级 强于大市 (维持评级)2023年11月23日 集成电路的工序之复杂与精细堪称人类工业文明的皇冠，而光刻机则是这个皇冠上的明珠。随着半导体产业不断迭代，其加工工艺亦面临重重挑战。而在芯片生产过程中最大的挑战之一，即是光刻工艺，其决定了芯片晶体管尺寸的大小，从而直接 影响芯片性能和功耗。作为光刻技术的关键设备，光刻机单台价值量高达上亿美元，其购置成本达到半导体设备总投资的20%以上，是芯片制造前道工艺七 大设备之首。光刻机之复杂程度堪称人类科技之巅。一方面，光刻机制造

2、是多学科交织的极其复杂的工程，其研发集成了精密光学、精密运动学、高精度微环境控制、算 法、微电子、高精度测控等多学科全球最顶尖工程师和科学家的智慧。另一方面，光刻机是一整套完整的纳米工业体系，要产出纳米级精度的芯片，需要其 背后的光源系统、光学镜头系统、精密运动和环境控制系统、测量系统、聚焦系统、对准系统等模块全部达到纳米级精度，并且高度集成和协同，每一个子 系统的技术迭代成果均蕴含了该领域最前沿的高精尖技术。毫不夸张地说，光刻机是人类工业文明的巅峰之作，是现代工业体系皇冠上的明珠。光刻机这颗璀璨的明珠是ASML博采众家之长和持续高强度战略投入的结晶。自上世纪80年代起，围绕着光刻机分辨率、套

3、刻精度、生产效率等关键要素的提升，一批光刻机制造商相继展开角逐。而ASML凭借双工件台、浸没式技术 和EUV的里程碑式重大突破，一步步将光刻工艺推向新的高度。当前，ASML独占全球中高端光刻设备出货量的95%，成为当之无愧的全球光刻设备霸主。综观ASML崛起的历史，其之所以能用30年时间建立极高的壁垒，离不开其高强度投入和供应链整合。一方面，ASML极为重视技术更新迭代，一直投入大量 资金，并最终转化为技术护城河。ASML研发支出多年持续上涨，2022年研发支出已达到241.50亿元。另一方面，ASML利用已有的制造业产业链打造自己 的生态体系。在上游端，ASML通过收购与投资40余家产业链核

4、心优质公司以占据技术制高点；在下游端，ASML与英特尔、台积电和三星等巨头开展深度合 作，举众多半导体龙头企业之力推动其光刻机的迭代出新。景气周期&自主可控驱动成长，国内厂商逢山开道砥砺前行。据SIA数据显示，2023年9月全球半导体销售额环比增长1.9%，至此，全球半导体销售额已实现连续七个月的环比增长，半导体景气回升或已接近破晓时分。与此同时，AI芯片、高性能计算、汽车等领域的强劲需求持续推动半导体资本开支的增长，SEMI指出，自2024年起全球前端的300mm晶圆厂设备支出将恢 复增长，预计2024年增长12%至820亿美元，2025年增长24%至1019亿美元，并在2026年达到118

5、8亿美元的历史新高。鉴于光刻机产业链极高的技术壁垒，以及不可或缺的产业地位，在海外对华先进技术严密管控的当下，该领域的自主可控具有十分紧迫的战略价值。工欲善其事，必先利其器。虽然起步较晚，且基础薄弱，但国内光刻机产业链从业者正在积极追赶，补足短板，并在相关零部件、光学部件、激光器件、双 工件台、掩膜版等领域取得一定进展。假以时日，随着国内半导体产业链上下游协同攻关，产业政策积极引导，以及多方资本有力加持，国产光刻机及相关 供应链有望顺利扬帆，并为科技信息产业发展保驾护航。投资建议：建议关注光刻机产业链整机及相关零部件公司，包括：上海微电子 (未上市)、华卓精科 (未上市)、科益虹源 (未上市)

6、、苏大维格、晶方科 技、新莱应材、腾景科技、茂莱光学、炬光科技、福晶科技、福光股份、美埃科技、清溢光电、路维光电、芯碁微装。风险提示：下游需求不及预期风险、相关企业业务开展不及预期风险、设备国产化进程不及预期风险、半导体行业资本开支不及预期、地缘政治风险。投资要投资要点点2 第一部分：半导体工艺及光刻简介 第二部分：光刻机及其子系统工作原理 第三部分：光刻机竞争格局与行业发展趋势 第四部分：他山之石ASML光刻巨头崛起之路 第五部分：投资建议及国产光刻机供应链相关公司 第六部分：风险提示目 录31.1.1 光刻工艺在产业链中的位置半导体芯片生产主要分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节。核心

7、IC制造环节是将芯片电路图从掩膜转移至硅片上，并实现对应功能的过程，包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。资料来源：晶瑞股份招股说明书，中芯国际招股说明书，华福证券研究所整理 4抛光机扩散炉 退火炉 通过改变掺杂物的浓度以提高 电学性能，有两种方式：扩散：高温下杂质原子从高浓 度向低浓度区域扩散；离子注入：使用各种离子化学 杂质轰击晶圆表面暴露区。刻蚀机涂胶显影设备清洗机光刻机1.1 晶圆制造及光刻工艺流程将显影后暴露出来的 氧化层去除掉，使得 下面的硅晶体表面露 出来。刻蚀分为湿法 刻蚀和干法刻蚀。溶解光刻胶。刻蚀工艺会引入金属 污染，可通过使金属 原子氧化变成可溶性 离子

8、来清洗硅片。紫外光透过掩膜 版照射到晶圆表 面，掩膜版透明 区域所对应的光 刻胶部分转变为 可溶性物质。通过物理气相沉积或化学气 相沉积，在晶圆上生长出导 电薄膜层和绝缘薄膜层。通过化学腐蚀与机械研磨，实现晶圆表面多余材料的去 除与全局纳米级平坦化。工 艺 原 理光刻胶化合物基底曝光后，在晶圆表 面喷涂化学显影剂，曝光区域的光刻 胶被溶解。图表1：半导体芯片生产工艺流程图扩散、离子注入、退火工 艺 设 备抛光去胶、清洗光刻胶 化合物 基底 工 艺 流 程电路布图光刻刻蚀显影离子注入机薄膜沉积n n +光掩膜制作n n +功能实现n +掩膜n P+P+P+P+P+P+1.1.21.1.2 光刻工

9、艺流光刻工艺流程及原理程及原理 光刻是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，是集成电路制造工艺发展的驱动力。光刻的本质是把电路结构图 “复制”到硅片上的光刻胶上。一般的光刻工艺要经历八道工序：气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准曝光、后烘 、显影、坚膜烘焙和检测。图表2：光刻工艺流程图硅片与石英掩膜对准并聚焦后，使用紫外 光照射，未受掩膜遮挡部分的光刻胶发生 光化学反应，转化成一种易溶于水基碱性 显影液的羧基酸。实现电路图从掩膜到硅 片上的转移。清洗和检测对曝光后的晶圆进行第二次烘烤，高温 烘焙引起的扩散使光刻胶变得更平坦，光化学反应更充分。首先用六甲基二硅胺烷在硅片 在

10、硅片表面分滴光刻胶，随后承托 随之对硅片进行软烘，将光刻胶中上形成底膜，该底膜使硅片表 硅片的吸盘旋转，光刻胶借助离心 残余的溶剂含量从20-40%减少到 面疏离水分子，同时增强对光 作用伸展到整个硅片表面，在硅片 3-8%，提高光刻胶的粘附性和均刻胶的结合力。上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。匀性。坚膜烘培显影后热烘温度比软烘高，但不高于 光刻胶的玻璃转变温度，否则光刻胶 会软化。目的是蒸发剩余的溶剂使光 刻胶变硬，提高光刻胶的粘附性。资料来源：NSCN，半导体集成电路制造手册，华福证券研究所整理 5显影使用化学显影液溶解由曝光造成的 光刻胶可溶解区域，从而露出下面 的硅片，使掩膜上的图形被存留

11、在 光刻胶上。1.11.1 晶圆制造及光刻工艺流晶圆制造及光刻工艺流程程最后将硅片清洗干净，并对芯片 结构、电学性能和可靠性等进行 测试和评估。气相成底膜旋转涂胶对准曝光软烘后烘1.2.11.2.1 光刻工艺核心设备光刻工艺核心设备，成本昂贵技，成本昂贵技术复杂术复杂光刻工艺是芯片生产流程中最复杂、最关键的步骤，而光刻机是光 刻工艺的核心设备，其重要性源于三个方面：第一，光刻机价值量 位列IC制造设备的榜首；第二，光刻机凝聚众多顶尖技术，壁垒极 高；第三，光刻机定义集成电路尺寸，推动摩尔定律前进。从成本上看，在整个集成电路的制造过程中，往往需要进行2030 次光刻工序，所以光刻一般会耗费总成本

12、的30%，耗费时间约占整 个硅片工艺的40%-60%。而光刻机在所有IC制造设备中同样位居价 值量榜首，据Utmel Electronic数据显示，光刻机投资额占全部IC 制造设备的25%。从技术上看，光刻机是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备 ，是现代工业的集大成者。光刻机集合了数学、光学、流体力学、图表3：产线中晶圆制造设备投资额占比图0.030.020.070.250.080.10.10.10.150.1光刻设备刻蚀设备薄膜沉积设备 切割设备前端测试设备 包装设备测试封装设备 清洗设备离子注入设备 晶体生长设备高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领

13、域等多项顶尖技术，其制造和研发需要高度的技术积累和持续的投入。光刻机具备极高的技术含量和单台价值量。资料来源：Utmel官网，华福证券研究所整理1.21.2 光刻机在晶圆制造中的重要地光刻机在晶圆制造中的重要地位位6 1.2.21.2.2 决定集成电路尺寸决定集成电路尺寸，推动摩尔定律，推动摩尔定律前前进进 光刻工艺决定了晶体管尺寸的大小 晶体管是芯片的基本单元，一片硅片由数千、数万或数亿的晶体管组成。如图表4，在晶体管的栅区和衬底间加上电压后，电流可以从源区传递到漏区，形成电信号，而源区和漏区对应 的两个N阱间的距离即为导电沟道的长度，该长度即晶体管的尺寸，即线宽，也就是我们常说的芯片制程。

14、由于晶体管中的电子一般以饱和速度运行，因此信息传递速度由导电沟道长度决定。晶体管导电沟道越短，则 信号传递速度越快，单位时间内芯片处理的信息越多；同时，单位面积芯片的晶体管也更多，成本相应降低。因此，晶体管线宽指标越小代表了芯片性能越好，即芯片制程有逐步减小的技术需求，而光刻工艺决定了晶体 管尺寸的大小及制程技术节点的推进。光刻机是延续摩尔定律和推进芯片制程技术节点演进的关键 根据摩尔定律，芯片制造商可以在保持相同成本的情况下，每两年将一片相同尺寸的集成电路晶片上的晶体管 数量增加一倍，从而使得芯片集成度及性能不断提高，且单个晶体管平均造价以每年30%35%的速度下降。在该原则的指导下，半导体

15、行业不断进行技术转型，芯片制程的技术节点不断发展，而该过程也伴随着光刻机 的不断升级和创新。所以，光刻机是延续摩尔定律的关键。电压源区 栅区 漏区N-阱 电流 N-阱P-阱1.21.2 光刻机在晶圆制造中的重要地光刻机在晶圆制造中的重要地位位资料来源：中芯国际招股说明书，Wikipedia，华福证券研究所整理芯片电路结构解剖图晶体管两个N-阱间的距离为导电沟道导电沟道的线宽代表了工艺制程一片晶圆通常包含几千颗芯片资料来源：ZOL，华福证券研究所整理图表4：光刻工艺决定晶体管尺寸图表5：摩尔定律7 1.3.11.3.1 光刻机的分光刻机的分类类 根据工作原理进行分类根据工作原理进行分类 光刻技术

16、实质上是IC芯片制造的图形转移技术，该图像转移的过程包括把设计图纸上的图形转移到掩膜基板上，再把掩膜版上的图形转移 到晶圆表面光刻胶上，最后再把晶圆表面光刻胶图形转移到晶片上，整个图形转移过程涉及到的光刻机类别众多。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，具体分类如下图所示。资料来源：华福证券研究所整理 81.31.3 光刻机的分类及发展历光刻机的分类及发展历史史步进重复式光刻机带电粒子直写光刻掩膜光刻纳米压印光刻扫描投影式光刻机步进扫描式光刻机接近式投影式光刻机类型接触式激光直写光刻机离子束直写光刻机直写光刻电子束直写光刻机光刻机的分类无掩膜光刻图表6：步进扫描式方案的运动包含步进运动和 扫描运动：扫描运动中，掩膜台和硅片 台反向运动，完成一个Die的曝光过程；步进运动中，通过步进器将硅片台的曝 光位置从一个Die移动到下一个Die。该 方案进一步缩小曝光区域，降低了光学复杂度，提高了精度和均匀性。1.3.1 光刻机的分类 根据工作原