一文读懂光刻机技术及产业架构

◾光刻机：半导体制造业皇冠上的明珠，技术壁垒极高。光刻（Lithography）技术是指在特殊波长光线或电子束作用下，借助光刻胶，将设计在掩膜版上的集成电路图形转移到基片（硅片）上的图形精密表面加工技术。光刻机是光刻工艺的核心设备，是精密光学、精密运动学、高精度微环境控制、算法、微电子等先进技术的集大成者。光刻机的四大核心模组分别为光源模组、照明光学模组、光罩模组和晶圆模组。其中曝光系统、物镜、工件台等成本占比较高。

◾高端光刻机市场ASML一家独大，国产光刻机曙光初显。

根据SEMI数据测算，2022年全球集成电路用光刻机市场规模约180亿美元，中国大陆光刻机市场约30亿美元。从ASML、Canon、Nikon三家头部光刻机厂商出货机台数来看，ASML一家垄断高端EUV市场，在浸没式DUV设备（ArFi）、ArF光源DUV设备分别占95%、87%。

上海微电子(SMEE)在光刻机领域有多年积累，目前最先进的前道光刻设备SSA600/20步进扫描投影光刻机，采用ArF光源，4倍缩小倍率的投影物镜，可满足IC前道90nm光刻工艺要求。2017年公司承担的02重大科技专项任务“浸没光刻机关键技术预研项目”通过了验收，目前公司正推进ArFi DUV的研发，若能顺利跑通，将是国内晶圆制造全国产化产线的一大步迈进。除了SMEE外，中科院长春光机所、中科院光电所也参与光刻机研发。国内还有西安光机所、上海光机所等光学精密机械研究所。国产光刻机发展必将借助“举国体制”之力，重点关注SMEE和几大科研院所的研究进展以及其参股资产的投资机会。

◾整机进展未来可期，光刻机零部件先行。ASML的上游供应商包括美国Cymer、日本Gigaphoton（光源）、德国Zeiss（光学镜头）、美国Lumentum（激光器）等，一台光刻机由数万个零件构成，以ASML的50%的毛利率为参考，国内光刻机零部件的市场空间超100亿元。国内目前在光刻机产业链多环节已经形成一定的配套能力，合力共赢，建议积极把握零部件的投资机会。非上市公司方面：上海微电子（整机）、北京科益虹源（光源）、国望光学（光学镜头）、华卓精科（双工件台）、浙江启尔机电（浸没系统）；上市公司：茂莱光学（DUV光学透镜），炬光科技（光刻机用光场匀化器），美埃科技（保障洁净环境）。以及有望参与国产光刻机研发，助力产业发展的福晶科技（国内领先的光学晶体企业，配套激光器件一体化），奥普光电（光栅编码器国内技术领先）。

◾建议关注：

光刻机相关标的：茂莱光学、福晶科技、炬光科技、奥普光电、美埃科技；

其他半导体设备：北方华创（本月金股）、拓荆科技、芯源微、华海清科；

半导体材料：华懋科技、华特气体、彤程新材、雅克科技等。

◾风险提示：

美国制裁蔓延至成熟制程、国内光刻机研发进展不及预期、产能建设进度不及预期。

一、推动产业高质量发展，光刻机乃重中之重

伴随着两会的召开，国内集成电路的发展引发业界的高度关注。两会前夕，刘鹤副总理调研北京集成电路企业，并表示发展产业需要发挥新型举国体制优势。两会上，诸多人大代表也针对国内集成电路发展献计献策。此外，工信部、国务院、国资委均在近期召开的重要会议上，谈及集成电路发展，可见对产业的高度重视。本周，工信部提出：壮大数字经济核心产业，推动集成电路、工业软件产业高质量发展；国资委提出：要更大力度布局前瞻性战略性新兴产业，在集成电路、工业母机等领域加快补短板强弱项。

我们在年度策略中提出，2023年科技行业的投资聚焦三条主线：1）半导体的自主可控与周期复苏；2）其他电子品的结构性机会；3）政策引导下的数字经济。并强调，自主可控势在必行，集成电路上游的制造、设备材料和零部件均存在长期的投资机会。光刻机作为“卡脖子”关键环节，也是市场关注的焦点。本周，我们对光刻机产业链相关机会做一个简单梳理。

光刻（Lithography）技术是指在特殊波长光线或电子束作用下，借助光刻胶，将设计在掩膜版上的集成电路图形转移到基片（硅片）上的图形精密表面加工技术。完成图形转移需要经过一整套复杂的工艺过程，包括涂胶、曝光、显影、刻蚀等。

首先通过旋转涂敷法，在硅片表面涂一层光刻胶，光线通过掩模版，引起曝光区域和光刻胶发生化学反应，再利用显影技术溶解去除曝光区域的光刻胶（以正性光刻胶为例），从而使掩模版的图形反映在光刻胶上，最后通过化学或者物理溅射的方式进行刻蚀，将没有被光刻胶保护的氧化层（SiO2）部分去除，将图形转移到基片上。

光刻机：半导体制造业皇冠上的明珠，技术壁垒极高。光刻机是光刻工艺的核心设备，也是所有半导体设备中难度最高、最难突破的一环。其原理是将高能镭射光穿过掩模版，经过物镜补偿各种光学误差，从而将掩模版上的图形缩小1/16后成像在预先涂制好光刻胶的晶圆上。可以说光刻机是精密光学、精密运动学、高精度微环境控制、算法、微电子等先进技术的集大成者。

光刻机的四大核心模组分别为光源模组、照明光学模组、光罩模组和晶圆模组。具体来看，紫外线通过光源模组（激光器）生成，被导入到照明模组，并在此处检测并控制光的能量（能量控制器、能量探测器），并设置光的形状。穿过光罩后，投影物镜将影像聚焦在光刻胶上。光罩模组可分为光罩传送模组和光罩平台模组，前者负责将光罩从盒中传送到平台上，后者负责承载光罩并快速来回移动，形成扫描式。晶圆模组光罩模组类似，由传送模组和平台模组构成。传送模组通过机械臂将晶圆放置，要保证准确度（位置差距在微米级），因此在曝光前需要先行测量，双工件台（双平台模组）的作用是在前一片晶圆曝光的同时，对下一片晶圆进行精准量测，从而提升光刻效率。

高端光刻机市场ASML一家独大，国产光刻机曙光初显。根据SEMI数据测算，2022年全球集成电路用光刻机市场规模约180亿美元，ASML独占150亿美元左右，其中，中国大陆占14%，约22亿美元，考虑在佳能、尼康的采购，中国大陆光刻机市场在30亿美元左右。

从ASML、Canon、Nikon三家头部光刻机厂商出货来看，ASML一家垄断高端EUV市场，在浸没式DUV设备（ArFi）、ArF光源DUV设备分别占95%、87%。仅在低端的i-line光源设备上，市场份额主要由Canon把持。

上海微电子完成90nm光刻机出货，加快浸没式设备研发，众科研院所齐发力。上海微电子(SMEE)在光刻机领域有多年积累，2008年完成十五光刻机重大科技专项验收，2016年开始交付国内首台前道扫描光刻机设备（SSX600系列），公司目前最先进的设备为SSA600/20步进扫描投影光刻机，采用ArF光源，4倍缩小倍率的投影物镜，高速高精的自减振六自由度工件台掩模台技术，可满足IC前道制造90nm光刻工艺要求。2017年公司承担的02重大科技专项任务“浸没光刻机关键技术预研项目”通过了验收，目前公司正推进ArFi DUV的研发，若能顺利跑通，将是国内晶圆制造全国产化产线的一大步迈进。

除了SMEE外，中科院长春光机所2017年承担的02专项“极紫外光刻关键技术研究”通过验证，中科院光电所也参与研发。国内还有西安光机所、上海光机所等光学精密机械研究所。国产光刻机发展必将借助“举国体制”之力，重点关注上海微电子和几大院所研究进展，以及其参股的资产。

对于光刻机产业链的投资，我们认为整机进展未来可期，光刻机零部件先行。ASML的上游供应商包括美国Cymer、日本Gigaphoton（光源）、德国Zeiss（光学镜头）、美国Lumentum（激光器）、美国MKS（仪表和控制器）等，一台光刻机由数万个零件构成，以ASML的50%的毛利率为参考，国内光刻机零部件的市场空间约100亿元。其中曝光系统、物镜、工件台等成本占比较高。