（精选报告来源：报告研究所）
1、 光刻机：半导体制造业皇冠上的明珠
1.1 光刻机：半导体制造业皇冠上的明珠
光刻机是光刻工艺的核心设备。光刻机（Mask Aligner）又称掩模对准曝光机， 曝光系统，光刻系统等，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，包含上 万个零部件，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。它采用类 似照片冲印的技术，把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤，耗时长、成本高。半 导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上，这一过程通 过光刻来实现，光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生 产中需要进行 20-30 次的光刻，耗时占到 IC 生产环节的 50%左右，占芯片生产 成本的 1/3。光刻的原理是在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再用光线（一般是 紫外光、深紫外光、极紫外光）透过掩模照射在硅片表面，被光线照射到的光刻 胶会发生反应。此后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶，就实现了电路 图从掩模到硅片的转移。光刻完成后对没有光刻胶保护的硅片部分进行刻蚀，最 后洗去剩余光刻胶， 就实现了半导体器件在硅片表面的构建过程。
光刻机主要由光学系统、机械系统和控制系统构成。光学系统包括曝光光源、透 镜、反射镜等，用于将掩模上的图形投影到硅片上；机械系统包括平台、运动控 制系统、自动对位系统等，用于控制硅片的位置和运动轨迹。控制系统包括计算 机、控制软件等，用于控制整个光刻机的运行和曝光过程。光刻机通过一系列的 光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光 学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻 在硅片上的电路图。
光刻技术的发展经历了接触/接近式光刻、光学投影光刻、步进重复光刻、步进 扫描光刻、浸没式光刻、EUV 光刻以及电子束光刻，主流曝光源的曝光波长由 g 线（436nm）、i 线（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm），一直缩减 到极紫外线（EUV）（13.5nm）。每次光源的改进都显著提升了了光刻机的工 艺水平、生产效率、良率。五代光刻机的主要差异是光刻机的工艺节点，即限制 成品所能获得的最小尺寸，目前第五代 EUV 光刻机的最小工艺节点达到了最优。一般而言，光刻系统能获得的分辨率越高，则成品所能获得的最小尺寸越小，这 需要减小照射光源的波长。在光刻机的更新迭代中，对光源、光学透镜、反射镜 系统提出了越来越高的要求。
1） 接触/接近式光刻机
接触式光刻技术是小规模集成电路时代的主要光刻手段，主要用于生产特征尺寸 大于 5μm 的集成电路。在接触/接近式光刻机中，通常晶圆片放置于手动控制水 平位置和旋转的工件台上。利用分立视场显微镜同时观察掩模和晶圆片的位置， 并通过手动控制工件台的位置来实现掩模版与晶圆片的对准。晶圆片与掩模版对 准后，二者将被压紧，使得掩模版与晶圆片表面的光刻胶直接接触。移开显微镜 物镜后，将压紧的晶圆片与掩模版移入曝光台进行曝光。汞灯发出的光经透镜准 直平行照射掩模版，由于掩模版与晶圆片上的光刻胶层直接接触，所以曝光后掩 模图形按照 1:1 的比例移转印至光刻胶层。接触光刻技术优点为因直接接触、减少光的衍射、能实现较小特征尺寸的曝光、 总体简单经济；缺点为因掩膜版和涂油光刻胶的晶圆紧密接触，容易造成划痕、 污染颗粒，同时造成器件致命的缺陷，缩短掩膜版的寿命，降低成品率等。在大规模的集成电路生产中，为避免因掩模版与晶圆片的直接接触而导致的与接 触式光刻不同，接近式光刻中的掩模版与晶圆片上的光刻胶之间充了氮气，掩模 版浮在氮气之上，掩模版与晶圆片之间的间隙大小由氮气的气压来决定。由于接 近式光刻技术不存在晶圆片与掩模版的直接接触，减少了光刻过程中引入的缺 陷，从而降低了掩模版的损耗，提高了晶圆片成品率。接近式光刻技术中，晶圆 片与掩模版存在的间隙使得晶圆片处于菲涅耳衍射区域。而衍射的存在限制了接 近式光刻设备分辨率的进一步提高，因此该技术主要适用于特征尺寸在 3μm 以 上的集成电路生产。
2） 步进重复/扫描光刻机（步进式也称之为投影式）
接触/接近式光刻机实现了亚微米工艺的实现，那么步进重复光刻机的出现推动 亚微米工艺的发展以及进入了量产。步进重复光刻机利用 22mm × 22mm 的典 型静态曝光视场和缩小比为 5:1 或 4:1 的光学投影物镜，将掩模版上的图形转印 到晶圆片上。步进重复光刻机一般由曝光分系统、工件台分系统、掩模台分系统、调焦/调平 分系统、对准分系统、主框架分系统、晶圆片传输分系统、掩模传输分系统、电 子分系统和软件分系统组成。
3） 浸没式光刻机
浸没式光刻机是采用折射和反射相结合的光路设计且曝光区域与光刻机透镜之 间充满水的光刻设备。对于 45nm 以下及更高的成像分辨率，采用 ArF 干法曝 光方式已经无法满足要求（因其最大支持 65nm 成像分辨率），故而需要引入 浸没式光刻方法。虽然浸没式光刻机是步进扫描光刻机的一种，但其设备系统方 案并无变化，由于引入与浸没相关的关键技术，所以属于 ArF 步进扫描光刻机的 升级改良版。浸没式光刻的优点：由于系统数值孔径的增大，提升了步进扫描光 刻机的成像分辨能力，可以满足 45nm 以下成像分辨率的工艺要求；缺点：由 于浸没液体的引入，导致设备本身工程难度大幅度增加，其关键技术包括浸没液 体供给与回收技术、浸没式液场维持技术、浸没式光刻污染与缺陷控制技术、超 大数值孔径浸液式投影物镜开发与维护、浸液条件下成像质量检测技术等。
4） 极紫外光刻机（EUV 光刻机）
小于 5 纳米的芯片晶圆，只能用 EUV 光刻机生产。为了提高光刻分辨率，在采 用准分子光源后进一步缩短曝光波长，引入波长为 10～14nm 的极紫外光作为 曝光光源。EUV 光刻机主要由光源、照明、物镜、工件台、掩模台、晶圆片对 准、调焦/调平、掩模传输、晶圆片传输、真空框架等分系统组成。极紫外光经 过多层镀膜的反射镜组成的照明系统后，照射在反射掩模上，被掩模反射的光进 入由一系列反射镜构成的光学全反射成像系统，并最终在真空环境下将掩模的反 射像投影在晶圆片表面。
5） 电子束光刻系统/纳米电子束直写系统
电子束光刻的主要原理：利用高速的电子打在光刻胶表面，使光刻胶的化学性质 改变。在电子束光刻中电子的产生方式有两种，一种是热发射，另一种是场发射。热发射是通过对阴极材料高温加热，使电子获得足够的能量从阴极中逸出；场发 射是将阴极置于高强度电场中，利用电场对电子的强作用力使电子脱离原子核的 束缚。直写式电子束的曝光原理是将聚焦的电子束斑直接打在光刻胶的表面，加 工中不需要成本高昂的掩模版和昂贵的投影光学系统，其加工方式也更为灵活， 适合小批量器件的光刻，在实际中应用更为广泛。电子束光刻按照曝光方式划分 可分为两种，投影式曝光与直写式曝光。光源的波长是影响光刻精度的主要原因，由于光源波长的限制，X 射线曝光可达 到 50nm 左右的精度，深紫外光源的曝光精度在 100nm 左右，而电子的波长较 小，因而电子束光刻的加工精度可以达到 10nm 以内。电子束光刻有分辨率高、 性能稳定，成本相对较低的特点。目前常用的电子束光刻胶有 PMMA，ZEP520A 及 HSQ 等。
1.2 全球光刻机市场持续增长，ASML、Nikon、Canon 三分天下
全球光刻机市场快速增长。根据观知海内信咨询，2020 年至 2024E 全球光刻机 市场规模整体呈上升趋势。2020 年全球光刻机市场规模为 170.9 亿美元， 2023 年增长至 271.3 亿美元，预计 2024 年将达到 315 亿美元。随着半导体产业在人 工智能等新需求的推动下持续发展，光刻机作为关键设备，其市场规模不断扩大， 未来发展前景广阔。
光刻机产业链涉及范围广。从产业链来看，光刻机产业链主要包括上游设备及材 料、中游光刻机生产及下游刻机应用三大环节。光刻机技术极为复杂，在所有半 导体制造设备中技术含量最高。主要涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密 物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，生产一台光刻机往往涉及到上千 家供应商。
KrF 和 i-line 依然是全球光刻机产品销量的主流。根据观知海内信咨询，2023 年全球光刻机产品销量结构中，ArFi 光刻机占比 15.4%，在各类光刻机中占比 较大。EUV 光刻机占比相对较小，为 7.3%，KrF 和 i-line 光刻机分别占比 37.9% 和 33.6%。
ASML、Nikon 和 Canon 三分天下。目前市场主流产品基本来自三大企业：ASML、 Nikon、Canon。2022 年三大企业光刻机营收合计接近 200 亿美元，合计市场 份额超过 90%。其中，ASML 光刻机业务营收约 161 亿美元，较 2021 年增长了 23%，Canon 光刻机业务营收约为 20 亿美元，Nikon 光刻机业务营收约 15 亿 美元。ASML 市场份额占比 82.1%，占绝对龙头地位。
从产品出货类型来看，ASML 在超高端光刻机领域一家独大，如 EUV、ArFi 等类 型光刻机，产品众多；Canon 与 Nikon 产品部分光刻机用于面板业，部分用于 半导体，Canon 目前产品集中于特定工艺领域的 i-Line 和 KrF 设备，Nikon 拥 有除了 EUV 以外的所有类型光刻机产品，出货量少于前两家。
ASML 垄断高端 EUV 光刻机市场。ASML 占有 EUV 光刻机 100%的市场份额， 位于垄断地位，同时多种光刻机均有出售，并在高端光刻机上占有绝对优势地位。EUV 光刻机在性能、功耗、生产成本、生产周期等方面优势突出，且由于 ASML 产能吃紧，在先进逻辑芯片等领域 EUV 光刻机供不应求。
Nikon、Canon 占据中低端市场。中低端光刻机由于较低的技术壁垒，竞争者数 量较多，Nikon 和 Canon 凭借价格优势占据中低端市场主导地位。Canon 在低 端光刻机市场占据优势地位，仅在 i-line，KrF 两类光刻机上有所出货,且主要集 中在 i-line 光刻机；Nikon 在光刻机产品类型覆盖较广，在除 EUV 之外的类型 均有涉及，其中以 ArF 和 i-line 光刻机领域较为突出，但在出货量上远少于 ASML 和 Canon。目前 Nikon 在 ArF immersio、ArF dry（干式 DUV）、KrF 领域已 有不少产品对标 ASML 的产品，但其生产效率与 ASML 相比仍存在差距。
2、 ASML 垄断高端 EUV 光刻机市场
2.1 ASML 龙头地位显著
本报告文件将分享到知识星球社群，扫描下方图片二维码即可查阅下载
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
入群方式：添加助理微信【touzireport666】，发送「个人纸质名片」或「电子名片」审核后即可入群。
