此前，我们团队发布了《ASML：光刻巨人是如何炼成的》、《Zeiss：工业级精密光学标杆企业，百年积累沉淀深厚制造壁垒》报告，对ASML、Zeiss的发展历程、现今状况进行了梳理。在光刻技术不断升级迭代，半导体国产替代持续进行的大背景下，我们试图用本报告梳理光刻机产业链全貌，指出光刻机及其零部件制造的难点，进一步帮助投资者理解ASML、Zeiss等海外光刻机整机、零部件厂商的壁垒，为国内投资者研究光刻机相关公司提供对照。
根据ASML、Nikon、Canon公司公告，2022年全球光刻机总出货台数585台，总市场规模约177亿美元。细分来看，I-line、KrF、ArF dry、ArFi、EUV光刻机市场规模分别为7.63、25.99、8.49、58.92、75.97亿美元，占比分别为4%、15%、5%、33%、43%：1）EUV光刻机、中高端DUV光刻机从价值量的角度来说占据市场核心位置；2）近年来，EUV市场规模快速增长，目前已占整体市场四成以上份额；3）摩尔定律持续向前，我们认为High-NA EUV将是2nm及以下制程工艺的必需设备，其价值量相较现有EUV的提升将继续驱动光刻机市场增长。凭借双工件台、浸液系统的率先推出，ASML在中高端DUV市场占据绝大多数份额，通过整合上下游产业链资源ASML成为目前全球唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商。
光刻机零部件约占整机价值量四成，故而我们推算2022年全球光刻机零部件市场规模约71亿美元。光刻机整机涉及诸多零部件，其中物镜系统、光源系统、工件台是三大核心，此外浸没式光刻机所需的浸液系统开发难度也较高。物镜系统由多个透镜或反射镜组成，镜面平整度是核心参数，考验厂商加工工艺，凭借在离子束抛光等领域的独特技术Zeiss成为全球最领先的镜头制造厂商。光源系统难点在于控制光源的稳定性，EUV光源还特别需要将功率尽可能进行提升，ASML入股后的Cymer通过技术突破成为目前全球唯一一家能够量产EUV光源的厂商。工件台需要结合高精度和高速率两大特点，对相关机电控制能力要求较高，凭借对磁悬浮技术的掌握以及双工件台想法的创新，ASML在该领域优势显著。浸液系统需要保持超纯水均一性，难点在于对液体各项参数进行监控并做微调节，ASML在该领域布局较早。
全球半导体资本开支周期性，光刻机整机及其零部件研发不及预期。
光刻工艺概览
光刻工艺实现图形转移，半导体制造最核心环节之一
光刻（lithography）是半导体制造环节中最为核心的工艺环节之一，实现图形转移的作用：1）光刻前先由涂胶显影设备进行预处理（脱水烘焙），在晶圆表面涂覆光刻胶，并进行软烘干；2）晶圆由涂胶显影设备送入光刻机，经过扫描对准后，光线透过掩膜版对光刻胶进行曝光，一部分光刻胶受到光照，另外一部分则因为掩模版的遮挡不受到光照；3）晶圆由光刻机送回给涂胶显影设备，在晶圆表面加入显影液，显影液能够溶解此前受到曝光的区域，光刻胶表面出现图形，然后进行硬烘干（坚膜）。此后，晶圆通常进行刻蚀或离子注入工艺。最后，再以去胶工艺将剩余的光刻胶去除。
图表1：光刻工艺
资料来源：ASML公司官网，中金公司研究部
根据瑞利准则，任何一个光学系统的分辨率总是有限的
从瑞利准则（Rayleigh criterion）说起，物理学上，瑞利准则CD=k1*λ/NA告诉我们，由于存在衍射现象，任何一个光学系统的分辨率总是有限的：1）CD（critical dimension）代表关键尺寸，是光刻系统能够实现的最小精度。该指标决定并定义了集成电路中最为关键的栅极（Gate）宽度，我们平时所说的65nm、40nm、28nm等制程概念均来自于此。2）λ（lambda）代表光源波长，目前集成电路所使用的DUV（deep ultraviolet，深紫外） 系统主流的光源波长有365nm（I-line）、248nm（KrF）、193nm（ArF）几种，EUV（extreme ultraviolet，极紫外）系统光源波长为13.5nm。3）NA（numerical aperture）代表数值孔径，指光线的最大入射角，通常增加镜面的尺寸可以增加NA，ArFi光刻机的浸液系统也变相增加了NA。4）k1是一个和光学以及过程相关的指数，一般在0.25到0.4之间。
图表2：瑞利准则
资料来源：ASML公司官网，中金公司研究部
减小光源波长，做大镜头尺寸是光刻机提高分辨率的重要方法
由瑞利准则我们不难发现，光刻系统的精度主要取决于λ（光源波长）、NA（数值孔径）等参数，这也是人们提升光刻机性能主要切入点，尤其是光源波长，从I-line到KrF，再到ArF（也包括ArFi，其核心思想也是变相改变光源波长），然后到EUV，光刻机大的升级迭代均是由光源变革带来的，这些升级变化也将芯片的制程节点由0.35um不断向前推进至目前的10nm以下。
图表3：ASML各EUV和中高端DUV光刻机相关参数
资料来源：ASML公司官网，中金公司研究部
光刻机整机
整机市场：2022年全球光刻机出货台数585台，市场规模约177亿美元
将ASML、Nikon、Canon各类型IC光刻机加总我们可以看出，近十年来I-line、KrF、ArF dry、ArFi等DUV光刻机出货量主要随半导体周期呈现上下波动，EUV光刻机出货量随全球先进制程产能扩张呈现高速增长。2022年，全球IC光刻机总出货台数585台，I-line、KrF、ArF dry、ArFi、EUV光刻机出货台数分别为208、216、36、85、40台，占比分别为36%、37%、6%、15%、7%。
图表4：2011-2022年全球各类型IC光刻机出货拆分
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表5：2011-2022年全球各类型IC光刻机出货占比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
我们参考ASML各类型设备平均售价并结合汇率测算市场规模，近十年来DUV光刻机市场规模主要随半导体周期呈现上下波动，EUV光刻机市场规模受量价齐升双轮驱动快速增长。2022年，全球IC光刻机总市场规模177亿美元，I-line、KrF、ArF dry、ArFi、EUV光刻机市场规模分别为7.63、25.99、8.49、58.92、75.97亿美元，占比分别为4%、15%、5%、33%、43%。我们发现EUV市场规模经过近十年的发展已经成长为和DUV市场规模接近。
图表6：2011-2022年全球各类型IC光刻机市场拆分
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表7：2011-2022年全球各类型IC光刻机市场占比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
竞争格局：ASML占据市场份额大部头，垄断EUV和中高端DUV市场
我们取ASML、Nikon、Canon光刻机相关业务营收进行比对（ASML的收入中还包含少量量测&检测设备收入，Nikon、Canon的收入中还包含少量FPD光刻机收入，但整体影响不大）。2022年，ASML光刻机相关收入165.46亿美元，Nikon光刻机相关收入15.29亿美元，Canon光刻机相关收入18.33亿美元。我们粗略测算在IC光刻机市场，按销售额来看的话，ASML全球市场占有率约80%，Nikon、Canon分别约10%，ASML占据全球IC光刻机市场绝对主导份额。
图表8：ASML、Nikon、Canon光刻机相关营收对比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表9：ASML、Nikon、Canon光刻机相关营收占比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
2022年，ASML出货345台，占比59%，Nikon出货45台，占比8%，Canon出货195台，占比33%。IC光刻机市场，按出货量来看的话，ASML全球市场占有率约60%，Nikon约10%，Canon约30%，ASML依旧占据过半的市场。
图表10：ASML、Nikon、Canon IC光刻机出货量
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表11：ASML、Nikon、Canon IC光刻机出货占比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
将光刻机出货量进一步拆分的话，能够发现ASML除了是全球唯一的EUV光刻机量产厂商外，在ArFi、ArF、KrF光刻机市场也占有主导地位，仅在I-line光刻机市场不及Canon：1）EUV光刻机：ASML作为美国EUV LLC联盟的一员，在充分利用全球光刻机产业链资源的基础上经过不断研发将EUV光刻机商业化，也是目前为止全球唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商。2022年，ASML EUV光刻机出货量40台，Nikon、Canon均无EUV光刻机出货。2）ArFi光刻机：ASML作为首先推出ArFi光刻机并进行商业化的厂商，在该市场一直保持着领先的地位。2022年，ASML ArFi光刻机出货量81台，Nikon出货量4台，Canon无ArFi光刻机出货。3）ArF、KrF光刻机：两家日系厂商（主要是Nikon）曾经占据着ArF、KrF光刻机市场的主要份额，但目前该两大细分市场出货量也以ASML为主：2022年，ASML ArF光刻机出货量28台，Nikon出货量8台，Canon无ArF光刻机出货；ASML KrF光刻机出货量151台，Nikon出货量6台，Canon出货量59台。我们根据产业链调研，认为原因主要为ASML凭借双工台技术及电控方面的积累，其ArF、KrF光刻机在产率、稳定性等方面优于两家厂商。4）I-line光刻机：2022年，ASML I-line光刻机出货量45台，Nikon出货量27台，Canon出货量136台。Canon在I-line光刻机持续保持主导地位，我们推测或和Canon产品性价比较高有关。
图表12：ASML、Nikon、Canon历年ArFi出货量
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表13：ASML、Nikon、Canon历年ArF出货量
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表14：ASML、Nikon、Canon历年KrF出货量
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表15：ASML、Nikon、Canon历年I-line出货量比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
光刻机零部件
零部件市场：2022年全球光刻机零部件市场规模约71亿美元，物镜/光源/工件台等为关键组件
和其他半导体设备类似，光刻机也需要采购机械类零部件、电气类零部件等零部件，本文将主要聚焦于光刻机所特有的一些零部件的探讨。光源系统（发射光束）、物镜系统（缩小光束）、工件台（承载晶圆）是光刻机的三大核心零部件，另外浸液系统是浸没式光刻机（ArFi光刻机）所特有的零部件，通过减小光波长从而提高系统分辨率。上述几类零部件研发和制造难度较大，目前只有国际少数几家企业掌握最高端核心技术，如物镜系统代表Zeiss、工件台和浸液系统代表ASML、光源系统Cymer。
图表16：光刻机主要系统拆分（以ASML EUV为例）
资料来源：ASML公司官网，中金公司研究部
ASML的毛利率一般维持在50%左右，意味着公司营业成本约占营业收入的50%，假设公司营业成本中80%为物料成本，则物料成本约占营业收入的40%。我们在上文测算了2022年全球光刻机市场约为177亿美元，由此可以测算出全球光刻机零部件市场规模约71亿美元。根据产业链调研，以ArFi 光刻机为例，物镜系统约占其物料成本的10%，工件台约占其物料成本的12%，光源系统约占其物料成本的15%（其中激光器单独约占其物料成本的3-5%），浸液系统约占其物料成本的8%。
图表17：光刻机产业链概览
资料来源：各公司官网，中金公司研究部
注：1）图中列示的晶圆厂仅为光刻机的下游用户，不参与光刻机的生产制造；2）零部件后面括号中的百分比数字为该零部件占光刻机物料成本的比例
零部件#1：物镜系统（照明系统）
► 功能介绍：物镜系统的功能是实现光线的聚焦以将掩膜版上的图形缩放至晶圆表面。不同光刻机有不同的物镜系统方案：DUV光刻机物镜系统主要由多个透镜组成，NA（数值孔径）一般在0.6-1.3之间，分辨率可支持的极限工艺制程在10nm左右；EUV光刻机使用13.5nm的极紫外光，物镜系统主要由多个反射镜组成（极紫外光无法通过普通的光学材料），NA（数值孔径）一般在0.25-0.35之间，分辨率可以突破到10nm以下。
► 技术难点：镜头平整度是重要参数之一，对光刻过程中的图案分辨率和图案形状控制有着至关重要的影响。在光刻过程中，光线通过物镜进入光刻胶层，形成所需的图案，如果物镜表面不平整，会导致光线通过物镜后发生散射或偏折，使得光线聚焦到不同的位置，从而影响图案的分辨率和形状控制。制造高质量的物镜需要先进的工艺和精密的设备，一般来说加工流程包括高精度机床铣磨成型、小磨头抛光、磁流变抛光、离子束抛光、镀膜等步骤，离子束抛光是其中的关键步骤，离子束抛光利用离子轰击需要抛光的物体表面，以快速地去除材料表面的缺陷和凸起，同时不会产生新的表面缺陷。
► 竞争格局：EUV反射镜目前全球仅Zeiss一家具备产业化能力，DUV透镜除Zeiss外Nikon、Canon等厂商也具备制造能力。
图表18：DUV光刻机（上）和EUV光刻机（下）物镜系统对比（以ASML产品为例）
资料来源：ASML公司官网，Zeiss公司官网，中金公司研究部
除物镜系统外，光刻机中光路所要经过的另外一大重要系统是照明系统。一般而言，照明系统是光线从光源系统出发后到达掩膜系统前这一段光路器件的统称，其主要的作用有光场匀化（让各部分光场能量相同）、挡光（挡住照亮掩膜版以外部分的光）等。照明系统中有特点的零部件有：1）光场匀化器，通常由单面或双面柱面阵列结构透镜组成，能够将各类能量非均匀分布（如高斯分布等）的激光光束转化为各个方向能量均匀分布的光斑；2）合分束器，将一束光分为两束或多束光，将两束或多束光合为一束光，测量光场强度等环节需要使用到合分束器。
零部件#2：光源系统
► 功能介绍：光源系统的功能是稳定产生光刻所需的特定波长的光线。DUV光刻机大多采用准分子激光器（ArF、KrF），其工作原理是向惰性气体（Ar、Kr）和卤素气体（Cl2、F2）的混合气体施加高压短脉冲，产生惰性元素的卤化物（ArF、KrF），这些化合物同时具备激发态（E1）和基态（E0），由于基态的化合物不稳定容易分解为单质，激发态向基态跃迁的过程将持续进行，并释放出特定波长的光子（193nm、248nm）。EUV光刻机的光线由高纯度锡（Sn）电离产生，固态锡在液滴发生器内熔化，并流向真空室（即EUV光源腔），二氧化碳（CO2）激光器用两个连续脉冲照射锡液滴，分别使液滴成形并电离，这时能够产生13.5nm的光。
► EUV光源技术难点：1）液滴发生器：液滴发生器控制进入EUV光源腔的材料（高纯度锡）的尺寸、速度和重复率（液滴的典型直径为27μm，速度为80 m/s，重复频率为50 kHz），并触发CO2激光脉冲的发射，该装置也被喻为EUV光刻机的“心脏”，其对可靠性、稳定性要求较高；2）CO2激光器：锡电离过程包括两个快速连续的红外激光脉冲，一个预脉冲将液滴从球体变平为圆盘，另一个主脉冲能量更高用于电离。两次脉冲均由专门制造的CO2激光器（λ=10.6µm）提供。用于EUV光刻机的CO2激光器核心难点在于如何将功率做大，目前商用的光刻机CO2激光器功率约250-350W，未来下一代光源功率有望达到600W。3）电离过程建模：为了尽可能多地收集到锡电离产生的极紫外光，需要对EUV光源腔进行设计，这一过程需要使用物理模型进行复杂的计算模拟。
► 竞争格局：EUV光源目前全球仅Cymer具备产业化能力，DUV光源除Cymer外Gigaphoton等厂商也能生产。
图表19：EUV光源工作原理示意图（以ASML EUV光刻机为例）
资料来源：ASML公司官网，中金公司研究部
零部件#3：工件台
► 功能介绍：工件台主要起承载晶圆的作用，每一次曝光前都需要将硅片和工件台对准，而后通过将光罩和工件台对准以实现光罩和硅片的对准，从而将图形精确地复制到需要光刻的区域。过去，光刻机主要采用单工件台。目前双工件台已经成为ASML中高端光刻机的主流方案，其具有两个工件台，一个工件台位于物镜系统下方进行曝光时，另外一个工件台可以进行对准等预处理，大幅提高了光刻机的工作效率。
► 技术难点：工件台的核心参数是测量精度和移动速度，以满足光刻工艺的精度要求并实现光刻机的高产出速率。这需要对工件台实现nm级别的自动化控制。当前，ASML的双工件台已由过去的气浮驱动改为磁悬浮驱动，以达到更高精度的控制能力，并且由于其运行时振动更小，能够减少ArFi光刻机浸液系统中液体的流动，也变相优化了光刻的效果。
► 竞争格局：ASML是全球首家应用双工件台（Twinscan）的企业，注册了大量的专利，并且在磁悬浮驱动方面积累了大量技术，优势显著。近年来，Nikon也推出了Tandem Stage工件台，相较其过去工件台有大幅性能提升。
图表20：双工件台工作原理示意（以ASML DUV光刻机为例）
资料来源：ASML公司官网，中金公司研究部
工件台中有特色的零部件有光栅尺，其核心工作原理是根据光衍射形成的条纹变化来测量距离，能够实现nm级别精度的测量，在工件台及整个运动系统中有较多运用。
零部件#4：浸液系统
► 功能介绍：浸液系统是浸没式（ArFi）光刻机所特有的组件，其功能是在光刻机物镜系统和晶圆之间增加一层折射率大于空气折射率的超纯水，改变了光源的波长（λ），同时也提高了数值孔径（NA），提升了光刻机的曝光分辨率；更大的折射率也能获得更大的焦深，增加了光刻的清晰范围。浸液系统的核心部件包括提供最后一片液体镜头的高精密装置（浸没头）以及浸没流场控制单元（浸没单元）。
► 技术难点：浸液必须要有均匀性，在曝光区域形成一个稳定且均匀的透明液体薄层。这需要对超纯水TOC、颗粒、溶解氧、温度、离子等进行控制，以保证水质、温度和压力，要求设计复杂的微调控系统。为了实现曝光过程中均匀温升，抑制污染物向物镜的沉积，同时防止浸没液体在动态扫描过程中的泄露，浸没单元需要实现流场稳定、均匀的流速及压力分布，以维持浸没流场的动态稳定及动态密封，同时在曝光结束后快速消除流场中的液体。因此，需要对浸没头及其控制单元的结构进行精确设计。
► 竞争格局：ASML、Nikon自制浸液系统。
图表21：浸没系统工作原理示意（以ASML ArFi光刻机为例）
资料来源：ASML公司官网，中金公司研究部
其他零部件
除了以上零部件外，光刻机内部对洁净度要求较高，需要使用EFU（设备端风机过滤单元）、ULPA（超高效过滤器）等空气净化、过滤产品。
风险提示
全球半导体资本开支周期性：全球范围内半导体行业资本开支具有周期性，当半导体行业处于下行阶段时，晶圆厂产能利用率承压，其扩张节奏将有所放缓，需要采购的光刻机数量将发生减少。
光刻机整机及其零部件研发不及预期：目前ASML及相关零部件厂商正积极研发下一代high-NA EUV，产业链任何一个环节进展不及预期均有可能造成新产品验证、量产节点的后移。
附录：台积电、ASML、Zeiss、Cymer协同发展史——“一代设备、一代工艺、一代产品”
案例#1：工艺需求催生设备创新——浸没式光刻机的诞生
2000年前后，芯片制程节点进入130nm以下，这一期间晶圆尺寸也从8英寸转向12英寸。彼时，全球最为先进的光刻机为ArF光刻机。受限于ArF光源193nm的波长，芯片制程节点曾一度停留在65nm。2002年，台积电工程师林本坚在SPIE（International Society for Optical Engineering，国际光学工程学会）举办的会议上对下一代光刻机光源方案做了探讨，发表了193nm浸没式工艺更具可行性的观点，此后他在荷兰、德国、美国、日本等多地奔走进行商业上的推广。浸没式光刻利用光在液体中波长会减小的原理，以实现等效光刻光源波长减小的目的：以水为例，光在水中的折射率是1.44，这使得193nm波长的光在经过水折射后波长改变为134nm（193/1.44）。ASML最终采纳了林本坚的建议并与他进行合作，于2003年推出193nm浸没式光刻机的原型机TWINSCAN AT:1150i，并在2004年推出验证机TWINSCAN XT:1400i送往台积电验证，最终2006年推出量产机TWINSCAN XT:1700i。
案例#2：设备迭代亟需零部件突破——EUV光刻机的诞生
2006年，ASML推出了两台EUV样机Alpha Demo Tool（ADT），一台发往美国Albany NanoTech Complex（奥尔巴尼纳米科技中心），另外一台发往IMEC（比利时微电子研发中心）进行验证，尽管样机取得一定成果，但仍存在许多待改进点。2010年，ASML推出六台TWINSCAN NXE:3100机台用于进一步的验证，分别发往Samsung、IMEC、Intel、Toshiba、SK Hynix和台积电。彼时Cymer提供的EUV光源即使是最佳状态也只有10W的功率（不及目前量产机台1/25），而且可靠性较低，但Zeiss镜头已经能够曝光出10nm以下制程的图案。2012年，ASML发起Co-Investment Program（共同开发计划），向Intel、台积电、Samsung三大客户进行募资，Intel投资获得了ASML 15%的股权，台积电获得了ASML 5%的股权，Samsung获得了ASML 3%的股权（三家晶圆厂认购股权除了能够获得光刻机优先供货权外主要也是出于财务投资的目的，因此目前这些股份大部分已经出售），以加速EUV光刻机（也包括18英寸晶圆光刻机，但18英寸晶圆由于各种原因目前仍未商业化）的研发，并收购EUV光源供应商Cymer。在以19.5亿欧元被ASML收购以后，Cymer加速了EUV光源的研发，短时间内将功率等各项性能提升了数倍，这使得ASML能够在2013年推出新一代的EUV光刻机TWINSCAN NEX:3300B。为进步提升镜头性能，2016年ASML又以10亿欧元收购Zeiss旗下半导体子公司Zeiss SMT 24.9%的股份，并在随后的2017年推出后续机型TWINSCAN NEX:3400B，至此ASML的EUV光刻机已经能够进入量产阶段。
图表22：ASML发展历程
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
本文摘自：2023年9月20日已经发布的《半导体设备系列三：工业皇冠上的明珠，光刻机及其零部件》
彭虎 分析员 SAC 执证编号：S0080521020001 SFC CE Ref：BRE806
胡炯益 分析员 SAC 执证编号：S0080522080012
黄天擎 分析员 SAC 执证编号：S0080523060005 SFC CE Ref：BTL932
江磊 分析员 SAC 执证编号：S0080523070007 SFC CE Ref：BTT278
石晓彬 分析员 SAC 执证编号：S0080521030001
