评级（增持）半导体行业深度分析报告：光刻为半导体设备之巅，冰山峰顶待国产曙光

股票代码 ：
股票简称 ：
报告名称 ：半导体行业深度分析报告：光刻为半导体设备之巅，冰山峰顶待国产曙光
评级 ：增持
行业：

证券研究报告

半导体产线不断扩产，产生了大量光刻设备的需求。2021 年 ASML 有高达

27.4 亿欧元的营收来自中国大陆（其全球第三大市场）；全球光刻设备市场规

光刻机上游零部件市场有待发掘：光刻机的运行需光源、照明、掩膜台、

1. 《细致检测攻坚克难，精准度量引领

物镜、工件台等多个精密系统组合工作，全球光刻零件市场至少约 70 亿美元（按 50%毛利率推算）。相比其他半导体零件，光刻机零件单个价值量高，技

进步》 2022-12-03 术难度大。贸易限制导致海外供应链风险剧增，国内光学企业成为不二之选，技术能力与对应产品的盈利能力有望加速成长。

投资建议：在光刻配套设备与零件方面，建议关注苏大维格（300311.SZ）、茂莱光学(688502.SH)、芯源微（688037.SH）、精测电子（300567.SZ）、盛美上 海（688082.SH）、美埃科技（688376.SH）、炬光科技（688167.SH）、福晶科技（002222.SZ）等。

风险提示：半导体行业景气度下滑，光刻设备需求不及预期；贸易保护主义 因素导致国内晶圆厂扩产放缓；光刻设备与组件技术难度大，相关研发进度可 能慢于预期。

请阅读最后一页的重要声明！

数据来源：wind，财通证券研究所. 未覆盖公司的预测数据来源于 wind 一致预期

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 2

图 31. 光刻机的结构 ..................................................................................................................................... 21 图 32. 高压汞灯的光谱分布 ......................................................................................................................... 22 图 33. 高压汞灯的结构 ................................................................................................................................. 22 图 34. 单腔 DUV 激光产生的原理 .............................................................................................................. 22 图 35. ArF 光源系统（DUV） ..................................................................................................................... 22 图 36. GIGAPHOTON 的 ArF 光源内部结构 ............................................................................................ 23 图 37. 光源内置的测量模块 ......................................................................................................................... 24 图 38. EUV 设备庞大的前驱激光装置 ........................................................................................................ 24 图 39. 光刻机中的 EUV 光产生装置 .......................................................................................................... 24 图 40. EUV 光源工作原理图 ........................................................................................................................ 25 图 41. 光刻机照明与投影物镜系统的工作流程图 ..................................................................................... 26 图 42. 光刻机照明与投影物镜系统结构 ..................................................................................................... 26 图 43. 光刻设备采用不同的照明方式 ......................................................................................................... 27 图 44. 像素化照明方式的成像效果 ............................................................................................................. 27 图 45. 光刻计算优化的掩膜版的成像效果 ................................................................................................. 28 图 46. DUV 光刻机的照明系统 .................................................................................................................... 28 图 47. DUV 光刻机的物镜系统 .................................................................................................................... 28 图 48. 光刻中的波前畸变 ............................................................................................................................. 29 图 49. 通过镜片形变补偿像差原理图 ......................................................................................................... 29 图 50. 通过局部加热补偿像差原理图 ......................................................................................................... 29 图 51. EUV 反射镜片 .................................................................................................................................... 30 图 52. EUV 光刻机的照明与物镜系统 ........................................................................................................ 30 图 53. 工件台工作流程图 ............................................................................................................................. 30 图 54. ASML 的双工件台 ............................................................................................................................. 30 图 55. ASML 新型机台产能不断提高 ......................................................................................................... 31 图 56. 掩膜与晶圆上的对准图形 ................................................................................................................. 31 图 57. 配合工件台的对准传感器 ................................................................................................................. 32 图 58. 掩膜与工件台及晶圆的对准原理图 ................................................................................................. 32 图 59. 晶圆表面的 3D 形貌图 ...................................................................................................................... 32 图 60. 全球半导体资本开支（十亿美元） ................................................................................................. 33 图 61. 光刻设备占比最高 ............................................................................................................................. 33 图 62. 全球光刻机市场规模（亿美元） ..................................................................................................... 33 图 63. 全球显影涂胶设备市场规模（亿美元） ......................................................................................... 33 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 5

图 64. ASML 公司 EUV 与非 EUV 设备收入占比 ..................................................................................... 34 图 65. ASML 公司各类光刻机出货量变化（台） ..................................................................................... 34 图 66. 不同工艺制程的光刻机开支占比 ..................................................................................................... 34 图 67. 光刻机市场的竞争格局 ..................................................................................................................... 35 图 68. 光刻机 TOP3 出货量变动情况 ........................................................................................................ 35 图 69. 2021 年 TOP3 光刻机出货量（单位：台） ..................................................................................... 35 图 70. ASML 全球生产研发布局图 ............................................................................................................. 36 图 71. ASML 历年营收规模（单位：百万欧元） ..................................................................................... 36 图 72. ASML 发展历史 ................................................................................................................................. 37 图 73. ASML 生态圈 ..................................................................................................................................... 39 图 74. 中国光刻机发展历程 ......................................................................................................................... 40 图 75. 上海微电子发展历程 ......................................................................................................................... 40 图 76. 600 系列光刻机集成电路前道制造 ................................................................................................. 41 图 77. 500 系列光刻机 —— IC 后道先进封装 .......................................................................................... 41 图 78. 300 系列光刻机集成电路前道制造 ................................................................................................. 42 图 79. 200 系列面板光刻机 ........................................................................................................................... 42 图 80. 中国光刻机相关技术 ......................................................................................................................... 43 图 81. 苏大维格产品与技术布局 ................................................................................................................. 44 图 82. 苏大维格的各类光刻设备 ................................................................................................................. 44 图 83. 苏大维格的光学产品 ......................................................................................................................... 45 图 84. 苏大维格各类产品营收情况（单位：亿元） ................................................................................. 45 图 85. AR-HUD .............................................................................................................................................. 46 图 86. 苏大维格光波导镜片 ......................................................................................................................... 46 图 87. 光伏铜电镀技术以铜代银 ................................................................................................................. 46 图 88. 芯源微显影涂胶（喷胶）设备 ......................................................................................................... 48 图 89. 精测电子可用于光刻工艺检测测量的产品 ..................................................................................... 49 图 90. ArF 工艺涂胶显影 Track 设备 ULTRA LITH 产品图........................................................................ 49 图 91. 美埃科技产品结构 ............................................................................................................................. 50 图 92. 上海微电子的高洁净度环境 ............................................................................................................. 50 图 93. 福晶科技发展历程 ............................................................................................................................. 51 图 94. 福晶科技产品 ..................................................................................................................................... 51 图 95. 炬光科技发展历程 ............................................................................................................................. 52

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 6

1光刻设备：半导体制造的核心装备
1.1光刻：决定芯片性能最关键工艺

自 1958 年第一块集成电路诞生以来，其工艺技术持续高速发展。随着集成电路工 艺制程的不断升级，晶体管集成度不断提高；观察到这一行业发展态势，英特尔 创始人之一的戈登.摩尔（Gordon Moore）提出：当价格不变时，芯片容纳的晶

体管数大约每 18 个月到 24 个月翻倍，这就是著名的摩尔定律。芯片集成密度与 可靠性的不断提升，推动了从大型机到个人电脑，再到移动终端、物联网、人工 智能的电子工业的革命。

完整的光刻工艺包括多个细分步骤：1.气相成底膜和增粘：对原始硅片清洗、脱 水，并涂抹增粘剂。2.旋转涂胶：对晶圆表面做光刻胶涂覆，实现指定的厚度和 均匀性，并把边缘和背面多余的光刻胶清洗掉。3.软烘：去除光刻胶中的溶剂。4.对准和曝光：将掩膜版和晶圆精确对准后进行曝光。5.曝光后烘焙：通过一定 温度激发曝光产生的酸，使部分光刻胶溶于显影液并提高显影的分辨率。6.显影：喷涂显影液，溶解光刻胶上被光照射过的区域，形成电路图形。7.坚膜烘焙：热 烘进一步去除残留的光刻胶溶剂，并提高光刻胶的粘性。8.显影检查：检测显影 后的电路图案，如果不符合要求需重新进行光刻步骤。

现代集成电路一般由多层结构组成，在芯片的生产中，需多次重复光刻、刻蚀、沉积等步骤，层层成形并最终形成完整的集成电路结构。

数据来源：ASML 官网，TEL 官网，中科院微电子所，iopscience，财通证券研究所

此外在光刻工艺中，涂胶显影设备、量测设备、光刻计算软件系统与光刻机配套 运行。

涂胶显影设备具备增粘处理、光刻胶（也包括抗反射层和抗水涂层）涂布、烘烤、显影液喷涂、晶圆背面清洗和去边、浸没式光刻工艺中晶圆表面去离子水冲洗（水 渍消除）等功能。涂胶显影设备的工作性能和工艺质量，直接影响到光刻的良率。

数据来源：ASML 官网，财通证券研究所

数据来源：ASML 官网，财通证券研究所

量测设备对光刻后电路图形的套刻误差（若干次光刻之间）、关键尺寸进行测量，并扫描识别图案缺陷，监控工艺质量并，将信息反馈给光刻计算系统以改善工艺。

光刻计算系统是光刻步骤的神经控制中枢：它能够依据给定的部分参数，对光刻 的工艺流程、材料、环境进行高精度仿真，预测光刻的结果，节省大量试错的成

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 12

本。同时，光刻计算系统也会根据量测设备反馈的测量参数，调整光刻设备的光 照、聚焦、掩膜系统的各项设置参数。

数据来源：三星官网，财通证券研究所

数据来源：Applied-microswiss 官网，财通证券研究所

除了各类设备之外，光刻工艺中所使用到的光刻胶、掩膜版、电子特气等也具有 较高的技术壁垒。

光刻胶（Photoresist）是指通过紫外光、电子束、离子束、X 射线等照射，其溶解 度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。由感光树脂、增感剂和溶剂 3 种主要成分组成 的对光敏感的混合液体。曝光后的光刻胶经过显影液处理后，会留下所需要的电 路图案。

光刻掩膜版（光罩 Mask Reticle），是光刻工艺所使用的图形母版。由不透明的 遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形结构，通过曝光过程将掩膜版上图形信息转 移到光刻胶图形上。

光刻用电子特气主要包括 Ar/Ne/Xe、Kr/Ne、F2/Kr/Ne、F2/Ar/Ne。光刻气中的惰 性气体和卤素气体在受到电子束激发后所形成的准分子发生电子跃迁后可产生特 定波长的光，即可产生准分子激光。

1.2光刻图谱：多种路线并存，扫描式光刻为主流

半导体生产中，光刻技术的发展经历了多个阶段。接触/接近式光刻、光学投影光 刻、分步（重复）投影光刻出现时间较早。集成电路生产主要采用扫描式光刻、浸没式扫描光刻、极紫外光刻的工艺。此外，X 射线/电子束光刻、纳米压印、激 光直写技术可能是未来的技术突破方向。

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 13

数据来源：《集成电路产业全书》，王阳元，财通证券研究所

1.2.1 接触/接近式光刻机（Aligner）：光刻设备鼻祖

1961 年美国 GCA 公司制造出了第一台接触式光刻机，掩模盖与光刻胶图层直接 接触，光线透过掩膜进行曝光时可以避免衍射。接触式光刻机的工作方式，对光

刻胶和掩模版都存在损坏和污染，生产良率低，掩模版寿命短。为解决上述问题，

产生了接近式光刻机，掩膜和表面光刻胶之间存在微小空隙。这些新设计提高了 良率和使用寿命，但是光在微小间隙中的衍射现象，使得最高分辨率只有 3 微米 左右。这一时期的光刻机厂商有 Siemens、GCA、Kasper Instruments 和 Kulick＆Soffa 等，典型的芯片产品有英特尔 4004/3101。接近/接触式光刻厂家，目前还有 德国苏斯和奥地利 EVG,其设备主要服务于 MEMS、先进封装、三维封装、化合 物半导体、功率器件、太阳能领域。

数据来源：《集成电路与光刻机》，王向朝, 戴凤钊，财通证券研究所

数据来源：苏斯公司官网，财通证券研究所

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 14

1.2.2 扫描投影/重复步进光刻机（Stepper）：仍满足大线宽工艺

Perkin Elmer 在 1973 年推出了 Micralign100，世界首台投影式光刻机，采用汞灯

光源，孔径数值 0.17，分辨率 2 微米。工作过程中，扫描台承载硅片与掩膜版同

步移动，汞灯发出的光线经过狭缝后成为均匀的照明光，透过掩膜将图案投影在

光刻胶上。其对称的光路设计可以消除球面镜产生的大部分像差， Micralign 让芯

片生产的良率，从 10%提升到了 70%。

数据来源：《集成电路与光刻机》，王向朝, 戴凤钊；《Lithography and Other
Patterning Techniques for Future Electronics》, Stephen Y Chou，财通证券研究 数据来源：《集成电路与光刻机》，王向朝, 戴凤钊，财通证券研究所 所

为了满足更高的进度要求，1978 年,美国 GCA 公司推出了首台步进重复投影光刻 机。其工作原理如上右图中第二小图所示，硅片表面存在若干个曝光场（22mm x 22mm），分步重复投影光刻机每次整体曝光一个场。

步进重复光刻机不需要实现掩模和圆片同步反向扫描，在结构上不需要扫描掩模

台和同步扫描控制系统，因而结构相对简单，成本相对较低，性能更加稳定。同

时，由于其采用缩小倍率的物镜（4:1 或 5:1 或 10：1），降低了掩膜版的制作难度，能够满足 0.25 微米以上线宽制程的工艺要求。目前，步进重复光刻机仍然广泛应 用在非关键层、封装等领域，采用 g 线或 i 线光源，少数高端设备采用 KrF 光源。

数据来源：上海微电子官网，财通证券研究所

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 15

上海微电子装备公司于 2009 年开发 SSB500 系列步进重复光刻机，2015 年在封装 领域市占率已达 40%。

1.2.3 步进扫描光刻机（Scanner）：主流光刻设备通用

集成电路工艺制程达到 0.25 微米后，步进扫描式光刻机的扫描曝光视场尺寸与曝 光均匀性更具优势，逐步成为主流光刻设备。其利用 26mm x 8mm 的狭缝，采用 动态扫描的方式（掩膜版与晶圆片同步运动），已经可以实现 26mm x 33mm 的曝

光场。当前曝光场扫描完毕后，转移至下一曝光场，直至整个晶圆片曝光完毕。

数据来源：华卓精科招股说明书，财通证券研究所

数据来源：《集成电路产业全书》，王阳元，财通证券研究所

通过配置不同类型的光源（I 线、KrF、ArF，EUV），步进扫描光刻机可以支持所 有集成电路工艺节点；但为满足高端工艺节点的性能要求，每一代步进扫描光刻 机都历经了重大技术升级。例如：步进扫描式光刻机 26mm x 8mm 的静态曝光场 相对较小，降低了物镜系统制造的难度；但其工件台与掩膜台反向运动的动态扫 描方式，提升了对运动系统的性能要求。对此，荷兰 ASML 公司于 2001 年首次推 出了双工件台，满足先进工艺的的速度、精度、稳定性要求。

1.3各项革新推向光刻性能巅峰

自 1990 年美国 SVGL 公司推出 Micrascan I 步进扫描光刻机以来，全球主流光刻 机厂商均采用步进扫描光刻原理。这其中，DUV 步进扫描光刻机包揽 7 纳米及之 前的全部工艺制程。在 1990 到之后的这近 30 年时间里，集成电路制造工艺水平 已经发生翻天覆地的变化。而为了满足先进制程的各项要求，光刻机除了之前提

到的双工件台外，还采用了多项其他重大革新。

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 16

SVGL 公司于 1993 年推出的 Micrascan II 型光刻机，采用 250nm 汞灯光源，分辨 率为 350nm,孔径数值为 1.35。1995 年，日本尼康推出全球首台采用 248nm 的 KrF 光源的光刻机，分辨率达到 250nm；并于 1999 年推出首台采用 193nm 的干式 ArF 光源的光刻机 NSR-S302A，分辨率小于 180 纳米。在此之后，光源波长一直停滞 在 193nm 水平，提升分辨率主要依赖改良物镜，提升孔径数值。

针对如何进一步提升分辨率的问题上，各厂家产生技术争议。日本企业计划采用

157nm 的 F2 光源；荷兰 ASML 决定采用台积电研发副总监林本坚提出的，在物 镜镜头和晶圆之间增加去离子水增大折射率的设想。ASML 于 2004 年推出首台浸 没式光刻机（ArFi）TWINSCAN AT 1150i，获得客户迅速认可，市场份额得以快

速攀升。

数据来源：IEEE,财通证券研究所 数据来源：ASML,财通证券研究所

采用浸没式系统的光刻机，其入射到晶圆表面的光线等效为 134nm 的波长，叠加 物镜的不断改进（孔径数值 NA 最高可达 1.35），整机的半周期分辨率（half-pitch）提升到了小于 38 纳米的级别，可满足 28 纳米工艺需求。但当制程等级达到 22 纳

米级别时，光刻机的分辨率也已力不从心，各大晶圆厂分分引入了多重膜版工艺。

数据来源：Lam research, 财通证券研究所

数据来源：Lam research,财通证券研究所

多重掩膜版工艺有多个细分类，其中双重曝光（DE）在 28 纳米节点首先启用，用 于改善图形质量。此外，曝光-固化-曝光-刻蚀（LFLE）、双重光刻（LELE）、三重 光刻（LELELE），自对准多重图形（SAMP）技术陆续在 14/16nm-7nm 工艺节点

发挥了重要作用。多重掩膜版工艺的发展，对光刻设备提出了更高的要求。

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 18

数据来源：《集成电路产业全书》，王阳元，财通证券研究所

首先，为保证两次光刻之间的精准对齐（否则会产生电路错位或高度均匀性偏差），光刻机需要严格控制套刻误差；为此光刻机升级采用更精确的对准系统和运动系 统，也配备了更高等级的套刻误差测量设备。

其次因为采用双重光刻（LELE）等使每次曝光的图案间距增大一倍，但是对图案 本身线宽的要求并没有降低。对此，光刻机需要更好的图案质量和稳定性，更小 的光学畸变。

数据来源：ASML, 财通证券研究所 数据来源：ASML,财通证券研究所

针对 5 纳米及以下的制程节点，分辨率更高极紫外光刻机（EUV）成为必需设备。因为当工艺节点达到 7 纳米等级后，自对准四重图形（SAQP）等成为光刻工艺的 主流方案，也产生了相关技术难题。首先，自对准四重图形和三重光刻包含大量

配套的刻蚀、薄膜沉积、去胶和膜层剥离等步骤，工艺复杂程度急剧提升，保持 良率难度大。其次多重曝光所采用的 193nm 光源本身的分辨率极限，其成像能力 不满足 5 纳米或更高等级制程需求。EUV 光刻机也可降低 10-7 纳米等级芯片生产 的复杂程度。

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 19

数据来源：ASML，财通证券研究所

与 DUV 使用的准分子激光光源不同，EUV 光刻采用 13.5nm 波长的离子体光源。这种光源是通过二氧化碳激光器轰击雾化的锡（Sn）金属液滴，将它们蒸发成等

离子体，通过高价锡离子能级间的跃迁获得的。

由于 EUV 光线波长短很容易被空气吸收，所以工作环境需要被抽成真空，也无法 被玻璃透镜折射。硅与钼镀膜的布拉格反射器（Bragg reflector，一种多层镜面，

可以将很多小的反射集中成一个更强的反射）取代了原有的物镜。德国光学公司

蔡司（Zeiss）生产世界上最平坦的镜面，使得 EUV 光线经过多次反射后能够精准 的投射到晶圆上。目前 ASML 最先进的 EUV 设备为 NXE 3600D，分辨率达到 13 纳米，适用于 3-5 纳米芯片制程，未来计划通过进一步提升孔径数值来提高分辨

率水平。

1.4电子束、纳米压印：潜在的另辟蹊径

数据来源：Matteo Altissimo,财通证券研究所

数据来源：吉仓纳米，财通证券研究所

电子束/激光直写技术使用带电粒子/激光直接轰击对象表面，在目标基片上一次形

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 20

成纳米图案构造，无需制备价格昂贵的掩膜版，生产准备周期较短。这其中激光 直写光刻已经运用到了 PCB 制造中。电子束光刻具有极高的分辨率（10 纳米等 级）和曝光精度，有望成为 EUV 光刻之外的另一种选择。目前电子束光刻的技术 局限是工作效率较低，无法运用在大规模集成电路生产中；后续的多电子束光刻 有望在未来解决这一问题。

纳米压印采用电子束等技术将电路图案刻制在掩膜上，然后通过掩膜使得对象上 的聚合物变形，再采用某种方式使得聚合物固化，进而完成图案的转移。纳米压 印具备分辨率高，成本低的特点；但其同时存在刻套误差大，缺陷率高，掩膜版 易被污染的技术问题。

2光刻机：多种先进系统的精准组合
2.1光刻机的整体结构

2.2光源系统：光刻机的能量源泉

i 线（365nm 波长）及以上波长光刻机使用的光源是高压汞灯。高压汞灯能提供

254～579nm 波长的光。使用滤波器可以选择性的使用 i 线（365nm）、H 线（405nm）

或 G 线（436nm）为光刻机提供照明光源。

数据来源：《集成电路与光刻机》，王向朝, 戴凤钊，财通证券研究所

数据来源：《集成电路与光刻机》，王向朝, 戴凤钊，财通证券研究所

KrF 和 ArF/ArFi 光刻机使用准分子激光器作为光源，其工作的原理是：惰性气 体（Kr，Ar）在电场和高压环境下与卤族元素气体（F2，Cl2）反应生成不稳定的 准分子。激发态的准分子又不断分解，并释放深紫外（DUV）的光子。KrF 与 ArF 准分子分别释放 248nm、193nm 波长的光子。准分子激光是脉冲式的，其关键的

技术参数有脉冲的频率、输出功率、持续时间、稳定性等。

光源更高输出功率，意味着曝光时间缩短和光刻机产能提高。美国 Cymer 和日本 GIGAPHOTON 的最新型光源，输出功率已达到 120W，脉冲的频率是 6000Hz，脉冲持的续的时间在 100～150ns。

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 22

降低光源系统的能耗和激光腔更换成本，也是降低光刻成本的主要方式。DUV 光 源主要通过三种方法来降低功耗、延长激光腔使用寿命。

第一是改善腔体内部件的绝缘度。气体在腔体内电极之间的流动是由风扇（CFF）驱动的,通过改善腔体内部件的绝缘度可以降低功耗 19％。

第二个是增强气体的预电离（pre-ionization）。电极之间的间距大约有 10mm 左右，如果不对气体作预电离，很难在电极之间形成稳定的放电，也会增加电极的损耗。

第三个是电极表面特殊处理。电极的损耗限制了激光腔使用寿命，损耗程度与产 生的激光脉冲次数（laser pulse）成正比。在放电时，气体中的 F 会不断腐蚀金属 制成的电极。经过特殊表面处理后的电极的抗腐蚀和抗离子溅射能力大大提高，可以使激光腔的使用寿命增大到 600 亿次脉冲以上。

数据来源：中国电子科技集团第十三研究所，《Cymer 准分子激光器的工作原理及应用》宋健等 4 人，财通证券研 究所

激光光源在工作时，其内置的测量模块会测量各项运行参数，记录在系统中并传 输到光刻机和晶圆厂内部的数据系统中。这些状态参数包括：输出能量、波长、频宽、束斑的形状、束斑的位置和发散度等。有些数据有助于工艺工程师监测光 刻工艺的稳定性，并及时发现各类异常。

数据来源：GIGAPHOTON 官网，财通证券研究所

数据来源：ASML 官网，财通证券研究所

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 24

EUV 光源是目前最先进的光源。EUV 光刻机采用的是 CO2 激发的 LPP 光源，主 要由主脉冲激光器、预脉冲激光器、光束传输系统、锡液滴靶、锡回收器、收集 镜等构成。

EUV 光源的主要工作方式为：在真空腔体中，将高温熔融并加电磁场使其处于等 离子体状态的锡从喷枪中等间隔喷出，每个锡滴的大小保持在 7.5-13 微米左右。当锡滴经过中心区域时，安装在腔壁上的高分辨率相机捕捉到锡滴，反馈给计算 机。计算机综合定位控制、激光光束轴、定时控制器等系统的数据，控制激光枪 连续发射两个脉冲击中该锡滴体。

第一个激光脉冲可使锡滴压扁为饼状，第二个脉冲紧随其后再次击中该锡滴，两 次高能激光脉冲可将该锡滴瞬间加热至 50000K，从而使锡原子跃升至高能态，并 回归至基态释放出 13.5nm 的紫外光,经收集镜导入到曝光系统当中。

超导磁场系统位于 EUV 腔外部，并能在 EUV 腔内产生高强度的磁场，从而保护 收集器镜面不受锡等离子体产生的高速锡离子的影响。EUV 光源的输出功率是重 要性能指标。目前最先进的 NXE 3400C 型光刻机，输出功率已达到 250w,未来有 可能升级到 300w。下一代 High-NA 光刻机计划将功率提升到 500w。

2.3照明与物镜投影系统：精准成像

照明系统位于光源和掩模台之间，其功能是调节照明光场的空间和角谱分布，为 掩膜版提供曝光最合适的照明光场（不同掩膜版图案适用不同的照明光场）。主要 功能包括：均匀照明、变化不同的照明方式、控制晶圆的曝光剂量。

晶圆表面一格点的曝光剂量是照明光场在扫描方向上的能量积分（累计值），其分 布直接影响分辨率均匀性，所以照明均匀性成为关键性能指标之一。

照明系统的能量监测单元，可测量准分子激光器发出的单个脉冲能量，并调整激 光器的单脉冲能量，使累积的能量达到预定的曝光剂量。可变透过率单元，根据 曝光剂量及均匀性的要求改变光的透过率，调整照明光的光强。

数据来源：ASML，财通证券研究所

数据来源：中国科学院，财通证券研究所

早期光刻机使用衍射光学元件（DOE）来调节照明方式（光瞳形状）。激光光源发 出的光，通过准直系统变成平行光后，投射到衍射光学元件上，再被折射到指定 位置，从而形成特定的照明方式。2010 年左右生产了光源掩模协同优化（SMO）技术，可对照明光场像素化编程，能快速生成任意照明模式。

SMO 系统的核心是一个可编程微反射镜阵列，微反射镜阵列中有数千个微反射镜，每个微反射镜都可以在照明系统光瞳面上产生一个光点。SMO 系统可控制各个微 反射镜的偏转角度，调节每个微反射镜的指向，从而得到目标光源。掩膜版图形 也会根据 SMO、光学邻近效应修正（OPC）等光刻计算软件的模拟仿真结果进行 调整。

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 27

数据来源：《OPC)-friendly maze routing》，Li-Da Huang, Martin D. F. Wong，财通证券研究所

光学邻近效应修正（OPC）系统通常与 SMO 系统组合运行。从 180 纳米制程节 点开始，集成电路中的最小线宽已经小于光源波长。曝光时相邻图形光线的干涉 和衍射效应会导致图像畸变，使得晶圆上的图形和掩模上的图形差别较大，（线条 宽度会变窄、窄线条端点会收缩、图形拐角处变圆滑）。OPC 系统依据光照条件和 电路图案，对掩模上的图形做适当修改可以补偿这种效应。

数据来源：ZEISS, 财通证券研究所 数据来源：ZEISS，财通证券研究所

位于掩膜版和晶圆之间的投影物镜系统，也可以通过计算光刻系统与 SMO、OPC 技术相结合，实现照明、掩膜、投影物镜的协同优化，提高光刻机的成像质量。

投影物镜将掩膜版图形，按照一定的缩放比例（通常是 4:1）投射到硅片面。由于 掩模图形的线宽是硅片上的 4 倍，降低了掩模制造难度、减小了掩模缺陷对光刻 的影响。但由于光源的波长不断减小，导致投影物镜的可用材料种类越来越少。大部分光学材料在深紫外（DUV）波段透过率都很低，可用材料只有熔融石英与 氟化钙，世界上只有少数几家材料供应商能够提供。

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 28

数据来源：《超大规模集成电路先进光刻理论与应用》, 韦亚一，《Detecting abnormal behavior in lithography Machines》，B.Dassen，财通证券研究所

即使是采用最高等级材料制作的透镜，也不可避免地存在像差。物镜镜片长时间

曝光后的热效应、镜片的老化变形、光学元件缺陷、及透镜技术的自身光学局限

都会导致像差。其中，对像差形成影响最大的光线经过透镜后的波前畸变，波前 畸变可用泽尼克多项式描述。光刻机光学系统的设计，需要考虑 64 阶的尼克多项 式系数影响。

先进集成电路光刻工艺对像差的要求非常严格。高端光刻机（浸没式/EUV）的像 差与畸变已经降低到 1 纳米以下水平。为有效控制图像畸变，光刻机的投影物镜 系统会在工作过程中，实时调整自身的光学元件。

数据来源：Spie Digital Library, Yasuhiro Ohmura,等 16 人，财通证券研究所

数据来源：ASML，财通证券研究所

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 29

投影物镜系统的光学元件调整机制，与 OPC、SMO 等光刻计算系统协同运作。主要的运作方式为：在光瞳附近增加可局部加热的光学元件，通过控制该元件局 部温度的变化改变材料折射率，实现高阶波像差的补偿；或是在投影物镜光路中 增加变形镜，通过控制变形镜的形变改变光程，实现高阶波像差的补偿。

数据来源：ZEISS,ASML,财通证券研究所 数据来源：ASML,财通证券研究所

EUV 光源发出的波长为 13.5 纳米的极紫外光，被几乎所有光学材料强吸收，故 EUV 光刻机的照明系统的投影物镜系统只能采用全反射式结构。EUV 的反射镜 对加工精度的要求极高，其表面镀有钼/硅多层膜及一层 2-3nm 的钌保护膜。钌膜 可以有效延缓钼/硅的氧化，降低碳在表面沉积的速率。

2.4工件台系统：光刻产能与精确对准的关键

双工件台系统于 2000 年被荷兰 ASML 公司发明推出，被称为 TWINSCAN 系统。在双工件台系统中，两个工件台相对独立但同时运作；一个工件台承载晶圆做曝 光时，另一个工件台对晶圆做对准测量等准备工作。当第一个工件台的曝光步骤 完成后，两个工件台交换位置和功能。

数据来源：《集成电路与光刻机》，王向朝, 戴凤钊，财通证券研究所

数据来源：ASML，财通证券研究所

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 30

双工件台的工作过程中，晶圆在测量工件台上完成晶圆片装载、三维形貌测量后，两个工件台通过位置交换进入曝光位置，再与掩模对准后，完成扫描曝光。

老式的光刻机中只有一个工件台，晶圆的上下片、测量、对准、曝光依次进行；而在双工件台光刻机中，大部分测量、校正工作可以在非曝光工件台上进行，曝 光位置的利用效率大幅提高。双工件台的发明使得光刻机的产能有了大幅度的提 高。传统的单工件台光刻机很难实现其产能超过 100WPH，而基于双工件台的 ASML 浸没式光刻机的产能已经能超过 200WPH，部分新型光刻机产能已经接近 300WPH。

传感器，TIS 对准系统将掩膜上的 TIS 标记投射到工件台 TIS 传感器上，进而计算 出掩膜图形与晶圆的相对位置。

TIS 与 ATHENA 对准系统主要依赖光学原理进行，更先进的对准系统采用更多波 段的光源，进一步提高对准精度。

数据来源：ASML, 财通证券研究所 数据来源：ASML，财通证券研究所

硅片曝光过程中，工件台需要反复进行步进、加速、扫描、减速等运动。实现高

产率要求工件台具有很高的步进速度、很高的加速度与扫描速度。目前高端 ArF 光刻机套刻精度已达到 1.4nm。为实现这些指标，工件台的定位精度已达到亚纳 米量级，速度达到 1m/s，加速度达到 30m/s 或更高。此外，工件台/掩模台在高速

工件台的这些指标，对超精密机械技术提出了很高的要求。

数据来源：《超大规模集成电路先进光刻理论与应用》, 韦亚一，财通证券研究所

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 32

光刻机的物镜存在聚焦深度，聚焦深度外的光刻胶无法有效曝光。因此，对掩模 图形进行曝光时，整个晶圆表面必须处于焦深之内。然而晶圆表面并不是完全平 整的，尤其是经过多次刻蚀、沉积之后。因此曝光前，必须对晶圆面进行高精度 的调焦调平。首先通过调焦调平传感器，确定最佳的焦面距离和倾斜量，然后通 过工件台进行调节，使晶圆表面待曝光区域位于焦深范围之内。先进的 ArFi 光刻 机的焦深在 100nm 以下，因此双工件台需要具备纳米级别的调节能力。

3光刻设备市场规模大，国产亟待零的突破 3.1芯片制程升级，光刻设备成本占比不断提升

光刻机是半导体前道制造设备之首，最大的半导体设备细分类市场。光刻机是集 成电路制造的核心设备，全球半导体设备市场中光刻机占比超 24%。且随着半导 体制程升级晶体管尺寸缩小，图案转移难度加大，光刻机的重要性和开支占比有 望继续提升。

测试, 9%

数据来源：IC Insight，财通证券研究所 数据来源：SEMI 财通证券研究所

据观研天下估算 2021 年全球光刻机市场规模为 181 亿美元，预计 2022 年将达

到 201 亿美元。与光刻设备配套的显影涂胶设备 2021 年市场规模超 30 亿美元。

数据来源：观研天下，财通证券研究所

数据来源：观研天下，财通证券研究所

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 33

光刻机销售数量的高速增长，与光刻设备单价的提升，有力推动了全球光刻设备 市场的不断扩大。

2020 年起，疫情导致电子产品需求增加，新能源车渗透率提升等事件的影响，全 球半导体市场步入景气周期。据 IC Insights 统计，2020-2022 年全球半导体市场规 模预计将从 4926 亿美元增长到 6548 亿美元。在此期间，晶圆厂积极扩产，光刻 机交付周期不断延长。为保证设备交付，各晶圆厂纷纷提前下单订购设备，进一 步推升了光刻机的销量。

数据来源：ASML,财通证券研究所 数据来源：ASML,财通证券研究所

出货量不断增加的同时，光刻机单价也不断提升。

随着芯片制程不断升级，所需光刻机种类发生变化；逻辑制程从 5 纳米节点开始，必须使用 EUV 光刻机，光刻设备开支占比明显提升；DRAM 芯片从 1A 节点开始 逐步采用 EUV 光刻机；3D NAND 芯片由于多层叠堆技术的发明，仍使用较老式 的光刻机，光刻设备开支占比有所下降。整体上 ArFi 和 EUV 高端光刻机占比有 所提升；单台 EUV 光刻机售价超过 1 亿美元，推高了平均售价。

数据来源：ASML，财通证券研究所

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 34

3.2ASML 拥有近乎垄断市场地位

数据来源：ofweek,财通证券研究所

半导体前道光刻机市场被 ASML、Nikon、Canon 三家公司把持，市场集中度高，TOP3 市场占有率超过 90%。其中 ASML 由于其技术领先，垄断了单台价值量最 高 EUV 光刻机；ASML 也凭借自身在浸没式系统和双工件台的先发创新，占据了 ArF 和 KrF 领域的大部分市场。

日本 Nikon 在 ArF 领域有一定的技术积累，但其工件台等设计与行业主流不同，客户接受度较低，近两年光刻机销量持续下降。佳能已经完全退出高端光刻机市 场，出货量上升主要原因是 i-ine 光刻机出货量大幅增长。

数据来源：华经产业研究院，财通证券研究所

数据来源：Chipinsight，财通证券研究所

就出货机台数量而言，ASML 占 79.4％，Nikon 与 Canon 分别占据 10.4％和 10.2％的市场份额。日本 Canon 公司 2021 年光刻设备销售金额 2137 亿日元（19.6 亿美

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 35

元，包括 67 台面板光刻设备）；Nikon 公司销售光刻设备 2112 亿日元（19.37 亿美 元，包括 46 台面板光刻设备）。而 ASML 公司 2021 年销售金额为 186 亿欧元，全

部为前道光刻设备，相对两家日本企业的领先优势不断扩大。

3.3ASML 的发展历程

ASML 难以撼动的行业地位并非一蹴而就，其最早是 1984 年飞利浦因为经营危机 放弃非核心业务而成立的一家小公司。ASML 于成立当年推出第一款产品 PAS 2000 步进重复式光刻机。1985 年，拥有 100 名员工的 ASML 搬迁到新总部，1986 年推出新款的 PAS 2500 光刻机，并与德国的重要供应商蔡司（ZEISS）建立了合

作关系。

数据来源：ASML,财通证券研究所 数据来源：ASML, 财通证券研究所

1988 年，ASML 通过飞利浦在中国台湾的合资制造企业，进入亚洲市场，并在美 国设立了 5 个办事处。但当时激烈的市场竞争环境，使得 ASML 的财务压力极大，

只能依靠飞利浦的支持继续开展研发。

1991 年，ASML 推出 PAS 5500 型光刻机，其行业领先的产能和分辨率得到客户 认可，开始逐步实现盈利，并于 1995 年上市。ASML 此后高速发展，于 2001 年 推出TWINSCAN双工作台，之后几年推出了TWINSCAN XT系列浸没式光刻机，市场份额快速增长。2010 年 ASML 成功完成第一台 EUV 光刻机样机 NXE 3100，并成为 EUV 光刻机的唯一厂商。

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 36

路前道、先进封装、FPD 面板 MEMS、LED、Power Devices 等制造领域。

国望光学供应物镜投影系统，国科精密提供照明系统，浙江启尔机电提供浸没系 统，华卓精科研发双工件台。美埃科技与苏大维格为国产光刻机提供空气净化器 与光栅；炬光科技与福晶科技为 ASML 供应商，未来也有望参与光刻国产化。

数据来源：苏大维格官网，财通证券研究所

苏大维格的产品也包括反光材料与微纳光学产品。反光材料的成本中，化工原料 占 40%，受大宗商品价格波动影响大；微纳光学产品中，导光板和导电膜产品用 于面板和消费电子领域；包装与防伪材料，用于高端消费品包装和证件防伪领域。

20

图85.AR-HUD

数据来源：Smart Auto Club，财通证券研究所

数据来源：苏大维格公众号，财通证券研究所

苏大维格在纳米光场调控 3D 显示、增强现实光波导 AR 镜片、等领域进行了前 瞻性布局，并积极与相关产业方合作。在 AR/VR 领域，公司攻克了纳米波导光场 镜片批量化关键技术，相关业务有望在未来实现较快增长。

此外，在消费电子之外的汽车领域，公司开发了用于 AR-HUD 的大幅面光波导模 组，具备超薄、大视场、远虚像视距的显示效果。目前，公司正推进相关技术的 进一步研发，与下游头部企业对接 AR-HUD 的技术和产品应用。

数据来源：Duramat, 财通证券研究所

苏大维格在光伏领域，积极拓展自身设备和产品技术的市场。随着光伏高效电池 扩产落地，光伏电池用银需求将快速增长，银浆耗用量增大是限制光伏行业持续 推进降本增效的痛点之一。苏大维格的光刻机，在铜电镀光伏的图案化工艺方面，有着广阔的发展潜力。铜电镀光伏技术的加速渗透，苏大维格也有望在相关领域实现 突破。

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 46

4.2茂莱光学：供应多种前道光刻机零件

茂莱光学专注于精密光学领域，是国内领先的工业级精密光学厂商。公司掌握抛 光技术、镀膜技术、多棱镜胶合技术，部分工艺可实现纳米级精度；在半导体应 用领域，公司的精密光学产品主要应用于半导体检测和光刻机中，根据弗若斯特 沙利文的报告，2021年公司在全球半导体领域工业级精密光学市场的占有率为 3.0

%。

4.3芯源微：光刻机配套显影涂胶设备先行者

沈阳芯源微成立于 2002 年，由中科院沈阳自动化研究所发起，公司产品包括涂胶 机、显影机、喷胶机、去胶机、湿法刻蚀机、单片清洗机。公司涂胶显影相关技 术积累深厚，涂胶显影机 offline、I-line、KrF 设备全部实现批量销售并正在快速 放量，并陆续获得中芯京城、上海华力、长江存储、合肥长鑫、武汉新芯、厦门 士兰集科、上海积塔、株洲中车、青岛芯恩、中芯绍兴、中芯宁波、昆明京东方 等大客户的订单。

芯源微于 2022 年 11 月 30 正式推出浸没式 ArF 涂胶显影机，该产品具有高产能、高工艺能力、高洁净度、高扩展性和易维护性等优势。目前，该款机型已通过客 户端验证，达到客户量产要求，成功打破国外垄断。

公司高额进行研发投入，2022 年前三季度累计研发投入 0.95 亿。此外，公司的新 上海临港厂区已于 2022 年 8 月 5 日动工，用于生产前道 ArF 涂胶显影机。充足的 研发支出和配套生产设施的建设有望保障高端 ArF 设备顺利投产，并尽快扩大 ArF 产品的工艺覆盖率，有力提升公司盈利能力。

学关键尺寸测量设备)与 CD-SEM（关键尺寸扫描电镜）可用于光刻显影涂胶后，电路图案的检查。公司的 OCD 设备已通过工艺验证并实现小批量出货。

4.6美埃科技：有力保证光刻净化环境

美埃科技自成立之日起，即专注于电子洁净室行业，在长期的运营和研发中积累 了大量半导体领域的相关经验。公司所生产的风机过滤单元（FFU）、高效过滤器、超高效过滤器、化学过滤器等产品，用于维护中芯国际较高端的 14 与 28 纳米产 线厂房的空气洁净度。上海微电子装备公司开发国内首台 ArFi 光刻设备，机台内 洁净环境等级需要达到国际最高标准（ISO Class 1 级）。美埃科技提供了光刻机 所需的 EFU（超薄型设备端自带风机过滤机组）及 ULPA（超高效过滤器）等产 品，并通过了相关验收。

数据来源：美埃科技招股说明书，财通证券研究所

数据来源：美埃科技官网，财通证券研究所

4.7福晶科技：激光晶体打入 ASML 供应链

福晶科技于 1990 年，由中国科学院福建物质结构研究所设立，2008 年 3 月于深交 所上市。公司是全球知名的 LBO 晶体、BBO 晶体、Nd:YVO4 晶体、磁光晶体、精密及超精密光学元件、高功率光隔离器、声光及电光器件的龙头厂商，产品广 泛应用于激光、光通讯、半导体、AR/VR、生命科学、无人驾驶、检测分析仪器 等诸多工业领域。

谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 50

分析师承诺

作者具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格，并注册为证券分析师，具备专业胜任能力，保证报告所采用的数 据均来自合规渠道，分析逻辑基于作者的职业理解。本报告清晰地反映了作者的研究观点，力求独立、客观和公正，结论 不受任何第三方的授意或影响，作者也不会因本报告中的具体推荐意见或观点而直接或间接收到任何形式的补偿。

资质声明

财通证券股份有限公司具备中国证券监督管理委员会许可的证券投资咨询业务资格。

公司评级

买入：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅大于 10%；
增持：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅在 5%～10%之间；
中性：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅在-5%～5%之间；
减持：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅小于-5%；
无评级：由于我们无法获取必要的资料，或者公司面临无法预见结果的重大不确定性事件，或者其他原因，致使我们无法 给出明确的投资评级。

行业评级

看好：相对表现优于同期相关证券市场代表性指数；
中性：相对表现与同期相关证券市场代表性指数持平；
看淡：相对表现弱于同期相关证券市场代表性指数。

免责声明

本报告仅供财通证券股份有限公司的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为本公司的当然客户。本报告的信息来源于已公开的资料，本公司不保证该等信息的准确性、完整性。本报告所载的资料、工具、意见及推测只 提供给客户作参考之用，并非作为或被视为出售或购买证券或其他投资标的邀请或向他人作出邀请。

本报告所载的资料、意见及推测仅反映本公司于发布本报告当日的判断，本报告所指的证券或投资标的价格、价值及投资 收入可能会波动。在不同时期，本公司可发出与本报告所载资料、意见及推测不一致的报告。

本公司通过信息隔离墙对可能存在利益冲突的业务部门或关联机构之间的信息流动进行控制。因此，客户应注意，在法律 许可的情况下，本公司及其所属关联机构可能会持有报告中提到的公司所发行的证券或期权并进行证券或期权交易，也可 能为这些公司提供或者争取提供投资银行、财务顾问或者金融产品等相关服务。在法律许可的情况下，本公司的员工可能 担任本报告所提到的公司的董事。

本报告中所指的投资及服务可能不适合个别客户，不构成客户私人咨询建议。在任何情况下，本报告中的信息或所表述的 意见均不构成对任何人的投资建议。在任何情况下，本公司不对任何人使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何 责任。

本报告仅作为客户作出投资决策和公司投资顾问为客户提供投资建议的参考。客户应当独立作出投资决策，而基于本报告 作出任何投资决定或就本报告要求任何解释前应咨询所在证券机构投资顾问和服务人员的意见；
本报告的版权归本公司所有，未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、发表或引用，或再次分发给任 何其他人，或以任何侵犯本公司版权的其他方式使用。