2025年光刻机专题分析：工业明珠，自主高地

光刻机：光刻环节的核心设备，主流机型为投影式光刻机

光刻工艺是半导体制造过程中的核心工艺之一，曝光用到光刻机，主流机型为投影式光刻机。一般的光刻工艺要经历涂光刻 胶、前烘、曝光、显影、坚膜等工序，将晶圆表面薄膜的特定部分除去而留下带有微图形结构的薄膜，完成将设计好的电路 图形从掩模版上转移到晶圆片表面光刻胶上。 曝光工序由光刻机完成，光刻机可以分为无掩膜和有掩膜光刻机，有掩膜光刻机适用于集成电路的大规模制造，其中，投影 式光刻机是主流。

光刻机核心衡量指标：分辨率、套刻精度、产出率

衡量光刻技术等级和经济性的主要指标是：分辨率（Resolution）、套刻精度（Overlay）和产出率（Production）： 1）分辨率：指光刻机能够把掩模版上的电路图形在衬底面光刻胶上转印的最小极限特征尺寸。 2）套刻精度：指以上一层图形的位置（或者特定的参考位置）为参考，本层图形预定的期望位置和实际转印位置之间的偏差。 3）产出率：光刻机的产出率决定了光刻机的经济性能，单位通常是光刻机每小时处理的衬底片的数（WPH）。

光刻技术迭代：围绕瑞利公式，沿着更小的?1、更短的?、更大的??演进

光学系统的分辨率由瑞利判据给出，其公式为R = ?1 ∗ ? ?? ，R表示分辨率，?表示光源波长，?? 表示光学器件的数值孔径， ?1为光刻工艺因子，在波长和数值孔径一定的情况下，可以通过离轴照明、光学邻近效应修正、相移掩模和光源掩模优化 等光刻分辨率增强技术来降低?1。一般而言，?1在0.25-1.0之间，ASML认为其物理极限是0.25，所以当前光刻机的技术路 线主要从两个方面来提高分辨率： 1、缩短光源波长：光源从g线发展到当前的EUV，波长由436nm缩短至13.5nm； 2、增大数值孔径??：N? = ?????,n表示介质折射率，?表示物镜在像空间的最大半张角。增大NA的两种方式： 1）增大?：空气折射率? = 1，水的折射率? = 1.436，ASML的浸没式ArF方案可以将数值孔径提升至1.35； 2）增大?：在镜头和硅片距离保持不变的情况下，数值孔径越大，意味着镜头的直径也就要越大。镜头尺寸越大，制造 难度也就越大，结构也就越复杂。通常，最大能够实现的数值孔径由镜头技术的可制造性与制造成本决定。

整机拆解：光刻机由诸多子系统组成，光源、照明及投影物镜、工件台是三大核心

光刻机的各个主要子系统及主要作用如下表所示，各个子系统中，核心的几个子系统为光源、照明及物镜系统和工件台。

核心子系统（一）——光源：核心模块，波长决定了工艺能力

除了波长以外，发光强度（亮度）、频率带宽、相干性等参数也是选择光源的时候必须考虑的参数。商业应用较为成熟的光源 技术主要经历了三个阶段： 1、高压汞灯光源：早期，高压汞灯因其亮度和拥有许多尖锐谱线而被选作可靠的光源，不同的曝光波长可以通过使用不同波长 的滤光片来选择。基于放电的原理，使用汞蒸气来产生强烈的紫外线（ＵＶ）辐射。 2、准分子激光器光源：对更高分辨率的要求推动了曝光波长往更加短波长发展，如深紫外光谱段150～300nm。但是高压汞灯在 深紫外不仅强度不够，而且由于在长波段的辐射会产生热和变形。常见的紫外激光也不理想，如氩离子激光，因为过多的空间 相干性会造成散斑，影响照明的均匀性。相比之下，准分子激光由于其拥有以下的优点而被选为深紫外的理想光源：1）高功率 输出最大限度地实现了光刻机的产能；2）空间非相干性，不同于其他激光器，去除了散斑；3）大功率输出使得开发出合适的 光刻胶变得容易；4）从光学上讲，能产生频率狭窄的深紫外输出，使得设计出高质量的全石英光刻机镜头成为可能。 3、激光等离子体光源：芯片制程继续演进，借助193nm准分子光源的浸没式深紫外光刻技术已进入瓶颈，使用多次曝光技术的 工艺路线也已到达目前的商用极限。极紫外光刻（EUVL）采用13.5nm的极紫外光源，被认为是下一代光刻商用化路线必需的技 术，激光等离子体光源是极紫外商业化较为成功的光源。

核心子系统（二）——照明系统：结构复杂的非成像系统

光刻机照明系统位于曝光光源与投影物镜之间，是复杂的非成像光学系统，主要功能是为投影物镜成像提供特定光线角谱和强 度分布的照明光场；主要包括光束处理、光瞳整形、能量探测、光场匀化、可变狭缝、中继成像和偏振照明等单元。 1）光束处理单元：与曝光光源直接相连，主要实现光束扩束、光束传输、光束稳定和透过率控制等功能，其中光束稳定由光束 监测和光束转向两部分组成；2）光瞳整形单元：位于光场匀化单元之前，用于控制照射到掩模板上 照明光场的光线角谱，掩模面照明光场光线角谱与光瞳面光强分布相 对应，光瞳面光强分布即为照明模式。随着集成电路图形的复杂化， 光刻机需要采用针对特定图形具有分辨率增强效果的定制照明模式， 从而发展出可实现自由光瞳照明的光瞳整形单元； 3）光场匀化单元：用于生成特定强度分布的照明光场，在非扫描方向 上照明光场为均匀分布，在扫描方向上为梯形分布或平顶高斯分布， 其作用是减小扫描曝光过程中的激光脉冲量化误差，获得更均匀的曝 光剂量； 4）可变狭缝：与掩模台（承载掩模板）和工件台（承载硅片）同步运 动，是实现大曝光场的关键部件。 5）中继成像单元：将可变狭缝的刀口面成像到掩模面上，以实现对掩 模板的照明。 6）能量探测单元：实时探测激光脉冲能量，是实现曝光剂量控制的关 键单元。 7）偏振照明：主要应用于高数值孔径浸没式曝光光学系统中，是浸没 式光刻机的分辨率增强技术之一。

全球光刻机市场空间测算

实际生产根据制程需要对不同的光刻机搭配使用。芯片的制造包括前段的晶体管制造环节和后段的金属布线环节，从下到上， 芯片每一层的关键尺寸有所不同。在实际生产中，FAB厂会综合考虑技术可行性、成本和效率等，将各个类型的光刻机搭配使 用，比如，前段制程一般会使用分辨率较高的光刻机，而在后段制程中则使用分辨率相对较低的设备。 2021-2023年，全球光刻机年均市场规模为184亿欧元，其中高端的浸没式和EUV光刻机呈现量小价高的鲜明特点。不同制程 节点的芯片制造产线对于光刻机的需求搭配是不同的，我们通过量 价的方式对于全球的光刻机市场空间进行测算，得到 2021-2023年全球光刻机市场规模约为145/164/244亿欧元。细分类型来看，尽管分辨率更高的浸没式光刻机和EUV光刻机需求 量比较小，但由于其二者价格显著高于更成熟的光刻机，因此其二者的市场规模也明显高于其他细分品类的光刻机。

全球光刻机竞争格局：ASML垄断高端市场，Canon和Nikon在低端市场占据一定份额

光刻机作为最尖端半导体设备品类，竞争格局呈现极高的集中度，且越高端的机型市场集中度越高。以2023年数据为例， 1）EUV光刻机市场由ASML垄断； 2）浸没式光刻机市场中，尽管日本尼康也有出货，但ASML市占率在90%以上； 3）在分辨率较为成熟的KrF和i-line领域，日本的两家公司i-line光刻机的出货量合计为155台，ASML的i-line光刻机出货55 台，可见日本两家公司i-line光刻机的占全球市占率约73.8%，同理可计算两家日本公司在KrF光刻机的全球市占率为24.0%。

国产化情况：国产化率几乎为0，制裁倒逼全产业链国产化

光刻机整机市场大，国产化率低。光刻、刻蚀和薄膜沉积是半导体制造的三大核心工艺，根据Gartner2022年的数据，光刻机、 刻蚀机、薄膜沉积设备的市场规模在整体的半导体设备市场中分别占比17%、22%和22%。相较于刻蚀和薄膜沉积设备已经可以 实现一定程度的自主可控，光刻机的国产化率几乎为0。 制裁倒逼光刻机从整机到零部件供应链的全国产化。美国联合荷兰对我国半导体产业实施多轮制裁，目前来看，EUV完全对我 国禁售，ASML的2000i及以上的浸没式光刻机的出口许可证也于2024年年初失效，稍低端的1980i和1970i的出口则需要荷兰政 府的许可证，实施光刻机整机自主可控是大势所趋。此外，BIS于2022年年底将国产光刻机厂商上海微纳入实体清单，基本不 可能从美国获得《出口管理条例》所列物项和技术，而目前成熟光刻机的一些核心零部件依赖美国供应商，因此国产光刻机 的零部件供应链的国产化建设也至关重要。

国内光刻机产业链：高校/科研院所承担研发攻关任务，产业化中孵化出一批公司

从前文可以看出，光刻机的每个子系统都是复杂的系统工程，把各个子系统组装成可使用的整机是更为复杂的系统工程，尽 管自上世纪90年代，我国科研团队就开始了光刻机相关研究，但受限于国外设备、技术的封锁，以及自身技术薄弱等原因， 进展一直落后于国外。2008年，我国出台了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》，其中明确了16个科技重 大专项，其中排名第二的就是“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”，因此也被业内称为“02专项”。光刻机项目作为 “02专项”的核心项目之一由此开启，根据“02专项”的部署，上海微电子负责光刻机整体的系统设计和系统集成；中科院 长春光学精密机械和物理研究所（简称长光所）牵头负责物镜系统的研发，中科院上海光学精密机械研究所（简称上光所） 负责照明系统的研发，两者一起组成光刻机的曝光光学系统；清华大学牵头负责光刻机双工件台设计；浙江大学牵头负责研 发光刻机浸液系统。产业化的进程中，各高校和科研院所也孵化了一批公司。

报告节选：

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