2025年光刻机行业深度报告：核心部件篇，曙光已现

1、芯片制造核心设备

芯片制程核心设备，投影式成为主流机型

光刻工艺直接决定集成电路制造的细微化水平。光刻工艺是对光刻胶进行 曝光和显影，形成三维光刻胶图形的过程，光刻胶图形为所有后续图形转 移工艺提供了基础，直接决定集成电路制造的微细化水平。光刻工艺的核 心是对准和曝光，实现设备是光刻机。

步进扫描式投影光刻机成为主力机型。根据曝光工艺的不同，光刻机可以分为接触式、接近式、投影式、无掩模/直写式等类型，其中投影光刻机经历扫描投影、分布重复投影和步进扫描投影等阶段。 接触式：最为简单、经济，可实现亚微米级特征尺寸图形的曝光，至今仍应用于小批量生产和实验室研究中。 接近式：掩模版与光刻胶之间留有间隙，减少掩膜与光刻胶的污染和损坏，然而间隙使得晶圆处于菲涅耳衍射区域进而限制分辨率，主要应用于特征尺寸在3μm以上的集成电路生产。 投影式：集成电路制造的主流机型，其中步进扫描逐渐成为主力机型。 Ø 直写式：因其高精度，工艺尺寸难以进一步缩小。

光刻机关键指标：分辨率、焦深、套刻精度、产率

光刻机技术等级和经济性的主要指标有分辨率、套刻精度、产率和焦深，其中，1）分辨率是指光刻能够将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（CD）；2）套刻精度是描述在非理想情况下，前一层电路图案与当前层电路图案套准偏移的参数；3）产率是指光刻机单位时间处理的衬底片数，决定设备的经济性能；4）焦深是指光刻机能够清晰成像的范围。

光刻机关键指标：分辨率

瑞利公式决定光刻分辨率。对于投影光刻技术，光刻分辨率由瑞利公式决定， 即R=k1*λ/NA，提高分辨率R的方法包括：缩短曝光波长λ、增大数值孔径NA、 降低工艺因子k1。随着数值孔径和工艺因子等因素都达到极限后，采用多重曝 光技术能够进一步提高光刻机分辨率。

分辨率提升方式1-缩短曝光波长：通过光源选择可缩短曝光波长，i线（365nm波长）及以上波长光刻机所用光源是高压汞灯，KrF（248nm波长）和ArF（193nm波长）光刻机所用光源是准分子激光器，目前商用EUV光刻机采用的是激光等离子体光源（LPP）。

难点：波长的缩短过程面临诸多难点，包括光学材料、光刻胶材料、光源和投影物镜的设计等，通常这些因素相互制约，比如随着波长缩短，光学材料吸收变大，可选材料类型减少，投影物镜色差校正困难，可能需要采用成本更高的折反射方案或降低光源线宽，而线宽降低又对光源提出很高要求。

分辨率提升方式2-增大数值孔径：根据NA=n*sinθ，物镜像空间的张角越 大，或者折射率越高，光学系统的分辨率越高。1）如果像空间的介质是 空气或真空，其折射率等于或接近1.0，数值孔径就是sinθ，与镜头直径 成正比；镜头尺寸越大，结构越复杂，制造难度越大；通常，最大能够实 现的数值孔径由镜头技术的可制造性和制造成本决定。2）如果将空气介 质换成液体（通常是折射率1.44的超纯水），数值孔径增大，光刻分辨率 提升。

难点：随着数值孔径增加，投影光刻物镜像差校正更加困难，尺寸也会更 大，系统的复杂度和制造装调难度也相应越来越大，通过Zeiss公司的 DUV投影物镜尺寸演变可以直观看出物镜难度的增加情况。

光刻机关键指标：焦深

焦深是光刻工艺重要指标。经过多道工艺处理后，晶圆表面一般是不平整的，即使增加CMP工艺，因此，曝光时的焦深必须远大于晶圆表面的不平整度，才能保证光刻工艺的良率，大焦深能够促使光刻机容纳各种工艺误差。对于焦深公式，光照条件、掩模、光刻胶对焦深的影响体现在因子k2中。根据分辨率公式和焦深公式，波长缩短能够提高分辨率，但会导致焦深变小。随着浸没式光刻技术的引入，分辨率提高的同时，焦深得以增大。

2、核心部件是关键壁垒

光源、照明及物镜、工件台是核心部件

光刻机成像质量取决于各系统及部件协同配合。光刻机的成像质量是整 机的成像质量，不等同于投影物镜的成像质量，取决于曝光光源及照明、 投影物镜、工件台/掩模台、调焦调平等分系统的技术水平，也依赖于 控制分系统协同工作的整机技术。以EUV光刻机为例，根据《追踪极 紫外光刻机技术的出现：识别、保护和推广下一代新兴技术的经验教训》 （约翰·弗维2025），5千家供应商提供10万个零部件、3千根电缆、 4万个螺栓和2千米长的软管来制造EUV工具，该工具重约180吨。

光学系统、对准系统、调焦调平系统是光刻机的核心技术。鉴于光刻机是由众多部件构成的复杂系统，为了呈现各环节的重要性，我们参考《光刻机产业技术扩散与技术动态演化——对“卡脖子”技术的启示》（杨武等2022），分析结论如下：图表33是光刻技术领域贡献前10位的IPC（国际专利分类号），主要集中在光源、光学系统设计、光刻胶材料、光学镜头材料、抗蚀剂材料工艺等；其中，G03F是光刻最核心的技术分类，主要涉及光刻器件制造及光刻方法，如对准系统、调焦调平系统等；接下来是G02B，主要涉及光刻机的光学系统，包括照明系统和投影系统。

光源：分辨率的关键影响因素

光源为光刻机提供曝光能量，光源波长是影响光刻机分辨率的关键因素。436nm和365nm波长的曝光光源为汞灯，分别对应g线和i线；248nm和193nm波长的曝光光源分别为KrF和ArF准分子激光器；目前商用EUV光刻机采用的是LPP光源。

汞灯：汞灯具有电弧密度大、亮度高、近紫外谱线集中等优点，使用汞灯作为光刻机的曝光光源，其主要挑战是如何获得高功率、高能量稳定性及较长使用寿命。汞灯在高压放电状态下工作，其输出光功率仅是其输入电功率的5%左右，提升汞灯的输出功率需要提升输入的电功率或提升转换效率。在实际使用中，电极材料持续沉积在灯室内壁上，会降低光辐射的输出。为保持光刻机的高产率，汞灯在使用几百小时后需要更换。汞灯的功率稳定性主要由灯室温度决定，运行中可达700℃。

照明系统：提升成像质量的重要部件

照明系统通常采用科勒照明方式。照明系统位于曝光光源和掩模之间，主要功能包括：1）在掩模面整个视场内实现均匀照明；2）产生不同照明模式，控制照明光的空间相干性；3）通过控制激光光束的能量对到达硅片面上的曝光剂量进行控制。为了实现均匀照明，照明系统通常采用科勒照明方式。

中继镜是照明系统核心部件之一。光刻机照明系统的组成单元包括激光源、扩束单元、光瞳整形单元、匀光单元、可变刀口狭缝和中继镜，其中，中继镜是核心部件之一，负责将扫描狭缝上的照明光场成像到掩模面上，不仅需要满足不同光瞳大小和环宽的照明模式需求，并且要尽量减少照明光场不均匀性在中继过程中的恶化。

对准：影响套刻精度的核心环节

对准系统是套刻性能的重要保障。光刻机的对准系统负责把掩模上的图形和晶 圆上已有的图形对准，以保证曝光后图形之间的准确套刻。对准分为同轴对准 和离轴对准，其中，同轴对准的测量光路经过光刻机的投影物镜，用于测量掩 模的位置；离轴对准的测量光路不经过投影物镜，具有独立的光学模块，用于 测量硅片的位置；通过离轴对准结合同轴对准，建立掩模与硅片的相对位置关 系。对准系统的在线测量精度是影响套刻性能的关键因素，根据《光刻对准关 键技术的发展与挑战》（邱俊等2023），套刻误差通常只允许在光刻分辨率的 1/3-1/5范围内，对准误差只允许在套刻误差的1/3以内。

3、技术变革+产业协作是ASML的成功要领

开放与合作是光刻机发展的主旋律。一方面，光刻机是包含诸多尖端创新技术的精密仪器；另一方面，整机性能是子系统、零部件和光刻工艺相互配合、共同作用的综合结果。因此，开放与合作是光刻机发展的主旋律。

ASML领先地位源自技术变革+产业协作。以ASML为例，其 市场领先地位一方面源于把握技术变革的窗口期，另一方面源 于充分利用全球产业资源。以EUV光刻机为例，根据《基于光 刻机全球产业发展状况分析我国光刻机突破路径》（郭乾统等 2021），核心零部件约8000个，其中仅10%是ASML公司提供， 其余均来自产业链企业，ASML全球供应商超过500家，最核 心的顶级光源（激光系统）、高精度镜头（物镜系统）和精密 仪器制造（工作台）三大部件/系统，均由德国和美国公司提 供。

ASML供应商遍布全球。根据《超精密测量是支撑光刻机技术 发展的基石》（谭久彬2023），ASML全球供应链中，镜头供 应商为德国卡尔蔡司，EUV光源供应商为美国Cymer（被 ASML收购），机电设备供应商为美国Sparton，微激光系统供 应商为美国磁谷光刻，污染控制与先进材料供应商为美国 Entegris，仪表和控制系统供应商为美国MKS，高阶线材、 PCB与整机组装来自中国台湾信邦电子公司。

Zeiss：百年光学巨头，ASML重要合作伙伴

蔡司半导体收入近年稳步增长。蔡司公司成立于1846年，目前是全球光学和光电行业领导者，其业务主要分为半导体制造、工业、医疗、消费等四大板块，FY2024年收入占比分别为38%、22%、24%和15%。半导体制造板块是蔡司公司发展的重要驱动力，FY2020-FY2024公司半导体制造部门收入CAGR为22%，同期公司整体收入CAGR为15%。FY2024公司整体收入同比增长7.8%，半导体制造板块收入同比增长15.9%，中国半导体设备需求旺盛是重要原因。

4、光刻机国产替代正加速

目前我国光刻技术与全球先进水平存在较大差距，根据《基于光刻 机全球产业发展状况分析我国光刻机突破路径》（郭乾统等2021）， 国内光刻机整机交付制造精度为90nm，主要短板在于光刻机组件、 系统和整机设计等方面。组件方面，掩膜版、激光光源、光学镜片、 封装框架和减震器是主要短板；系统方面，计算光刻（控制软件） 子系统、步进光刻子系统、温度湿度洁净度控制子系统、电子束检 测子系统、浸没式/真空系统、传输系统是主要短板；整机设计方面， EUV、DUV是主要短板。

02专项助推光刻机国产化加速。根据“02专项”部署，上海微电子负责光刻机整机的系统设计与集成，长春光机所负责物镜系统，上海光机所负责照明系统，中科院光电院负责准分子激光光源系统（北京科益虹源负责产业转化），清华大学和华卓精科负责双工件台，浙江大学和浙江启尔机电负责浸液系统。 “02专项”多个子项目陆续完成，同时孵化出一批公司，2018年上海微电子90nm光刻机项目通过正式验收，根据《基于光刻机全球产业发展状况分析我国光刻机突破路径》（郭乾统等2021），上海微装后道封装光刻机国内市占率近80%，全球市占率约40%。

报告节选：

（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。）