2025年电子行业专题报告：光刻机国产化迫在眉睫，关注产业链投资机会

1. 光刻机：工业皇冠上的明珠

1.1 光刻是芯片制造的关键工艺，光刻机是核心设备

光刻是芯片制造的关键工艺，光刻机是核心设备。芯片制造流程大致包括晶圆加工、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积、互连、测试、封装等重要步骤。其中，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。光刻原理是将高能雷射光穿过光罩（reticle），使光罩上的电路图形透过聚光镜（projection lens），将影像缩小到十六分之一后成像（影像复制）在预涂光阻层的晶圆（wafer）上。光刻工艺可以细分为涂胶、曝光、显影。涂胶，在晶圆表面均匀涂抹对光敏感的物质——光刻胶（PR，Photo Resist）；曝光，使用曝光设备（光刻机）使光穿过包含电路图形的光罩，将电路印在晶圆上；显影，在晶圆上喷洒显影液后，选择性的去除曝光区和非曝光区，从而形成电路图形。

1.2 掩膜光刻和直写光刻各有不同应用，投影式光刻逐渐替代接触/接近式

根据是否使用掩膜版，光刻技术主要分为掩膜光刻和直写光刻。掩膜光刻由光源发出的光束，经掩膜版在感光材料上成像，具体可分为接近、接触式光刻以及投影光刻。直写光刻也称无掩膜光刻，指计算机控制的高精度光束聚焦投影至涂覆有感光材料的基材表面上，无需掩膜直接进行扫描曝光。直写光刻根据辐射源的不同大致可进一步分为两大主要类型：一种是光学直写光刻，如激光直写光刻；另一种是带电粒子直写光刻，如电子束直写、离子束直写等。

掩膜光刻主要应用于芯片的生产环节，直写光刻用于制造掩膜版为主。掩膜光刻在最小线宽、对位精度、产能等核心指标方面能够满足各种不同制程泛半导体产品大规模制造的需要，成为当前 IC 前道制造、IC 后道封装以及 FPD 制造等泛半导体领域的主流光刻技术。直写光刻技术能够在计算机控制下按照设计好的图形直接成像，容易修改且制作周期较短，成为目前泛半导体掩膜版制版的主流技术。

投影式光刻逐渐替代接触/接近式光刻。接触式光刻由 GCV 公司开创，将膜直接放在硅片上进行曝光，缺点是掩膜与光刻胶多次触碰容易产生污染，掩膜在和硅片接触后会造成磨损。通过在掩膜版和硅片之间增加距离，就出现了接近式光刻机。接近式光刻会出现光线散射问题，Perkin Elmer 公司在掩膜和硅片之间加上透镜，这就有了投影式光刻机。相较于接触式光刻和接近式光刻技术，投影式光刻技术更加先进，通过投影的原理能够在使用相同尺寸掩膜版的情况下获得更小比例的图像，从而实现更精细的成像，目前投影式光刻逐渐替代接触/接近式光刻机，成为芯片制造领域的主流光刻机。

1.3 提升光刻机分辨率路径：更短波长、增大数值孔径

光刻技术不断衍变，分辨率主要取决于光源波长和数值孔径。根据摩尔定律，集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每经过 24 个月便会增加一倍，这需要将晶体管越做越小，也就是需要线宽（CD）越来越小，光刻成像的分辨率（Resolutions）越来越高。根据瑞利准则CD=K1∙λ/NA（其中λ为光源波长，NA 为数值孔径，k1 为系数），分辨率主要取决于光源波长λ和数值孔径 NA。

更短波长光源推动光刻机分辨率不断提升。20 世纪 80 年代，ASML 采用高压汞灯作为光源，可产生 436nm（g-line）、365nm（i-line）波长的紫外光（UV），使用i-line 光源的ASML光刻机，最高分辨率可达 220nm。20 世纪 90 年代，为了追求更高的分辨率，ASML光刻机改用深紫外光（DUV，deep UV）的气体准分子激光作为光源，从Kr-F（248nm）到Ar-F（193nm），将分辨率进一步提升至 110nm（Kr-F）和 65nm（Ar-F）。2010 年，ASML 向客户交付了第一台极紫外（EUV，Extreme UV）光刻机，光源进一步缩短到 13.5nm，光刻分辨率达到了8nm。

浸没式系统突破数值孔径极限，进一步提升光刻机分辨率。增大数值孔径NA是提升光刻分辨率另一条路线，有其极限。当投影物镜的直径增加时，从投影物镜内聚焦的光角度会愈来愈大，射出投影物镜的光角度会接近水平，无法射出并聚焦在晶圆上。ASML认为，DUV光刻机搭配 Ar-F 的光源，小于 65nm 的线宽，光射不出投影物镜了，再加大数值孔径NA也没有效果（NA 只能达到 0.95）。浸没式系统可以突破数值孔径极限。由于水的折射率和玻璃接近，通过在投影物镜和晶圆间加一层水，从投影物镜射出的光折射角将会比干式系统小很多，因此就可以再加大投影物镜的直径（NA 可以达到 1.35）来提升分辨率。

1.4 全球市场规模超 300 亿美金，ASML 一家独大

全球光刻机市场规模超 300 亿美金。SEMI 数据显示，全球半导体设备市场规模有望从2022年的 1074 亿美元增长到 2025 年的 1275 亿美元。根据中商产业研究院估计，光刻机占半导体设备比例约 24%上下，由此预估 2024 全球光刻机市场规模约为315 亿美元。出货角度，光刻机销量仍以中低端产品为主，KrF、i-Line 占比分别为 37.9%和33.6%；其次分别为ArFi、ArFdry、EUV，占比分别为 15.4%、5.8%及 7.3%。其中，EUV 是全球光刻机的重要发展方向之一，其价格远高于其他种类的光刻机。

ASML 一家独大。光刻机市场呈现寡头垄断格局，前三供应商（荷兰阿斯麦、日本佳能、日本尼康）占据绝大多数市场份额。中商产业研究院数据显示，2022 年，ASML、Canon、Nikon在光刻机市场份额分别为 82.1%、10.2%和 7.7%。分产品来看，ASML 在高端光刻机领域处于绝对垄断地位，Nikon、Canon 出货主要在低端市场。根据 ChipInsights 数据，2022年光刻机出货数据中，40 台 EUV 出货均来自 ASML；ArFi 和 ArF 光刻机出货数量ASML也绝对领先；Nikon、Canon 出货产品主要在 KrF 和 i-line。

持续的技术创新成就 ASML 领先的市场地位。20 世纪 90 年代年，ASML在光刻机领域市占率一直位列 Nikon 和 Canon 之后。1991 年 ASML 推出了突破性平台PAS 5500，该平台以其高生产率、可靠性与成本效益收获了极大关注，帮助 ASML 收获了IBM等行业巨头企业的订单。2001 年，ASML 推出了 TWINSCAN 系统及其革命性的双平台技术，最大限度地提高了系统的生产率和准确性，很快就被市场接受，使其成为了行业领导者。2006 年，在竞争对手不看好浸没式光刻机技术情形下，ASML 推出了第一台批量生产的浸没式机器XT：1700Fi，NA 达到了 1.2，突破了干式光刻机的 0.93，分辨率提高了 30%，进一步稳固了行业龙头地位。2016 年，半导体厂商开始批量订购 ASML 的第一台量产 EUV 系统NXE：3400，将光学光刻机推向了技术的巅峰。

2. 美对华加大半导体技术封锁，光刻机自主可控迫在眉睫

2.1 国内晶圆制造产业加速扩张，光刻机需求持续增长

国内晶圆制造产业加速扩张。根据全球半导体观察统计，2023 年底中国大陆共有31座12寸晶圆厂投产（包含正在建设中已有固定产能开出的 12 寸晶圆厂），总计月产能约为118.9万片，规划月产能 217 万片。考虑未来规划，预计到 2026 年底，大陆12 英寸晶圆厂的总月产能有望超过 414 万片。其中，2025 年扩产计划包括 SMIC 中芯东方(上海临港)、中芯京城(北京)、HuaHong Group（华虹集团）Fab9、Fab10 和 Nexchip（晶合集成）N1A3。

人工智能发展大幅提升国内先进制程产能需求。算力是生成式AI 发展的物理基础，高性能计算硬件的持续进步为模型训练提供了强大的支撑。根据Yole 测算，为了应对人工智能对算力的需求，全球 IDC GPU 市场规模有望从 2024 年的 856 亿美元增长到2029 年的1620亿美元。AI 加速器、大型 GPU 和高性能 CPU 需要更小的晶体管来最大限度地提高功率效率和计算密度，英伟达、AMD 和亚马逊等公司的 AI 芯片依赖于台积电5nm 和3nm工艺节点。国产芯片寒武纪、华为、海光等厂商正在加速布局，以缩小与国际领先水平的差距。在海外流片受限的背景下，人工智能发展大幅提升了对国内先进制程产能的需求。

国内晶圆厂建设潮和 AI 快速发展带动国内光刻机需求持续攀升。根据《半导体制造光刻机发展分析》统计，芯片生产产线建设中，光刻机购置成本最高，达到设备总投资的21%-23%，光刻工艺耗时占生产环节的一半，制造成本占到芯片制造成本的30%以上，光刻机成为半导体制造的核心设备。工艺线越先进，所需的设备数量越多，价值量越高。一条300mm（12英寸）月产 1 万片晶圆产线，大致需要 8 台光刻机，是 8 英寸产线的2 倍左右。国内晶圆厂建设潮和AI 快速发展带动国产光刻机需求持续攀升。

2.2 美国加大对华半导体出口管制，光刻机国产化迫在眉睫

美国持续加大对华半导体设备出口管制。2019 年 6 月，美国国务卿出访荷期间，游说荷兰政府阻止 ASML 向中芯国际出口 EUV；2020 年 12 月 18 日，美国商务部将中芯国际添加到实体清单中，用于生产 10 纳米以下半导体产品所需的设备采购被限制；2022 年7 月7日，彭博社引述知情人士的消息报道称，美国官员正在游说荷兰当局在禁止向中国出售深紫外线光刻机（DUV）；2023 年 3 月 8 日，荷兰政府发布新的半导体设备出口管制，主要针对ASML最先进的浸没式光刻机；2024 年 1 月 1 日，ASML 发布声明，NXT: 2050i 和NXT: 2100i 光刻机发货许可证被荷兰政府吊销。

光刻机国产化迫在眉睫。我国光刻机长期依赖进口，以ASML 为例，其对中国大陆市场销售收入持续提升，2024 年达到了 90 亿欧元，占其收入比重41%。寡头垄断、技术封锁与出口管制，导致我国芯片制造面临“卡脖子”困境，同时也限制了我国AI 产业的发展。实现光刻机国产化，不仅是打破技术壁垒、保障供应链安全的关键，更是提升我国科技自主创新能力的战略需求。在全球科技博弈加剧的背景下，加快光刻机自主研发，已成为我国半导体产业崛起的必由之路。

3. 光刻机主要由照明光学模组、投影物镜模组、晶圆平台模组构成

3.1 照明光学模组

照明光学模组细分为光源模组和照明模组。紫外光从光源模组生成后进入照明模组；照明模组对进入的光进行“加工”，包括改变光的形状、实时量测光强度、调整光的均匀度；离开照明模组的光被控制后用于掩模版的扫描，并在之后进入投影物镜模组。

DUV 光刻机光源主要采用准分子激光器。目前光刻领域的主流准分子激光光源是193nmArF 激光器和 248nm KrF 激光器，其中 193nm ArF 一般为双腔准分子激光器，248nmKrF一般为单腔准分子激光器。双腔准分子激光器主要模块有主放电腔、功率放大腔、高压脉冲电源、线宽压窄模块、输出耦合镜、检测模块、控制器、光路传输模块、脉冲展宽单元等。线宽压窄模块、主放电腔和输出耦合镜组成谐振腔来产生种子光，线宽压窄模块对光谱进行选择；种子光从输出耦合镜后的检测模块（LAM）中输出后通过光路传输模块进入功率放大腔，对种子光进行放大，放大后的激光会再次进入检测模块（BAM）进行检测。

照明模组位于曝光光源与投影物镜之间，是复杂的非成像光学系统。照明模组的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。步进扫描投影式光刻机的照明模组主要包括光束处理、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。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。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。

3.2 投影物镜模组

投影物镜模组的功能是通过光将掩模版上的图样传递到晶圆上。投影物镜类似单反相机的镜头。单反相机的镜头会将需要拍摄的景物，聚焦成像在感光元件（底片）上。光刻机的投影物镜，则是把掩模版上的电路图案缩小到 1/16 之后，聚焦成像到预涂光阻层的晶圆上。ASMLDUV光刻机中的先进机种，投影物镜的高度一般超过 1 米，直径大于40 厘米，物镜内各种镜片的数量超过 15 片。按照构成物镜的零部件属性，可以将物镜划分为光学、机械和控制三个分系统。光学分系统包括参与投影成像的全部光学零件；机械分系统包括用于实现光学零件支撑、调节，物镜环境控制与保护以及与整机机械结构连接的全部机械零件和功能性组件；控制分系统包括用于物镜控制的机箱及相关控制软件系统、物镜调节机构及光阑驱动等。

3.3 晶圆模组

晶圆模组的运动速度、定位精度直接影响光刻机的工作效率和精度。晶圆模组分为晶圆传送模组和晶圆平台模组。晶圆传送模组负责将晶圆由光阻涂布机传送到晶圆平台模组。晶圆平台模组负责承载晶圆及精准定位晶圆来曝光。目前 ASML 最先进的DUV 光刻机，每小时可以完成 300 片晶圆的光刻生产，每片晶圆需要在近 100 个不同的位置成像电路图案，完成1个影像单元（Field）的曝光成像仅需 0.1 秒。精度方面，曝光过程需要实时定位校正，ASML光刻机可实现每秒两万次量测定位校正，精度达到 60 皮米（0.06 纳米，比一个硅原子还要小）的传感器确认精准定位。

晶圆平台由长程直线伺服电机运动机构、压电微动机构、工件台平衡重运动机构和承片台四部分组成。长程直线伺服电机运动机构主要由 Yl、Y2、X 三台直线伺服电机完成X向（步进）和 Y 向（扫描）的长程运动，电机布置成 H 型。压电微动机构采用集成式的六自由度微驱动装置，其属于纳米级微动定位装置，结构紧凑、稳定、精度高。平衡重运动机构，平衡重会产生与电机相反的运动，从而可将长程运动引起的振动以及整机的机械振动减少到最低程度，提高物镜和测量系统光学稳定性，保证工件台和相对同步运动精度。承片台，通过真空吸盘将硅片锁定在承片台，通过可伸缩支撑筒和真空开关完成硅片的上下。

（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。）