2025年光刻机行业深度研究报告：半导体设备价值之冠，国产替代迎来奇点时刻

一、光刻：晶圆制造核心工序，价值量最高的半导体设备环节

（一）光刻环节承载电路图形化关键使命，价值量位居制造工艺环节前列

光刻环节位于晶圆制造流程的核心位置，是实现电路图案转移的起点环节。在前段工艺 中，晶圆需经过反复的沉积、光刻、刻蚀与离子注入等步骤，光刻负责将电路设计图案 精确投射到硅片表面，并通过后续刻蚀形成纳米级器件结构。作为贯穿各制程的关键工 序，光刻需多次重复，直接决定了器件尺寸、线宽与集成度。

光刻是利用光化学反应原理，将掩模版上的电路图形转印到硅片衬底上的过程。该过程 通常包括涂胶、曝光和显影三大环节：首先在硅片表面旋涂一层光刻胶，并经过预烘提 高附着力；随后在光刻机内将掩模图案与晶圆对准，光源经投影光学系统聚焦到光刻胶 层，使曝光区域发生光化学反应并改变其溶解性能；最后在显影液作用下去除指定区域 的光刻胶，形成所需的图案轮廓。所得光刻胶结构将作为抗蚀层，用于指导后续刻蚀、 离子注入等工序。

光刻机价值量极高，是半导体设备中市场占比最大的品类。 根据头豹研究院数据，晶圆 厂资本开支中约 20%–30%用于厂房建设，其余 70%–80%投向设备投资。观研天下援引 SEMI 数据显示，2024 年全球半导体设备销售额约 1090 亿美元，其中光刻、刻蚀与薄膜 沉积为最核心的三类设备，光刻机以约 24%的份额居首。受技术复杂性与交付难度驱动， 光刻机单机价格远超其他设备：DUV 机型售价在 2000 万–5000 万美元区间，ASML EUV 机型单台可达 1.5 亿–2 亿美元，而最新 High-NA EUV 设备价格或高达 3.5 亿–4.1 亿美 元。光刻设备因此成为晶圆厂资本开支中最重要的投资方向，且随着先进制程演进，对 高分辨率与高精度光刻机的需求有望持续抬升整体占比。

（二）光刻机五代升级持续提高分辨率，瑞利判据构成技术演进逻辑

光刻机技术历经五代演进推动工艺节点持续演进，为摩尔定律的延续提供了核心支撑。 自 1970 年代起，光刻机以汞灯光源为起点，g 线（436nm）、i 线（365nm）逐步推动工艺 节点由微米级缩小至亚微米水平；进入 1990 年代，深紫外（DUV）KrF（248nm）和 ArF （193nm）光源的应用，使工艺节点降至百纳米以下，并通过步进扫描和浸没式技术进一 步突破至 7nm。2013 年，极紫外（EUV，13.5nm）光源实现产业化，成为 7nm 及以下先进制程的关键方案。围绕分辨率与曝光方式的持续革新，光刻机得以不断刷新可制造的 最小特征尺寸，实现晶体管密度与性能的跃升，为下一代半导体工艺奠定基础。

分辨率是衡量光刻机性能的核心指标，光源波长、物镜数值孔径和工艺共同决定其可支 持的最小工艺节点。在半导体制造中，分辨率代表设备能够清晰转移至硅片表面的最小 图形尺寸，与集成电路的关键尺寸（Critical Dimension，CD）直接对应。根据瑞利判据， CD = k₁·λ/NA，其中 λ 为曝光光源波长，NA 为投影物镜的数值孔径，k₁ 则反映掩模设 计与光刻胶性能等工艺条件。基于此公式，提升分辨率的路径主要包括缩短曝光波长、 增大数值孔径以及优化工艺因子，三者共同构成光刻技术演进的根本逻辑。

1、光源波长（λ）不断缩短，从汞灯到 DUV 再到 EUV 演进

光刻机光源波长的缩短构成分辨率提升的首要路径，也是推动制程节点不断下探的关键 因素。行业初期，光刻机主要依赖汞灯光源，g 线（波长 436nm）、h 线（波长 405nm） 与 i 线（波长 365nm）相继推动工艺节点从微米级进入亚微米时代，可满足 0.8–0.35μm 的制程需求。

深紫外（DUV）阶段实现了百纳米制程突破。 1990 年代中期，KrF（248nm）光源 实现量产，工艺节点推进至 180–130nm；随后 ArF（193nm）成为主流，使极限尺寸 降至 90–65nm 区间。此后由于 193nm 波长再度缩短难度较大，行业进入光学极限的 探索阶段。

业界曾探索两条路径：一是采用 F2 准分子激光（波长 157nm），虽然波长较 ArF 进 一步降低，但受制于透镜材料与光刻胶的兼容性与成本问题，最终未能产业化；另 一条是由台积电提出、ASML 率先落地的浸没式光刻技术，通过在投影透镜与晶圆 之间填充折射率更高的去离子水，将 193nm 光源的等效波长缩短至约 134nm，配合 数值孔径的提升，分辨率显著增强。2004 年，ASML 推出首台商用浸没式光刻机， 支撑工艺节点向 32nm 及以下延伸，并配合多重图形可实现 28nm 甚至 7nm 的量产。

极紫外（EUV，13.5nm）开启先进制程新阶段，成为 7nm 及以下先进制程的核心方 案。自 2010 年首台样机问世以来，ASML 先后推出 NXE:3100、NXE:3300B 至 NXE:3600D 机型，分辨率持续提升，支持制程推进至 3nm。当前 ASML 为全球唯一 EUV 供应商，并正研发数值孔径 0.55 NA 的 High-NA EUV，目标锁定 2nm 及以下 节点。

光源的波长越小分辨率越高，制造光源的难度也越高。从 KrF、ArF 准分子激光开始，光 源需在稀有气体与卤素气体环境下实现高功率、窄线宽与高重复频率的稳定输出，以保证图形精度和产率；进入 EUV 阶段，技术挑战进一步放大，13.5nm 激光等离子体光源 需以高功率 CO₂激光精确击中每秒 5 万次喷射的锡滴，维持超过 250W 的稳定输出，同 时兼顾高转换效率与极低噪声。

2、数值孔径（NA）持续提升，浸没式技术突破折射率物理瓶颈

数值孔径（NA）直接决定光刻机物镜的成像能力，是提升分辨率的另一路径。 NA 反映 物镜收集光线和解析细节的能力，其公式为 NA = n·sinθ，其中 n 为透镜与晶圆之间介质 的折射率（空气为 1.0，其余介质更高），θ 为光线进入镜头的半角。NA 数值越大，成像 的分辨率与清晰度越高。提升 NA 通常依赖 2 种方式：增大透镜开口直径，或在物镜与 晶圆之间引入折射率更高的介质。

物镜直径的放大是提升 NA 的直接方式，但其具有明确物理极限。在相同光源条件下， 更大直径的透镜能够收集更宽的光束角度，从而增大 sinθ 取值，提升成像分辨率。但随 着透镜口径不断增大，光线在透镜内的折射角将逐渐接近水平，最终会因入射角过大产 生全反射而无法成像。据《光学光刻和极紫外光刻》测算，系统张角 sin 值的极限约为 0.93，对应 ArF 扫描光刻机的分辨率下限在 65nm 左右。也就是说，当线宽小于 65nm 时， 即便继续增加物镜直径，光束也无法有效通过透镜成像，尺寸扩大的收益不再显著。

浸没式技术通过引入高折射率水介质突破 NA 限制，延长 ArF 光源机型的生命周期。以 193nm ArF 光源为例，空气折射率仅为 1.0，而超纯水在该波长下的折射率约为 1.44，接 近投影透镜材料（约 1.5）。浸没式光刻在投影物镜最后一片透镜与硅片光刻胶之间填充 水介质，使光线折射角度显著减小，避免因入射角过大产生的全反射，从而将 NA 提升 至 1.35。在 ArF 光源发展停滞之际，业界一度转向 157nm 准分子激光，但 2000 年代初， 时任台积电的林本坚教授提出“浸没式光刻”概念，并被 ASML 采纳并迅速实现产业化。 2007 年，ASML 推出首台浸没式光刻机，使 193nm 光源的等效波长缩短至约 134nm （193nm/1.44≈134nm），将工艺节点推进至 65nm 以下，并在 10nm 及以上制程长期占据 主流。

3、工艺因子优化，光照与掩模优化协同推动制程极限延伸

除了光源波长与数值孔径之外，光刻系统的分辨率提升还依赖工艺因子的持续优化。k1 工艺因子综合反映了光照条件、掩模设计与光刻胶性能对成像质量的影响，其大小决定 了工艺窗口的宽窄和制程控制的难易度。通常情况下，k₁值越高，工艺容错空间越大，良 率也更易保障。随着工艺节点不断下探，k₁值持续压缩至 0.3 甚至更低，对成像窗口和制 程稳定性提出极高要求，则需要分辨率增强技术（RET）对掩模和光照系统做改进,以增 强在晶圆上成像的分辨率。

离轴照明（Off-Axis Illumination, OAI）通过改变光源入射角度提升图形对比度与解 析能力。相比传统垂直照明，OAI 通过调整光源位置，使光线以倾斜角度入射掩模， 增强高频衍射光的收集效率，从而改善高密度图形的成像质量。不同结构的离轴照 明适配不同图形类型：环形照明适用于 1D 密集线/空间图形，如逻辑芯片的金属互 连；偶极照明可优化 2D 接触孔阵列，常见于存储芯片电容器结构；EUV 系统中的 四极照明则通过对称照明降低掩模三维效应干扰，提高 16nm 节点的成像分辨率。

光学邻近效应校正（Optical Proximity Correction, OPC）是降低图形失真的重要手 段。由于衍射和成像畸变，掩模图案与晶圆最终成像常存在偏差。通过在掩模上增 加辅助结构或修正边缘形状，OPC 能提前补偿光学偏差，使最终图形更接近设计目 标。技术路径包括规则式（Rule-Based）OPC，在主图形周围添加微小辅助图形抵消 干涉，以及模型式（Model-Based）OPC，基于光刻仿真模型计算光强分布，动态优 化掩模边界。

相移掩模（Phase-Shifting Mask, PSM）通过引入相位差强化光波干涉，提升图形边 缘解析能力。 相较于仅改变掩模图形形状的 OPC，PSM 在掩模透明区域引入 180° 相位差，使邻近光波产生干涉效应，显著提高图像对比度并解析更小线宽。

光瞳滤波（Pupil Filtering）通过调控空间频率分量改善成像质量。 在投影物镜光瞳 平面引入滤波结构，可以选择性地增强高频分量、抑制低频噪声，使复杂图形的边 缘更加清晰，从而有效降低线边粗糙度。

光源与掩模协同优化（Source Mask Optimization, SMO）实现成像系统整体优化。 SMO 将照明模式与掩模设计联合考虑，通过迭代算法找到最优组合，使系统在解析 复杂二维结构时具备更高的分辨率和工艺窗口。

多重曝光多重成型技术通过图形分段转移与结构自对准，为 DUV 光刻突破 20nm 节点 提供关键路径。

双重曝光双重刻蚀（LELE）通过两次独立的光刻与刻蚀步骤对图形进行加密，适用 于线性结构的线宽缩减。LFLE（Litho-Freeze-Litho-Etch）在两次曝光之间引入固化 步骤，提升结构稳定性的同时，减少一次刻蚀流程，降低整体成本。这类技术涉及 两次曝光，通常对曝光的套刻精度要求较高。套刻精度指前后两道光刻工序之间彼 此图形的对准精度(3σ)，如果对准的偏差过大，就会直接影响产品的良率。

相比之下，自对准图形技术（SADP/SAQP）通过空间构造方式规避多次光刻误差， 具备更强的一致性与尺寸控制能力。自对准双重图形（SADP）与自对准四重图形 （SAQP）通过在主图形侧壁沉积间隔层，再利用其边界进行图形转移，实现线宽压 缩且不依赖重复曝光的套刻精度。此外，多重成型与 EUV 技术的叠加使用也已被证 明，有望持续延伸先进制程的极限空间。

4、曝光方式逐代升级，步进扫描投影奠定现代光刻主流

曝光方式承载着分辨率、良率与产能提升的多重需求，技术路径经历了接触式、接近式、 投影式、步进式再到步进扫描式的演进。步进扫描投影凭借兼具高分辨率与大视场的优 势，已成为现代光刻机的标准架构。

接触式光刻在 20 世纪 60 年代成为早期集成电路量产的主要工艺手段，适用于特征 尺寸在 5μm 以上的电路制造。其成像原理基于近场菲涅尔衍射，掩模版与衬底光刻 胶直接接触，图形以 1:1 比例整体转印至晶圆，可一次性完成整片晶圆曝光。然而 掩模版与光刻胶直接接触容易导致掩模与晶圆表面划伤，并带来颗粒污染，显著降 低良率并缩短掩模寿命，使其难以支撑更精细制程的量产需求。

为缓解直接接触带来的缺陷，20 世纪 70 年代引入接近式光刻。该方式在掩模与晶 圆之间保留 2–3μm 的氮气间隙，通过气压控制间距以避免物理接触，从而减少掩模 损伤风险、提升良率。其不足在于分辨率受限于间隙大小，空间分辨率极限约为 2μm， 难以满足不断缩小的特征尺寸需求。

投影光刻引入物镜应用，显著提升分辨率和掩模寿命。自 20 世纪 70 年代中后期开 始替代接触/接近式光刻，基于远场傅里叶光学成像原理，在掩模版和光刻胶之间采 用了具有缩小倍率的投影成像物镜，可以有效提高分辨率。早期投影光刻依旧采用 1:1 比例，但随着电路线宽缩小和晶圆尺寸放大，步进重复投影方式出现并取代了扫 描方式。该技术以 22mm×22mm 的典型静态曝光视场为基础，结合 4:1 或 5:1 的缩 小倍率物镜，通过晶圆工作台逐步移动，实现全片曝光，广泛应用于 0.25μm 以上制 程及先进封装领域。

工艺进入 0.25μm 以下节点，步进扫描光刻凭借更大视场与更高均匀性优势确立主 流地位。 其原理是在单场曝光中，掩模台与晶圆台严格同步反向扫描，使动态条件 下的投影物镜实现大面积均匀曝光。典型情况下物镜倍率为 4:1，掩模台扫描速度需 达到晶圆台的四倍，并保持纳米级同步精度。在浸没式机型中，晶圆台扫描速度可 达 0.8m/s，对应掩模台高达 3.2m/s。该方式在保持分辨率优势的同时，有效扩大了 单次曝光视场，提高了整片晶圆的曝光效率，并依靠动态扫描降低了图形畸变，兼 顾产能、良率与分辨率三大要素，成为先进制程光刻机的核心方案。

二、光源、光学与工作台三大环节构成整机核心，光学系统价值量最高

光刻机系统高度复杂，光源、光学与工件台三大部件构成性能与价值的核心。光刻机被 誉为“超精密装备的珠穆朗玛峰”，整机由数十个子系统、数以万计零部件协同运作，包括 自动对准、调焦调平、传输搬运、环境控制及整机控制等模块。其中，曝光光源系统、光 学系统与工件台是整机性能的三大核心部件，直接决定分辨率、成像精度与产能水平。

光学系统是光刻机最核心的价值环节。根据 Bloomberg 估算，蔡司是 ASML 最关键的供 应商，负责提供光刻机 EUV 与 DUV 光刻机的投影物镜及反射镜系统，2024 年其供货在 ASML 采购成本中占比超过 28%，位居各子系统之首，是整机成本结构的核心环节。

（一）光源系统：历经汞灯-DUV-EUV，Cymer 与 Gigaphoton 垄断全球市场

曝光光源技术为光刻机提供特定波长、线宽与功率的光束，是实现光刻成像的起点。当 前主要包括 UV 汞灯光源、DUV 准分子激光光源以及 EUV 光源。

UV 汞灯光源：光刻机最早采用高压汞灯产生紫外光，属于气体放电光源。汞蒸气受 能量激发后，汞原子最外层电子跃迁，落回后放出光子，例如 g 线（波长 436nm）、 i 线（波长 365nm）均广泛应用于早期光刻机。

DUV 准分子激光光源：准分子激光以稀有气体和卤素气体为工作介质，辅以惰性气 体作为缓冲剂。气体在放电激励下形成短暂存在的“准分子”，在受激辐射过程中释 放紫外激光。应用于光刻机的主要包括 KrF（248nm）与 ArF（193nm）光源。浸没 式光刻技术进一步将 193nm 光源的等效波长缩短至 134nm。该技术的难点在于实现 高重复频率、高功率（影响性能）与窄线宽（保障成像精度并降低色差影响）。

EUV 光源：EUV 光源基于激光等离子体（Laser Produced Plasma，LPP）原理，通过 高能 CO₂激光轰击直径 20–30µm 的锡液滴产生 13.5nm 极紫外光。锡滴以每秒约 5 万次的频率喷射，激光击中锡液后瞬间使其汽化并形成等离子体，电子能级跃迁释 放出 13.5nm 波长的高能光子。由于 EUV 光子吸收强、穿透性弱，整个系统必须在 真空环境下运行，并依赖多层布拉格反射镜进行收集与传输。为实现稳定曝光，光 源需达到 250W 以上功率，同时保持极低噪声与高转换效率。一套 EUV 光源系统包 含约 45 万个零部件，重量超过 17 吨，光路总长逾 500 米，对能量传输、热管理与 精密控制提出极高要求。

光源供应商格局高度集中，Cymer 与 Gigaphoton 形成双寡头垄断。目前，全球光刻机 光源市场几乎由 Cymer 与日本 Gigaphoton 两家企业垄断，其中 Cymer 在 2013 年被 ASML 全资收购，系其内部核心供应平台，也是目前唯一实现 EUV 光源量产的厂商。Gigaphoton 则凭借与日本设备厂及晶圆厂的长期合作，稳固了其在 KrF 与 ArF 光源的市场份额，在 DUV 领域与 Cymer 形成均势，同时已研发出可应用于检测系统的 EUV 光源，在 EUV 光 源领域加速追赶。

（二）光学系统：DUV 透镜复杂度攀升，EUV 多层膜反射镜构筑成像体系

光学系统是光刻机最关键且最复杂的部分之一, 由照明与投影物镜两大核心环节组成。

照明系统负责光场整形与曝光控制，是实现均匀照明和扩大工艺窗口的关键环节。 照明 系统位于光源与投影物镜之间，涵盖光束处理、光瞳整形、能量探测、光场匀化、中继成 像与偏振控制等单元。其技术难点在于提升光均匀度、稳定扫描条形光的开合以及灵活 调节光形状，以应对微米以下节点衍射效应带来的挑战。随着线宽不断缩小，计算光刻 技术（OPC、SMO、逆向光刻等）被广泛应用，通过光源–掩模协同优化补偿干涉和衍射 导致的图形畸变，从而提升分辨率、加大焦深并扩大工艺窗口。如何在保证图像一致性 的同时提升算法效率，仍是照明系统发展的核心难题。 投影物镜承担掩模图形的精确缩小成像，是实现精准成像的关键部件。在高分辨率条件 下，单一透镜难以兼顾大口径与成像精度，通常需要由几十片透镜组成的复杂光学系统 来共同校正像差。

1. 汞灯及 DUV 激光系统透镜物镜系统

早期投影物镜以摄影镜头与显微镜头组合为雏形，奠定了光刻成像的基础结构。在该架 构下，掩模端采用摄影镜头以保证足够大的视场，而晶圆端则配备显微镜头以提升数值 孔径（NA），确保解析度。由于晶圆表面为平面，物镜设计中需重点校正 Petzval 场曲， 通常通过在镜头“腰部”加入负光焦度透镜、在镜头加粗处配置正光焦度透镜来实现， 形成典型的葫芦形光学系统，并衍生出单腰、双腰和多腰结构。早期系统以 g 线（436nm）、 h 线（405nm）、i 线（365nm）光源为主，镜片材料多为常规光学玻璃，数量有限且以球 面透镜为主，NA 较低，以单腰系统最为常见。

DUV 波段引入多腰结构与非球面透镜，实现像差校正与体积优化。随着工艺线宽不断缩 小，单腰系统无法满足分辨率需求，逐步演进为双腰与多腰结构。为实现光线平滑折转 并抑制高阶像差，物镜镜片数显著增加，部分系统需配置达近 30 片球面透镜，然而这带 来镜头体积和重量的大幅提升（直径 60–80cm，长度逾 1m，重量数百公斤），设计与制 造成本显著上升。非球面透镜的应用成为突破口，一方面显著提升像差校正能力，另一 方面可效缩减镜头体积。相较传统球面透镜系统，引入非球面后镜片最大口径可缩小 10%， 镜头长度缩短 15%，整体体积下降约 40%，成为 DUV 波段的主流物镜形式。

折射/反射混合结构的应用进一步提升 NA，并突破材料与色差限制。在 193nm 干法光刻 下，纯折射物镜的 NA 可达 0.95；配合浸没式工艺，NA 最高可提升至 1.1。但高 NA 导 致镜片口径巨大，材料均匀性和像差校正难度均显著增加。为此，物镜组引入折反式混 合结构，通过反射镜参与成像，不仅有助于 Petzval 场曲校正，也能控制体积与重量，且 进一步将 NA 可提升至 1.35。

2. EUV 激光系统反射镜物镜系统

EUV 光刻机必须采用纯反射式物镜结构，以克服极紫外光的强吸收特性。由于 13.5nm 波长的 EUV 光几乎无法透过任何光学材料，传统折射式与折反式物镜均不适用。因此， EUV 光刻机投影物镜系统完全依赖高精度反射镜来实现成像，这一转变不仅改变了光学 设计范式，也对反射镜表面精度、镀膜均匀性与污染控制提出了前所未有的挑战。

钼硅多层镀膜反射镜是 EUV 物镜系统的核心元件。 EUV 极易发生衍射，因此在基底表 面交替沉积 40 对厚度仅为数个原子层钼（Mo）和硅（Si）膜层，形成 Mo/Si 多层膜结构 构建布拉格反射器。钼和硅双层膜两种材料之间的折射率差异较大,而吸收率则都相对较 小，当这些层精确叠加时，光会被放大可在 13.5nm 波长和 0–12°入射角下实现约 70%的 理论反射率。但该结构对界面缺陷极为敏感——钼硅之间的原子扩散易形成混合层，从而损耗反射率；氧化和微粒沉积也会破坏多层膜的干涉结构。因此，业界普遍在最外层 增加一层钌（Ru）以实现防氧化保护，并提升膜层稳定性。

蔡司掌握 EUV 反射镜独家供应能力，是 ASML 光学系统的关键战略伙伴。EUV 反射镜 头技术壁垒极高，作为 ASML EUV 投影反射镜唯一供应商 ，蔡司的反射镜制造能力已 成为全球 EUV 设备交付能力的核心瓶颈之一。蔡司半导体技术公司（Carl Zeiss SMT） 与 ASML 已合作约 40 年，共同推动了 EUV 光学的研发和量产。

（三）工作台：超精密运动控制核心，ASML 首创双工件台奠定竞争优势

工作台涉及超精密机械设计、测量与运动控制等多项关键技术，直接决定光刻机的良率 与产能。 光刻机三大核心指标中，分辨率主要取决于光源与光学系统，而套刻精度与产 能效率则高度依赖于工作台。工件台承担硅片与掩模在曝光光学系统下的超精密运动与 定位。当光源波长与光学系统的改进逐渐逼近物理极限时，工作台在运动控制与套刻精 度上的持续突破，成为过去二十年推动光刻机良率与产能提升的关键动力。 气浮与磁浮技术迭代推动工件台精度提升，分别为 DUV 与 EUV 时代主流方案。早期工 件台依赖机械式导轨，但受摩擦与非线性误差影响，精度仅能维持在亚微米水平。随着 气浮技术引入，摩擦力大幅降低，工件台运动精度跃升至纳米级，成为 DUV 光刻机的主 流配置。对于 EUV 光刻机，由于极紫外光无法穿透空气，气浮结构不再适用，磁浮平面 电机取而代之，成为其实现高精度运动控制的关键。 双工件台架构通过并行作业显著提升产能效率，已成为 ASML 先进机型的标配。2000 年 ASML 率先推出 TWINSCAN 双工件台系统，在一台晶圆曝光的同时，另一台可同步完 成对准、调平和调焦，曝光完成后快速切换，大幅减少待机时间，使光刻机整体产能提 升约 35%。目前 ASML TWINSCAN NXT:2050i/2100i 光刻机每小时可生产 295 片晶圆。 双工件台系统依托气浮与磁浮平面电机驱动，实现大行程、高速、高加速度下的纳米/亚 纳米级精度运动。例如，在 38nm 节点工艺中，光刻机要求工件台的移动平均偏差小于 1nm，移动标准差小于 7nm，已成为 ASML 先进机型的标配。

三、全球龙头格局演进清晰，国产化迎追赶窗口

（一）海外发展复盘：美日企业先后崛起， ASML 通过代际跃升实现反超

高端“一超”、成熟“两强”，格局随代际更替不断重构。回顾行业 50 余年演进历程，光 刻机主导权依次从“美系（方法学/范式）→日系（工程化/量产）→ASML（平台化/代际 整合）”迁移。其背后是三条技术主线的阶段性突破：美系率先开创“投影+步进”范式，日 系依靠步进扫描与 DUV 工程化登顶，而 ASML 则通过 TWINSCAN、浸没式及 EUV（并 演进至 High-NA）实现跨代反超，并凭借供应链纵向整合固化龙头优势。

1. 美系起步：从接触/接近式到投影/步进式，Perkin-Elmer 与 GCA 率先奠定现代光 刻范式。

20 世纪 60–70 年代，作为半导体产业的发源地，美国厂商率先切入光刻机研发并确立 主导地位。早期设备仍以接触式与接近式为主，分辨率有限且良率偏低。1973 年，获得 美国军方投资的 Perkin-Elmer 推出 Micralign 投影对准机，首次采用投影光学系统，有 效避免掩模与硅片直接接触导致的颗粒与缺陷，大幅改善良率，被视为现代光刻的开端。 1978 年，GCA 又推出自动化步进投影式光刻机，通过“缩小投影 + 晶圆步进”架构解决 了掩模尺寸与晶圆不断放大的矛盾，兼顾分辨率与产能，成为此后数十年光刻系统的标 准路线。凭借在工作台与投影光学的先发突破，美国厂商在光刻机早期市场形成压倒性 优势，奠定了全球产业格局的基础。

2. 日系赶超：政策扶持叠加光学镜头突破，Nikon 与 Canon 实现反超。 进入 1980 年代，随着投影与步进式工艺路线逐步成熟，竞争焦点转向投影物镜精度与量 产能力。日本政府将半导体列为国家战略，通过 VLSI 计划集中资金与科研资源，推动设 备和工艺能力跃升。在此背景下，Nikon 与 Canon 借助在精密光学与成像系统的深厚积 累，实现光刻机产业化突破。 Nikon 于 1980 年代初推出 NSR 系列步进式光刻机，率先实现商用量产，凭借高精度对 准与稳定产能迅速崛起。Canon 则依托在相机与精密镜头的工艺积累，强化投影物镜制 造，并在 i-line 与 KrF 机型形成差异化竞争。两家公司既受益于本土 DRAM 龙头的旺盛 需求，也依托与日本材料、零部件厂商的紧密协作，构建起完整的光刻产业链。到 1980年代末，Nikon 与 Canon 已在全球市场份额上全面超越美系厂商，尤其在 KrF 与 i-line 等 关键 DUV 机型占据超过 70%的市场份额，成为全球扩产潮的最大赢家，奠定了日系设 备长达 20 年的黄金时代。

3. ASML 弯道超车：三次代际创新与产业链协同，跃升全球唯一龙头地位。 ASML 脱胎于飞利浦光刻设备研发小组。1971 年，飞利浦在此前显影透镜设备的基础上 研发出透镜式非接触光刻机，但市场反响有限。进入 21 世纪后，ASML 依托与台积电等 客户的深度协同，通过连续三次代际创新实现弯道超车，逐步奠定全球绝对龙头地位。 1） TWINSCAN 双工作台系统：2000 年，ASML 首次推出双平台结构的 TWINSCAN 系统，大幅提升生产效率，彻底革新了芯片生产的经济成本。2008 年升级的 NXT TWINSCAN 平台进一步在速度与精度上实现突破，采用轻量化材料与磁悬浮驱 动，运动更快、定位更精准，奠定其在高产能光刻机市场的优势。 2） 浸没式 ArF 机台：2001 年 ArF 光刻机推出后，193nm 工艺逐渐成为业界主流， 摩尔定律的持续推进使分辨率突破成为核心难题。彼时，尼康与硅谷集团主张在 既有路径上演进，采用 157nm F2 光源；而台积电林本坚提出以水作为折射介质， 将 193nm 等效缩短至 134nm 的浸没式方案。尚处于追赶地位的 ASML 果断押注 浸没式技术，2004 年，其与台积电联合推出首台浸没式设备 TWINSCAN XT:1250i，2007 年进一步发布首台商用浸没式机型 TWINSCAN XT:1900i，加速 了工艺演进。依托该突破，ASML 在 2007 年超越尼康登顶市场第一，并在 2009 年市场份额提升至 70%。 3） EUV 光刻机： 随着制程演进至 5 纳米节点，极紫外光刻（EUV）成为业界竞争 焦点。ASML 作为唯一的光刻设备生产商加入 EUV LLC 联盟，与美国政府及科 研机构协同攻关，逐步突破光源、抗蚀剂及防护膜三大难题，并于 2006 年推出 首台 EUV 原型机。2012 年，Intel、TSMC 与 Samsung 通过“客户共同投资计划” 合计入股 ASML 约 23%，并在五年内向 ASML 的 EUV 光刻机及 450mm 研发共 计投入 13.8 亿欧元。至 2016 年，支持 5nm 及以下工艺第四代 EUV 机型 NXE:3400B 问世，并于 2017 年开始量产交付。ASML 在 EUV 领域的独家供应 地位，并在高端光刻市场市占率超 90%。

技术迭代的同时，ASML 通过产业链纵向整合构筑系统性壁垒。2002 年，公司收购美国 硅谷光刻集团（SVG），深化与美国本土的产业联系，为后续融资与市场拓展奠定基础； 2007 年收购 Brion，补强计算光刻与检测解决方案；2013 年并购 Cymer，掌握唯一可量 产的 EUV 光源技术；2016 年收购 HMI，补强电子束检测与计量能力；2017 年以 24.8% 股权参股卡尔蔡司，稳固其在 EUV 投影光学上的核心竞争力；2019 年收购 Mapper Lithography 知识产权与研发团队，扩展多束电子束计量技术；2020 年收购 Berliner Glas Group，扩充高端光学与模块制造产能，强化 EUV 产能爬坡的关键瓶颈环节。通过一系 列收购整合，ASML 实现了从光源、光学、检测到整机的全链路覆盖，在“技术+产业链” 的闭环优势中建立了高度不可替代的系统能力。

（二）全球市场三分天下，ASML 凭借 EUV 设备龙头地位稳固

全球光刻机市场格局稳定，三巨头长期寡头主导。 ASML、Canon 与 Nikon 长期分列全 球市场份额 1 至 3 名。2024 年全球集成电路用光刻机合计出货约 683 台，其中 ASML/Canon/Nikon 分别为 418/233/32 台，对应市占率约 61.2%/34.1%/4.7%。

高端 EUV机型由 ASML 垄断，Nikon 与 Canon 主要布局成熟 DUV。分机型看，ASML 在高端领域具备绝对垄断地位。2024 年，ASML 交付 EUV 光刻机 44 台，是全球唯一能 够量产 EUV 设备的厂商；在 ArFi 浸没式机型中出货 129 台，占比高达 97.7%，Nikon 仅约 3 台。ArFi 和 EUV 两类先进机型合计占据 ASML 光刻机销售收入的六成以上。相 比之下，Nikon 业务重心在 ArF、KrF 等成熟 DUV 机型，Canon 则主要聚焦 KrF 与 i-line， 满足成熟制程及特色工艺需求。

High-NA EUV 继续前移技术边界，带动 ASML 在高端形成实质性垄断。 2024 年 ASML 交付 EUV 约 44 台，营收占比约 29.4%。受 NXE:3800E 等新一代机型拉动，2024 年单 台均价超过 2.05 亿美元，同比提升约 10%。自 2011 年首台 EUV 设备交付以来，截至 2025 年上半年累计出货已达 305 台，并在 2025 年 Q2 实现首台 0.55 NA 高数值孔径 EUV 机台 TWINSCAN EXE:5200B 出货。未来随着 High-NA 的装机与产能爬坡，ASML 将在 既有优势基础上继续拉开代际差距，进一步巩固其在超高端市场的定价权与话语权。

（三）需求、政策与外部环境共振三重驱动，国产光刻机迎来突破窗口期

中国市场需求旺盛，2024 年为 ASML 光刻机最大客户。芯语援引 SEMI 数据显示，中国 大陆是全球产能扩张最积极的地区之一，2024 年产能同比增长 15%至月产 885 万片晶圆， 增量主要来自 18 座新建晶圆厂投产，单一地区贡献了当年全球 6%的产能扩张。据芯语 援引 Yole Group 数据，2024 年中国大陆晶圆代工产能占全球比重达 21%，已成为全球第 二大晶圆制造基地。受此拉动，2024 年中国大陆成为全球 ASML 光刻机最大采购方，大 陆客户收入占比已从 2021 年的 16%增长至 2024 年的 41%，单一市场地位日益突出。尽 管 2025 年上半年受出口限制影响，该占比一度回落至 27%，但中长期来看，中国需求韧 性犹存。Yole Group 预测，到 2030 年中国大陆将超越中国台湾地区，占据全球 30%的晶 圆制造产能，长期旺盛的扩产需求将继续驱动光刻机采购规模保持全球领先。

目前中国大陆光刻机高度依赖进口，国产化替代空间广阔。据头豹研究院数据，2022 年 光刻机国产化率不足 1%，是半导体设备中国产化程度最低的环节。

美日荷出口管制持续升级，先进光刻机国产替代需求环节。全球高端半导体设备长期由 美、日、荷企业垄断，光刻机市场几乎完全被 ASML、Nikon 与 Canon 三家巨头掌控。由 于国内光刻机研发进度仍然相对滞后，高端设备高度依赖进口，而美国自 2018 年起即对 中国半导体设备出口实施限制，随后陆续出台“1007 新规”等政策，进一步收紧先进制程 设备的出口管制。与此同时，美国联合日本与荷兰，分别在 DUV 及 EUV 机台等关键领 域制定针对性条例，共同对中国进行产业封锁。在管制范围不断延伸的背景下，以光刻 机为代表的“卡脖子”装备国产化替代需求日益迫切，国内厂商亟需加快技术迭代和产 业化验证。

政策扶持全面加码，02 专项奠定国产光刻机研发体系。中国光刻机研发最早可追溯至 1966 年第一台接触式设备的诞生，但 90 年代初期产业一度停滞，市场高度依赖进口。 2002 年，光刻机被纳入“863 重大科技攻关计划”，同年上海微电子成立，2007 年研制出 90nm 分布式投影光刻机，为后续发展奠定基础。2008 年启动的“极大规模集成电路制造 装备与成套工艺专项”（02 专项），通过体系化布局曝光光学系统、双工件台、光刻胶等 关键环节，其中由上海微电子负责光刻机整体的系统设计和系统集成，由长光所牵头负 责物镜系统的研发，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。

国产光刻机技术突破持续涌现，验证与应用进程加速。在 02 专项支持和政策引导下，国 内光刻机及零部件企业不断取得进展。2016 年，上海微电子 90nm ArF 光刻机 SSA600 系 列实现出货，成为国产光刻机商业化的重要标志；2020 年，华卓精科自主研发的双工件 台实现量产应用，打破 ASML 在工件台上的长期垄断；2025 年，哈尔滨工业大学官宣成 功研制 13.5nm 波长 EUV 光源，中科院上海光机所亦实现全固态深紫外光源突破，使国 内芯片工艺验证能力推进至 3nm 理论极限。众多成果标志着国产光刻机在整机与核心零 部件环节的迭代正在加速，未来在政策支持与市场应用拉动下，国产产业链整体能力有 望持续提升。

四、重点公司分析

1、茂莱光学：深耕精密光学二十载，光刻光学器件加工与检测技术国内领先

精密光学综合解决方案提供商，研发体系与产业化能力完备。公司深耕光学行业二十余 年，持续引进高端光学制造与检测设备，构建了完善的研发与制造体系，能够为客户提 供定制化、差异化的光学产品与服务。目前，公司已掌握 3D 数字化光学模块设计、高通 量集成电路测试设备光学技术、高分辨率荧光显微系统、人眼仿生光学、星载航天光学、 光刻机曝光物镜超精密光学元件加工等九大关键技术，并均已实现产业化，技术布局较 为全面。 光刻应用领域加工与检测技术持续突破，DUV 国产化趋势下迎来成长新机遇。公司具备 自主光学镜头与系统设计能力，产品已应用于半导体前、后道测量设备及光刻机等领域 已成功进入上海微电子的供应体系。受益于 DUV 国产化，公司积极布局光刻前道缺陷光 学量测技术，重点开发 193nm~365nm 谱段的显微、投影、照明等光学系统及配套高精度 光学器件加工与检测能力。目前，紫外检测系统样机已完成研发并实现交付，进入小批 量量产阶段，技术水平达到国内领先。同时，公司持续推进 248nm 照明系统光学器件的 加工与检测能力，已完成 KrF 光刻机照明系统高精度光学器件工艺设计与样品制备，并 交付客户验证。随着国内半导体设备国产化进程加快，公司在光刻应用领域的光学技术 积累有望进一步打开市场空间。

2、汇成真空：国内领先 PVD 镀膜设备厂商，卡位光刻掩模版镀膜新赛道

真空镀膜设备业务稳健发展，多元应用积累深厚。公司成立于 2006 年，2024 年 6 月在 深交所上市，长期深耕溅射、蒸发、离子及柔性卷绕镀膜技术，广泛应用于消费电子、家 居建材、航空航天、半导体、工模具等多个领域，下游覆盖智能手机、摄像头、屏幕显 示、汽车配件、半导体传感器、精密光学元器件等产品。主要客户包括苹果、三星电子、 比亚迪、富士康、信濠光电、麦格纳及多所科研院校，形成了丰富的工艺与应用积累。公 司持续加大研发投入，产品在精度、效率和稳定性方面不断优化，并通过多元化技术方 案和定制化服务，进一步提升市场份额与盈利能力。 前瞻布局光刻掩模版镀膜设备，国产化趋势下成长空间可期。公司已具备光刻掩模版镀 膜设备生产能力，采用自下而上的磁控溅射技术，可在超大规格玻璃或石英基板上沉积 金属铬及其氧化物、氮化物，产品用于光刻掩模版制作。随着国内光刻机设备国产突破 加速，公司在光刻掩模版镀膜领域形成了良好的卡位优势，有望实现订单快速转化与放 量，助推公司迈上新一轮成长。

3、波长光电：深耕精密光学元件，直写光刻镜头切入国产替代新赛道

推行“光学+”的发展战略，研发体系与应用场景拓展持续完善。公司长期专注于工业激 光加工、红外热成像与消费级光学领域，提供涵盖设计、制造与检测的整体解决方案， 核心产品包括激光与红外光学元件、组件，已形成技术积累与研发体系。公司设立先进 制造工艺中心、半导体与微纳光学实验室，并聚集行业优秀技术人才，具备攻坚光学前 沿的能力。客户群体覆盖华工科技、大族激光、高德红外、大立科技及 IPG、FLIR 等国 际龙头，市场布局国际国内齐头并进。2025H1，公司实现营业收入 2.23 亿元，同比上涨 17.79%，其中，激光光学领域收入 1.37 亿元，PCB 精密激光微加工镜头实现进口替代， 订单金额同比大幅提升；半导体及泛半导体实现收入约 3,477 万元，较上年同期增长 99.44%，产品覆盖高端显示、PCB 微加工、半导体检测等多类光学系统。

积极切入光刻机领域应用，直写光刻镜头与平行光源系统加速国产替代。公司长期布局 激光直写光刻系统，已面向直写光刻系统开发出不同倍率的照明镜头与成像镜头，其直 写光刻照明镜头可承受 200W 以上高强度激光，光学均匀性达 98%以上，利用率超 96%； 成像镜头在全视场下解析度优于爱里斑半径，具备低畸变平场特性，均支持定制化开发。 公司还推出 UV LED 平行光源系统，以 365nm 波长 LED 为光源，经过光学镜片整形后 输出均匀平行光束，可应用于接近式掩模光刻设备。随着国内光刻机设备国产化需求迫 切，公司在光刻专用光学镜头和光源系统的研发成果有望加速产业化，打开更大成长空 间。

4、福晶科技：非线性光学晶体全球龙头，切入光刻光学元件环节

非线性光学晶体全球龙头，具备完整晶体+光学元件+激光器件一体化能力。公司大股东 为中科院福建物质结构研究所，核心产品覆盖非线性光学晶体、激光晶体及精密光学元 件，是业内极少数能够为激光客户提供“晶体+光学元件+激光器件”一站式光电服务的供 应商。公司 LBO、BBO 晶体产能与出货规模居全球第一，广泛应用于高端激光加工、光 通讯及科研领域；公司精密光学产品业务规模和全球影响力稳步提升，并已实现高速光 网络动态调控模块所需棱镜光栅的批量供货，并在声光、磁光等核心器件上加快突破， 逐步打破国外垄断。 光刻光学领域具备核心卡位价值，DUV 光源晶体国产化优势凸显。公司产品体系已切入 光刻元件研发与供应，曾通过欧洲代理向 ASML 少量供货，显示其已具备进入全球高端 光刻供应链体系的能力。LBO 与 BBO 晶体是 DUV 光刻机 193nm 与 221nm 准分子激光 器的核心材料，公司作为全球规模最大晶体厂商，在该领域具备稀缺优势。同时，公司 子公司至期光子研发的超精密光学元组件及高精度物镜与成像镜组已成功应用于国内重 大技术装备的关键系统。未来，公司有望依托晶体与元器件的协同优势，把握国产光刻 机及高端光学装备替代加速的战略机遇。

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