光刻机行业深度报告：博采众星之光，点亮皇冠明珠

博采众星之光，点亮皇冠明珠——光刻机行业深度报告证券分析师 杨钟执业证书编号：S0210522110003邮箱： yz3979@hfzq.com.cn请务必阅读报告末页的重要声明证券研究报告|行业深度报告电子行业评级 强于大市（维持评级）2023年11月23日投资要点Ø集成电路的工序之复杂与精细堪称人类工业文明的皇冠，而光刻机则是这个皇冠上的明珠。•随着半导体产业不断迭代，其加工工艺亦面临重重挑战。而在芯片生产过程中最大的挑战之一，即是光刻工艺，其决定了芯片晶体管尺寸的大小，从而直接影响芯片性能和功耗。作为光刻技术的关键设备，光刻机单台价值量高达上亿美元，其购置成本达到半导体设备总投资的20%以上，是芯片制造前道工艺七大设备之首。•光刻机之复杂程度堪称人类科技之巅。一方面，光刻机制造是多学科交织的极其复杂的工程，其研发集成了精密光学、精密运动学、高精度微环境控制、算法、微电子、高精度测控等多学科全球最顶尖工程师和科学家的智慧。另一方面，光刻机是一整套完整的纳米工业体系，要产出纳米级精度的芯片，需要其背后的光源系统、光学镜头系统、精密运动和环境控制系统、测量系统、聚焦系统、对准系统等模块全部达到纳米级精度，并且高度集成和协同，每一个子系统的技术迭代成果均蕴含了该领域最前沿的高精尖技术。毫不夸张地说，光刻机是人类工业文明的巅峰之作，是现代工业体系皇冠上的明珠。Ø光刻机这颗璀璨的明珠是ASML博采众家之长和持续高强度战略投入的结晶。•自上世纪80年代起，围绕着光刻机分辨率、套刻精度、生产效率等关键要素的提升，一批光刻机制造商相继展开角逐。而ASML凭借双工件台、浸没式技术和EUV的里程碑式重大突破，一步步将光刻工艺推向新的高度。当前，ASML独占全球中高端光刻设备出货量的95% ，成为当之无愧的全球光刻设备霸主。•综观ASML崛起的历史，其之所以能用30年时间建立极高的壁垒，离不开其高强度投入和供应链整合。一方面，ASML极为重视技术更新迭代，一直投入大量资金，并最终转化为技术护城河。ASML研发支出多年持续上涨，2022年研发支出已达到241.50亿元。另一方面，ASML利用已有的制造业产业链打造自己的生态体系。在上游端，ASML通过收购与投资40余家产业链核心优质公司以占据技术制高点；在下游端，ASML与英特尔、台积电和三星等巨头开展深度合作，举众多半导体龙头企业之力推动其光刻机的迭代出新。Ø景气周期&自主可控驱动成长，国内厂商逢山开道砥砺前行。•据SIA数据显示，2023年9月全球半导体销售额环比增长1.9%，至此，全球半导体销售额已实现连续七个月的环比增长，半导体景气回升或已接近破晓时分。与此同时，AI芯片、高性能计算、汽车等领域的强劲需求持续推动半导体资本开支的增长，SEMI指出，自2024年起全球前端的300mm晶圆厂设备支出将恢复增长，预计2024年增长12%至820亿美元，2025年增长24%至1019亿美元，并在2026年达到1188亿美元的历史新高。鉴于光刻机产业链极高的技术壁垒，以及不可或缺的产业地位，在海外对华先进技术严密管控的当下，该领域的自主可控具有十分紧迫的战略价值。•工欲善其事，必先利其器。虽然起步较晚，且基础薄弱，但国内光刻机产业链从业者正在积极追赶，补足短板，并在相关零部件、光学部件、激光器件、双工件台、掩膜版等领域取得一定进展。假以时日，随着国内半导体产业链上下游协同攻关，产业政策积极引导，以及多方资本有力加持，国产光刻机及相关供应链有望顺利扬帆，并为科技信息产业发展保驾护航。Ø投资建议：建议关注光刻机产业链整机及相关零部件公司，包括：上海微电子（未上市）、华卓精科（未上市）、科益虹源（未上市）、苏大维格、晶方科技、新莱应材、腾景科技、茂莱光学、炬光科技、福晶科技、福光股份、美埃科技、清溢光电、路维光电、芯碁微装。Ø风险提示：下游需求不及预期风险、相关企业业务开展不及预期风险、设备国产化进程不及预期风险、半导体行业资本开支不及预期、地缘政治风险。2Ø第一部分：半导体工艺及光刻简介Ø第二部分：光刻机及其子系统工作原理Ø第三部分：光刻机竞争格局与行业发展趋势Ø第四部分：他山之石——ASML光刻巨头崛起之路Ø第五部分：投资建议及国产光刻机供应链相关公司Ø第六部分：风险提示目录31.1 晶圆制造及光刻工艺流程Ø1.1.1 光刻工艺在产业链中的位置•半导体芯片生产主要分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节。•核心IC制造环节是将芯片电路图从掩膜转移至硅片上，并实现对应功能的过程，包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。抛光电路布图光刻去胶、清洗扩散、离子注入、退火薄膜沉积功能实现光掩膜制作显影刻蚀基底化合物光刻胶掩膜基底化合物光刻胶n+n+P+P+n+n+P+P+n+n+P+P+紫外光透过掩膜版照射到晶圆表面，掩膜版透明区域所对应的光刻胶部分转变为可溶性物质。曝光后，在晶圆表面喷涂化学显影剂，曝光区域的光刻胶被溶解。将显影后暴露出来的氧化层去除掉，使得下面的硅晶体表面露出来。刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀。溶解光刻胶。刻蚀工艺会引入金属污染，可通过使金属原子氧化变成可溶性离子来清洗硅片。通过改变掺杂物的浓度以提高电学性能，有两种方式：扩散：高温下杂质原子从高浓度向低浓度区域扩散；离子注入：使用各种离子化学杂质轰击晶圆表面暴露区。通过物理气相沉积或化学气相沉积，在晶圆上生长出导电薄膜层和绝缘薄膜层。通过化学腐蚀与机械研磨，实现晶圆表面多余材料的去除与全局纳米级平坦化。工艺流程工艺原理工艺设备光刻机涂胶显影设备刻蚀机清洗机抛光机离子注入机扩散炉退火炉资料来源：晶瑞股份招股说明书，中芯国际招股说明书，华福证券研究所整理图表1：半导体芯片生产工艺流程图41.1 晶圆制造及光刻工艺流程Ø1.1.2 光刻工艺流程及原理•光刻是IC制造的核心环节，也是整个IC制造中最复杂、最关键的工艺步骤，是集成电路制造工艺发展的驱动力。•光刻的本质是把电路结构图“复制”到硅片上的光刻胶上。一般的光刻工艺要经历八道工序：气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、坚膜烘焙和检测。气相成底膜首先用六甲基二硅胺烷在硅片上形成底膜，该底膜使硅片表面疏离水分子，同时增强对光刻胶的结合力。旋转涂胶在硅片表面分滴光刻胶，随后承托硅片的吸盘旋转，光刻胶借助离心作用伸展到整个硅片表面，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。软烘随之对硅片进行软烘，将光刻胶中残余的溶剂含量从20-40%减少到3-8%，提高光刻胶的粘附性和均匀性。对准曝光硅片与石英掩膜对准并聚焦后，使用紫外光照射，未受掩膜遮挡部分的光刻胶发生光化学反应，转化成一种易溶于水基碱性显影液的羧基酸。实现电路图从掩膜到硅片上的转移。后烘显影对曝光后的晶圆进行第二次烘烤，高温烘焙引起的扩散使光刻胶变得更平坦，光化学反应更充分。使用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶可溶解区域，从而露出下面的硅片，使掩膜上的图形被存留在光刻胶上。坚膜烘培显影后热烘温度比软烘高，但不高于光刻胶的玻璃转变温度，否则光刻胶会软化。目的是蒸发剩余的溶剂使光刻胶变硬，提高光刻胶的粘附性。清洗和检测最后将硅片清洗干净，并对芯片结构、电学性能和可靠性等进行测试和评估。资料来