一周解一惑系列：光刻机-半导体技术之巅，国产替代空间广阔

证券研究报告12025年05月28日维持评级[Table_Author]李哲执业证书：S0100521110006lizhe_yj@mszq.com1.一周解一惑系列：机器人大脑算法迭代对视觉方案的影响-2025/05/092.一周解一惑系列：真空镀膜设备国产化进程持续推进-2025/04/213.一周解一惑系列：高端磨床国产替代进程有望加速推进-2025/04/134.一周解一惑系列：SEMICON新品百花齐放，设备公司平台化发展-2025/04/015.一周解一惑系列：具身智能时代各本体公司最新进展-2025/03/24 推荐分析师邮箱：相关研究 目录1光刻机：半导体设备之“王”..................................................................................................................................31.1光刻机：围绕瑞利公式向更先进制程演进....................................................................................................................................31.2光刻机主要由照明、光罩、晶圆模组组成....................................................................................................................................41.3 AI应用驱动高端光刻机市场持续增长............................................................................................................................................62光刻机产业链：多环节待突破，技术壁垒高..........................................................................................................102.1激光光源：我国13.5nm极紫外光刻光源实现突破.................................................................................................................102.2物镜系统：实现精准成像的关键部件..........................................................................................................................................142.3双工作台：超精密运动平台，关乎套刻精度..............................................................................................................................153相关标的..............................................................................................................................................................174风险提示..............................................................................................................................................................21插图目录..................................................................................................................................................................22表格目录..................................................................................................................................................................22 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告2 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明1光刻机：半导体设备之“王”1.1光刻机：围绕瑞利公式向更先进制程演进光刻技术是在特定波长的光照作用下，借助光刻胶将光掩模上的图形转移到基片上的技术工艺。从工艺原理上来看，光刻工艺首先光源穿过光掩模，并通过透镜使得光掩模缩小，最终使光落于覆盖有光刻胶的基板上；在此过程中，光掩模遮盖区域的光刻胶底片不会变硬，在刻蚀过程中被剥落，从而完成对底片的雕刻。由于光刻工艺的一般流程包括涂胶、曝光、显影等核心过程，分别涉及涂胶机、光刻机和显影机。其中，光刻机由于技术壁垒高、单台成本高，为光刻工艺中最为重要的设备。图1：光刻工艺流程图资料来源：芯源微招股说明书，民生证券研究院根据瑞利准则CD=k1•λ/NA，光源波长、数值孔径为影响分辨率的主要因素。芯片大小是决定芯片成本的重要因素，芯片越小，一张晶圆片上可切割的芯片越多，芯片成本就越低。芯片临界尺寸（即光刻系统能够识别的最小尺寸，也即光学分辨率）公式为CD=k1•λ/NA，其中CD为芯片的临界尺寸，λ为光源波长，NA是光学器件的数值孔径，定义可以收集多少光，k1为与芯片制造相关的常数因子，ASML认为其物理极限是k1=0.25。光刻机技术路线主要从前两个方面进行技术突破：光源波长方面，光源由最初的g线发展至目前的极紫外EUV，波长由436nm缩短至13.5nm；EUV光线下芯片制程可达3nm。为了提高分辨率，除了缩短光源波长外，还可以通过增大NA来实现。具体方法有两种：一是增加投影物镜的直径，使更多的衍射光被收集并聚焦在晶圆表面，从而提高数值孔径。但是，当线宽小于65nm时，这种方法会因光角度过大而导致光线无法聚焦。二是采用浸没式光刻技术，在投影物镜和晶圆之间加入水，从而增大介质折射率，实现 图2：光刻工艺原理资料来源：半导体行业观察，民生证券研究院 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明等效波长为193/1.44=134 nm，这比F2（157 nm）更短，且系统升级更加便捷。目前，ASML的湿法DUV NA最大可达1.35，而EUV光刻机正在从0.33NA向0.55NA突破。表1：光刻机技术发展路线技术阶段光源波长对应设备最小工艺节点第一代UVg线436nm接触式光刻机800-250nm接近式光刻机800-251nm第二代UVi线365nm接触式光刻机800-252nm接近式光刻机800-253nm第三代DUVKrF248nm扫描投影式光刻机180-130nm第四代DUVArF193nm步进扫描投影式光刻机130-65nm浸没式步进扫描投影式光刻机45-7nm第五代EDUEUV13.5nm极紫外光刻机7-3nm资料来源：华经产业研究院,民生证券研究院图3：芯片临界尺寸演进路线资料来源：ASML，民生证券研究院1.2光刻机主要由照明、光罩、晶圆模组组成光刻机结构复杂，核心部件达十余种。ASML光刻机由照明光学模组、光罩模组和晶圆模组组成。光刻机技术复杂，往往生产一台光刻机需要上千家供应商，主要组件包括双工作台、光源系统、曝光系统、浸没系统（若为浸没式光刻机）、物镜系统、光栅系统等，配套设施包括光刻胶、掩膜版、涂胶显影等。光刻机的照明系统主要包括光束处理、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，其中光束稳定由光束监测和光束转向两部分组成，用于消除曝光光源出射光束的指向漂移和位置波动对照 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明明系统性能的影响。光瞳整形单元位于光场匀化单元之前，用于控制照射到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。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。图4：光刻机核心部件图5：光刻机三大系统资料来源：Nikon，民生证券研究院资料来源：ASML，民生证券研究院可变狭缝和掩模台（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。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。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。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。图6：步进扫描光刻机照明系统工作原理图资料来源：刘佳红,张方,黄惠杰.步进扫描投影光刻机照明系统技术研究进展[J].激光与光电子学进展,2022, 59(9)，民生证券研究院 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明1.3AI应用驱动高端光刻机市场持续增长2024年，ASML、Nikon、Canon的集成电路用光刻机出货达683台，较2023年的681台增加2台，基本持平；销售金额约在264亿美元，2023年销售金额约269亿美元，销售额基本持平。从EUV、ArFi、ArF三个高端机型的出货来看，2024年共出货212台，较2023年的229台略有下滑。其中ASML出货201台，较2023年减少9台，占有91.4%的市场；Nikon出货19台，占有8.6%的市场。图7：2024年光刻机三大巨头营收市场份额资料来源：芯思想，民生证券研究院 图8：2024年光刻机三大巨头出货量场份额资料来源：芯思想，民生证券研究院 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明从光刻机实际出货来看，ASML在高端光刻机领域处于垄断地位，而Canon通过i-line机台也占据了一定份额，而Nikon用于集成电路领域的光刻机出货量则相对偏少。从需求角度而言，虽然高端光刻机如EUV、DUV出货量较多，但是基础光刻机产品如i-line产品出货量也具有一定规模，若能实现国产化突破，市场空间也很可观。2024年ASML共出货418台光刻机，较2023年449年减少31台。其中EUV光刻机出货44台，较2023年减少9台；ArFi光刻机出货129台，较2023年增加4台；ArF光刻机出货28台，较2023年减少4台；KrF光刻机出货152台，较2023年减少32台；i-line光刻机出货65台，和2023年增加10台。2024年，Canon的半导体用光刻机还是i-line、KrF两类机台出货，光刻机出货量达233台，较2023年出货增加46台；其中i-line机台是出货的主力，出货125台。2024年度，Nikon集成电路用光刻机出货32台，较2023年减少13台。其中ArFi光刻机出货4台，较2023