▌本文來源：馭勢資本（已授權）

文章大綱

• 光刻機：半導體工業皇冠上的明珠

  ·光刻：半導體制造的核心工藝

  ·光刻機：光刻工藝的核心設備

  ·光刻機市場：上游供給不足，下游需求強勁

• 全球局勢：三分天下，高端市場一家獨大

  ·ASML：高端光刻機壟斷者

  ·尼康：發揮面板光刻比較優勢

  ·佳能：光電為主，光刻為輔

• 國產化進程：前路漫漫，曙光微現

  ·上海微電子：國產光刻機的星星之火

ASML

光刻機：半導體工業皇冠上的明珠

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半導體芯片制作分為IC設計、IC制造、IC封測三大環節，光刻作為IC制造的核心環節，其主要作用是將掩模版上的芯片電路圖轉移到硅片上。由于光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平，光刻成為IC制造中最復雜、最關鍵的工藝步驟，光刻的核心設備——光刻機更是被譽為半導體工業皇冠上的明珠。

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光刻：半導體制造的核心工藝

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光刻工藝是指光刻膠在光照作用下，將掩模版上的圖形轉移到硅片上的技術。光刻的原理起源于印刷技術中的照相制版，是在一個平面上加工形成微圖形。在半導體芯片制作過程中，電路設計圖首先通過激光寫在光掩模版上，然后光源通過掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面，引起曝光區域的光刻膠發生化學效應，再通過顯影技術溶解去除曝光區域或未曝光區域，使掩模版上的電路圖轉移到光刻膠上，最后利用刻蝕技術將圖形轉移到硅片上。

光刻根據所采用正膠與負膠之分，劃分為正性光刻和負性光刻兩種基本工藝。在正性光刻中，正膠的曝光部分結構被破壞，被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相同。相反地，在負性光刻中，負膠的曝光部分會因硬化變得不可溶解，掩模部分則會被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。

為了追求更小的工藝節點，在普通光刻之上已開發出多重圖案光刻工藝，用來增加圖案密度，最簡單的多重圖案工藝是雙重圖案，它將特征密度提高了兩倍。最廣泛采用的雙圖案化方案之一是雙曝光/雙蝕刻（LELE）。該技術將給定的圖案分成兩個密度較小的部分。通過在光刻工藝中曝光光刻膠，然后蝕刻硬掩模，將第一層圖案轉移到下面的硬掩模上。然后將第二層圖案與第一層圖案對準并通過第二次光刻曝光和刻蝕轉移到硬掩模上。最終在襯底上進行刻蝕，得到的圖案密度是原始圖案的兩倍。

自對準雙重圖案(SADP)技術是通過沉積和刻蝕工藝在心軸側壁上形成的間隔物。然后通過一個額外的刻蝕步驟移除心軸，使用間隔物來定義所需的最終結構，因此特征密度增加了一倍。SADP技術主要用于FinFET技術中的鰭片形成、線的互連以及存儲設備中的位線/字線的形成，其關鍵的優點在于避免了在LELE期間時可能發生的掩模不對齊。

將SADP加倍可以得到四重圖案化工藝(SAQP)。193nm 浸沒式光刻的SADP可以實現~20nm的半間距分辨率，但是SAQP可以實現~10nm的半間距分辨率。

光刻工藝定義了半導體器件的尺寸，是IC制造中的關鍵環節。作為芯片生產流程中最復雜、最關鍵的步驟，光刻工藝難度最大，耗時最長，芯片在生產過程中一般需要進行20~30次光刻，耗費時間約占整個硅片工藝的40～60%，成本極高，約為整個硅片制造工藝的1/3。一般的光刻工藝要經歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。

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光刻機：光刻工藝的核心設備

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光刻機是光刻工藝的核心設備，價值含量大、技術要求高。光刻是IC制造中的關鍵環節，工藝難度最大，對技術和設備的要求也最高。光刻機作為光刻環節的核心設備，也是所有半導體制造設備中技術含量最高的設備，涉及精密光學、精密運動、高精度環境控制等多項先進技術，其設備投入相應最多，目前世界上最先進的ASML EUV光刻機單價達到近一億歐元。

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光刻機工作原理：光刻機是一種投影曝光系統，由紫外光源、光學鏡片、對準系統等部件組裝而成。在半導體制作過程中，光刻設備會投射光束，穿過印著圖案的掩模及光學鏡片，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖曝光在帶有光感涂層的硅晶圓上，然后使用化學方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。在光刻機內部結構中，激光器作為光源發射光線，物鏡系統補償各種光學誤差，是光刻機的核心設備，也是光刻機造價昂貴的重要原因，光刻機物鏡系統一般由15～20個直徑為200～300mm的透鏡組成。

光刻機的演變

按半導體制造工序分類，光刻設備有前道和后道之分。其中前道光刻機又可根據下游適用產品分為面板光刻機和芯片光刻機，而后道光刻機則為封裝光刻機。封裝光刻機對于光刻的精度要求遠遠低于前道光刻要求，因此價值量也較低，不屬于本文探討之列。而面板光刻機與芯片光刻機工藝類似，只不過不再作用于晶圓而是作用于薄膜晶體管，對技術精度要求也不如后者，只需要達到微米級即可。本文主要關注IC前道制造光刻技術的演變。

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尺寸更小的芯片，在電子速度一定的情況下，信號傳遞的速度就會越快，在一定時間內傳輸的信息就會越多。隨著芯片尺寸的變小，相同面積下可以承載更多的晶體管，高集成度則意味著芯片的高性能。可見晶體管的尺寸對于芯片的性能具有重大意義，而光刻機決定了晶體管的尺寸。隨著半導體產業的向前發展，不斷追求著尺寸更小、速度更快、性能更強的芯片，摩爾定律提出：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。正是半導體行業對于芯片的不斷追求推動了光刻機產品的不斷升級與創新。

按曝光方式分類，光刻機可分為直寫式光刻、接近接觸式光刻和投影式光刻三種。直寫式由于曝光場太小，通常用于制作掩模板；接近接觸式是指光刻膠與掩模板接觸或略有縫隙，受氣墊影響，成像精度較低；投影式是指在掩膜板與光刻膠之間使用光學系統聚集光實現曝光，進一步提高分辨率。芯片追求更快的處理速度，則需要縮短晶體管內部導電溝道的長度，而光刻設備的分辨率決定了IC的最小線寬。因而，光刻機產品的升級就勢必要往更小分辨率水平上發展,光刻機演進過程是隨著光源改進和工藝創新而不斷發展的。

根據所用光源改進和工藝創新，光刻機經歷了5代產品發展，每次改進和創新都顯著提升了光刻機所能實現的最小工藝節點。前兩代均為接觸接近式光刻機，曝光方式為接觸接近式，使用光源分別為g-line和i-line，接觸式光刻機由于掩模與光刻膠直接接觸，所以易受污染，而接近式光刻機由于氣墊影響，成像精度不高；第三代為掃描投影式光刻機，利用光學透鏡可以聚集衍射光提高成像質量將曝光方式創新為光學投影式光刻，以掃描的方式實現曝光，光源也改進為KrF激光，實現了跨越式發展，將最小工藝推進至180-130nm；1986年ASML首先推出第四代步進式掃描投影光刻機，采用ArF激光光源，通過實現光刻過程中掩模和硅片的同步移動和縮小投影鏡頭，將芯片的最小工藝節點提升一個臺階。

此外雙工作臺、沉浸式光刻等新型光刻技術的創新與發展也在不斷提升第四代光刻機的工藝制程水平，以及生產效率。2001年ASML推出了雙工作臺系統，將測量、對準與光刻流程相分離，實現曝光與預對準同時進行，大幅提高了生產效率。而浸沒式光刻工藝更成為ASML強勢崛起的轉折點。與傳統光刻技術相比，浸沒式光刻技術需要在光刻機投影物鏡最后一個透鏡下表面與硅片光刻膠之間充滿高折射率的液體，以提高分辨率；目前主要有三種液體浸沒方法：硅片浸沒法，工作臺浸沒法，局部浸沒法，業界多采用局部浸沒法。

尼康、佳能由盛轉衰，ASML強勢崛起。在45nm制程下ArF光刻機遇到了分辨率不足的問題，業內對下一代光刻機的發展提出了兩種路線。一是開發波長更低的157nmF2準分子激光做為光源，二是林本堅（臺積電研發副總經理）提出的浸沒式光刻。2002年以前，業界普遍認為193nm光刻無法延伸到65nm技術節點，而157nm將成為主流技術，但157nm光刻技術同樣遭遇到了來自光刻機透鏡的巨大挑戰。在時代的十字路口上，TSMC提出了193nm浸入式光刻的概念，尼康、佳能則倒向了開發波長更低的光源；隨著ASML與臺積電合作開發，于2007年成功推出第一臺浸沒式光刻機。193nm光波在水中的等效波長縮短為134nm，足可超越157nm的極限，193nm浸入式光刻的研究隨即成為光刻界追逐的焦點。到2010年，193nm液浸式光刻系統已能實現32nm制程產品，并在20nm以下節點發揮重要作用，浸沒式光刻技術憑借展現出巨大優勢，成為EUV之前能力最強且最成熟的技術。

從液浸式到EUV，第五代光刻機迎頭趕上。前四代光刻機使用都屬于深紫外光，ArF已經最高可以實現22nm的芯片制程，但在摩爾定律的推動下，半導體產業對于芯片的需求已經發展到14nm，甚至是7nm，浸入式光刻面臨更為嚴峻的鏡頭孔徑和材料挑戰。第五代EUV光刻機，采用極紫外光，可將最小工藝節點推進至7nm。

EUV的發展過程面臨有五大問題，這也是EUV造價極其昂貴的重要原因。

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第一，真空環境約束。光蝕刻系統制造的精細程度取決于很多因素。但是實現跨越性進步的有效方法是降低使用光源的波長。幾十年來，光刻機廠商的做法都是將晶圓曝光工具從人眼可見的藍光端開始逐漸減小波長，直到光譜上的紫外線端（UV）。ASML最終選擇的13.5nm波長射線，可以輕易地被很多材料吸收，所以EUV光刻機只能在真空下運行。

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第二，彎曲射線。由于EUV能被玻璃吸收，所以必須在機器中改變其走向，如此一來則必須用反射鏡來代替透鏡，而且必須使用布拉格反射器（一種多層鏡面，可以將很多小的反射集中成一個單一而強大的反射）。

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第三，強大光源。一個EUV光束在經過長途跋涉后，只有不到2%的光線能保留下來。為了減少成本，射線光源必須足夠強，這個強度需要達到中心焦點功率達到250W。這種強度的光可以使機器每小時處理約125個晶片，其批量處理的效率僅有現今使用的高級193nm技術的一半。目前全球最領先的技術也不過是能夠在實驗室中實現200W功率（ASML2017年上半年實現）。

第四，獨特光刻膠。現有的光刻膠是化學放大光刻膠，由分子鏈聚合而成，可以增強入射光子的效果。但這些材料對EUV的吸收效果并不好。此外，由于入射光引起的放大反應在材料內部散射，光刻膠形成的圖像會有輕微模糊。

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第五，保護掩模板。在193nm液浸式光刻機中，掩模版由一層被薄膜（即護膜）保護著，這層薄膜距離掩模版有一點懸空的距離，像保鮮膜一樣緊繃在上方，其作用在于當灰塵落在護膜上時影響聚焦而不能在晶圓上形成圖案，因此不會損壞整個晶圓。但193nm的護膜不適用于13.5nm的光，EUV會損壞護膜，若不使用護膜則很可能是最終良率為0。所以解決這個難題的關鍵在于研究制造出能夠抵抗EUV破壞的護膜。

事實上，ASML從1999年就已開始EUV光刻機的研發工作，但由于上述五大難題，難以支付高昂的研發費用，其三大客戶三星、臺積電和英特爾加大投資52億歐元，積極支持EUV的研發和生產。原計劃在2004年推出產品，直到2010年ASML才研發出第一臺EUV原型機，2016年才實現下游客戶的供貨，比預計時間晚了十幾年，也正是這一滯后使得摩爾定律的更替時間從理論上的18-24個月延長至3-4年。目前，ASML在EUV技術上具有絕對領先地位。

半導體

復盤：ASML如何通過光刻產業鏈壟斷全球光刻機市場

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浸沒式技術與EUV光刻產業鏈構建成為ASML發展的兩大里程碑事件。上世紀50年代末，仙童半導體發明掩膜版曝光刻蝕技術，拉開了現代光刻機發展的大幕，在ASML成立之前，光刻機光源還是以高壓汞燈光源（g-line/i-line）為主，ArF、KrF等準分子激光光源概念剛剛被提出，光刻機工藝技術從接觸式、接近式發展到步進投影式。目前ASML在浸沒式DUV光刻機市占率達97%，EUV光刻機市占率100%，按營收計算為全球第二大半導體設備公司。復盤ASML過往36年發展歷程，面對美、日等競爭對手，ASML主要通過兩個關鍵節點成為全球霸主，分別為浸沒式系統的使用和EUV產業鏈的構建。根據這兩個節點，可將ASML的發展分為三個過程:

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1、1984年成立到20世紀末：憑借PAS5500系列在i-line、干法準分子光源光刻領域占有一席之地；

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2、21世紀初的10年：依靠浸沒式光刻技術彎道超車，一舉擊潰尼康，成為全球光刻機頭號廠商；

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3、2010年以后，打通EUV產業鏈，推出EUV光刻機，成為高端光刻市場絕對壟斷玩家。

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ASML成立之前：光刻機即將進入準分子激光時代，美國三雄稱霸光刻市場

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i-line與步進投影為光刻主流技術。1960年代，位于加州硅谷的仙童半導體發明了至今仍在使用的掩膜版光刻技術。70年代初，Kasper儀器公司發明接觸式對齊機臺，但隨后接近式光刻機臺逐漸淘汰接觸式機臺。1973年，拿到美國軍方投資的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統，搭配正性光刻膠非常好用而且良率頗高，因此迅速占領了市場。1978年，GCA推出真正現代意義的自動化步進式光刻機(Stepper)GCA8500，分辨率比投影式高5倍達到1微米。1980年尼康發售了自己首臺商用Stepper NSR-1010G（1.0um），擁有更先進的光學系統（光源還是i-line）極大提高了產能。與GCA的stepper一起統治主流市場。1982年，IBM的Kanti Jain開創性的提出準分子激光光刻（光源為KrF和ArF）。

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美國三雄統治1980年之前的光刻機市場，日本佳能、尼康抓住產業轉移機會接棒。美國作為半導體技術的誕生地，自然匯集了光刻機產業早期的壟斷霸主，1980年代前的全球光刻機市場主要被三家美國光刻機廠商GCA、Ultratech和P&E壟斷。1980年代末全球半導體市場遭遇危機，日本的尼康和佳能抓住同時期日本半導體產業大發展的機遇，取代三家美國光刻機廠商成為國際光刻機市場的主導者。尤其是尼康，從80年代后期開始市場占有率便超過50%，一直到ASML崛起為止；佳能則憑借對準器的優勢也占領了一席之地。而三家美國光刻機廠商GCA、Ultratech和P&E則均因為嚴重的財務問題而被收購或被迫轉型。

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1984-2000：PAS5500幫助公司立足全球光刻市場

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ASML成立于1984年，脫胎于飛利浦實驗室。ASML成立于1984年，由菲利普和覆蓋沉積、離子注入、封裝設備的ASMI合資創辦，主營業務來源于菲利普原本計劃關停的光刻設備業務。在ASML成立的1984年，尼康和GCA分別占國際光刻機市場三成，Ultratech占約一成，Eaton、P&E、佳能、日立等均不到5%。1988年，ASML跟隨飛利浦在臺灣的合資流片工廠臺積電開拓了亞洲業務，彼時，剛剛成立不久的臺積電為ASML送來急需的17臺光刻機訂單，使得ASML的國際化拓展初見成功。盡管如此，在異常激烈的市場競爭下，初創期的ASML還不能完全自立，產品沒有明顯技術優勢，客戶數量屈指可數。在1980年代末的半導體市場危機中，由于投資巨大且短期內難以看到回報，ASML的兩大股東ASMI和飛利浦均有退出投資的傾向，但最后ASMI將股權出售給飛利浦公司，后者則繼續支持ASML的光刻設備業務。

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憑借PAS5500系列獲得突破，開拓新興市場，與日本廠商差距縮小。1991年，ASML推出PAS5500系列光刻機，這一設計超前的8英寸光刻機具有業界領先的生產效率和精度，成為扭轉時局的重要產品。PAS5500為ASML帶來臺積電、三星和現代等關鍵客戶，通過對PAS5500，大多數客戶建立起對ASML產品的深厚信任，并決定幾乎全部改用ASML的光刻設備，到1994年，公司市占率已經提升至18%。1995年ASML分別在阿姆斯特丹及紐約上市。ASML利用IPO資金進一步擴大研發與生產規模，其中擴建了位于荷蘭埃因霍溫的廠房，現已成為公司新總部。市場策略方面，尼康與佳能正攜上位之余威，加速占領美國市場。而ASML則避其鋒芒，將重點放在新興市場，在歐洲、中國臺灣、韓國等地區攻城略地。由于ASML多方面主動出擊，公司獲得了極大的發展。1999年公司營收首次突破10億歐元，達到12億歐元；而2000年時營收更是翻了兩倍以上，達到27億歐元。

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2001-2010：雙工作臺技術提升效率，先發浸沒式系統打敗尼康、佳能

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Twinscan雙工件臺系統將生產效率提升35%，精度提升10%。在2000年前的光刻設備只有一個工作臺，晶圓片的對準與蝕刻流程都在上面完成。ASML公司在2001年推出的Twinscan雙工件臺系統，在對一塊晶圓曝光的同時測量對準另外一塊晶圓，從而大大提升了系統的生產效率和精確率，并在第一時間得到結果反饋，生產效率提高大約35%，精度提高10%以上。雙工件臺對轉移速度和精度有非常高的要求，ASML獨家開發出磁懸浮工件臺系統，使得系統能克服摩擦系數和阻尼系數，其加工速度和精度明顯超越機械式和氣浮式工件臺。雙工件臺技術幾乎應用于ASML所有系列的光刻機，成為ASML壟斷的隱形技術優勢。

浸沒式系統打破光源波長瓶頸。光刻設備中最初采用的干式微影技術沿用到上世紀90年代（鏡頭、光源等一直在改進），然后遇到瓶頸：始終無法將光刻光源的193nm波長縮短到157nm。為縮短光波長度，全球半導體產業精英及專家，提出了多種方案，其中包括157nm F2激光、電子束投射(EPL)、離子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光。但這些方案要么需要增大投資成本，要么以當時的技術難以實現（比如極紫外（EUV）光刻）。各大廠家都只能對干法系統進行微小升級，且均無法在市場中占據完全主導地位。2002年，時任臺積電研發副總、世界微影技術權威林本堅博士提出了一個簡單解決辦法：放棄突破157nm，退回到技術成熟的193nm，把透鏡和硅片之間的介質從空氣換成水，由于水對193nm光的折射率高達1.44，那么波長可縮短為193/1.44=134nm，大大超過攻而不克的157nm。

ASML率先突破浸沒式系統，自此引領全球光刻市場。由于尼康已經在157nm F2激光和電子束投射(EPL)上付出了巨大的沉沒成本，因此沒有采納這一捷徑。而ASML抓住機會，決定與臺積電合作，在2003年開發出了首臺樣機TWINSCAN AT:1150i，成功將90nm制程提升到65nm。同期尼康宣布采用干式微影技術的157nm產品和電子束投射（EPL）產品樣機研制成功。但阿斯麥的產品相對于尼康的全新研發，屬于改進型成熟產品，半導體芯片廠應用成本低，設備廠商只需對現有設備做較小的改造，就能將蝕刻精度提升1-2代，而且縮短光波比尼康的效果還好（多縮短25nm）。因此，幾乎沒有廠商愿意選擇尼康的產品，尼康潰敗由此開始。在后期，尼康也選擇調轉方向研發浸沒式光刻系統，并推出NSR-S622D、NSR-S631E、NSR-S635E等產品，但半導體產業更新換代迅速，而新產品總是需要至少1-3年時間由前后道多家廠商通力磨合。ASML在浸沒式系統上的領先比尼康多了時間去改善問題和提高良率。導致尼康產品可靠性始終落后于ASML，也是從此刻，代表日本高端光刻機的尼康逐漸敗給了日后的高端光刻龍頭ASML。

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利用浸沒式系統持穩固競爭優勢。2006年，ASML首臺量產的浸入式光刻機TWINSCAN XT:1700i發布，該光刻機比之前最先進的干法光刻機分辨率提高了30%，可以用于45nm量產。2007年，阿斯麥配合臺積電的技術方向，發布首個采用193nm光源的浸沒式光刻系統TWINSCAN XT:1900i，由此一舉壟斷市場。得益于浸沒式光刻，ASML光刻機銷量占全球銷量比例從2001年的25.0%上升2010年的68.9%。ASML和臺積電的合作也更為緊密。反過來，選擇ASML產品的臺積電、三星、英特爾也在之后不斷突破制程束縛，成為世界半導體制造豪強。隨著工藝進步，浸沒式光刻的諸多缺點也被ASML一一解決，缺陷率和產能都有較好改善，目前仍未主流的光刻機型之一。

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積極改進浸沒式系統，推進制程極限至7/5nm。到了2010年后，制程工藝尺寸進化到22nm，已經超越浸沒式DUV的蝕刻精度。在EUV技術取得應用突破之前，包括ASML在內的相關企業也在積極改進浸沒式光刻系統。從設備、工藝和器件方面多管齊下，開發出高NA鏡頭、多光罩、FinFET、兩次曝光、Pitch-split、波段靈敏光刻膠等技術。目前，對于ASNL最先進的浸沒式光刻機Twinscan NXT:2000i，在各種先進工藝與材料的配合下，制程極限已達7/5nm。這使得浸沒式光刻系統在EUV面世前得以繼續延續摩爾定律，并促進ASML進一步拉開與尼康、佳能的差距。中國首臺Twinscan NXT:2000i已于2018年12月正式搬入SK海力士位于無錫的工廠。

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2010-至今：打通EUV光刻產業鏈，成為全球EUV光刻機獨家供應商

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13.5nm引領下一代光源，新技術面臨巨大挑戰。下一代 EUV光刻系統采用波長為13.5nm的極紫外光作為曝光光源，是之前193nm的1/14。該光源被稱為激光等離子體光源，是通過用高功率二氧化碳激光器激發錫（Sn）金屬液滴，通過高價Sn離子能級間的躍遷獲得13.5nm波長的輻射。除上文所述問題外，該光源的穩定性和聚光元件的保護也是巨大的挑戰，因為用于激發的激光器本身存在抖動，激光與等離子體作用時產生的污染將會對光源聚光元件造成影響和破壞。EUV光源的技術基本只掌握在美國 Cymer公司手中。

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EUV光刻機——頂級科學與頂級制造的結合。EUV波長只有13.5nm，穿透物體時散射吸收強度較大，這使得光刻機的光源功率要求極高，此外機器內部需是真空環境，避免空氣對EUV的吸收，透鏡和反射鏡系統也極致精密，配套的抗蝕劑和防護膜的良品率也需要更先進技術去提升，一臺EUV光刻機重達180噸，超過10萬個零件，需要40個集裝箱運輸，安裝調試都要超過一年時間。總之，EUV光刻機幾乎逼近物理學、材料學以及精密制造的極限。所以EUV不僅是頂級科學的研究，也是頂級精密制造的學問。

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2010年首發EUV光刻機，目前成為全球唯一一家EUV光刻機供應商。2010年，ASML首次發售概念性的EUV光刻系統NXW:3100，從而開啟光刻系統的新時代。2013年，ASML發售第二代EUV系統NXE:3300B，但是精度與效率不具備10nm以下制程的生產效益；2015年又推出第三代EUV系統NXE:3350。2016年，第一批面向制造的EUV系統NXE:3400B開始批量發售，NXE:3400B的光學與機電系統的技術有所突破，極紫外光源的波長縮短至13nm，每小時處理晶圓125片，或每天可1500片；連續4周的平均生產良率可達80%，兼具高生產率與高精度。2019年推出的NXE:3400C更是將產能提高到每小時處理晶圓175片。目前，ASML在售的EUV光刻機包括NXE:3300B和NXE:3400C兩種機型。

EUV成功來源于ASML光刻機上游產業鏈的貫通。在EUV光刻機超過10萬個零件之中，來自硅谷光科集團的微激光系統、德國蔡司的鏡頭和Cymer的EUV光源是最重要的三環。1997年英特爾牽頭創辦了EUV LLC聯盟，隨后ASML作為惟一的光刻設備生產商加入聯盟，共享研究成果；2000年，ASML收購了美國光刻機巨頭SVGL(硅谷光刻集團)；2012年ASML收購EUV光源提供商Cymer，此前Cymer就和ASML合作已久；2016年ASML公司取得光學鏡片龍頭德國蔡司24.9%的股份，以加快推進更大數值孔徑（NA）的EUV光學系統。這些收購使得ASML幾乎參與了整個EUV光刻上游產業鏈。但收購美國企業的過程使ASML必須同意在美國建立一所工廠和一個研發中心，以此滿足所有美國本土的產能需求，另外，還需要保證55%的零部件均從美國供應商處采購，并接受定期審查，這也為日后ASML向中國出口光刻機受到美國管制埋下伏筆。

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EUV設備在下游市場供不應求。由于上游零部件供應不足（如蔡司的鏡頭），ASML的EUV光刻機產量一直不高，而下游市場對7nm制程的需求卻十分旺盛。2011年英特爾、三星和臺積電共同收購ASML 23%的股權，幫助ASML提升研發預算，同時也享受EUV光刻機的優先供應權。近年來，ASML已經出貨的EUV光刻機主要優先供應給臺積電、三星、英特爾等有緊密合作關系的下游廠商。目前所有中國企業中，只有中芯國際向ASML訂購了一臺EUV光刻機，原計劃于2019年交付，但由于2018年底ASML的元件供應商Prodrive工廠的部分庫存、生產線被火災摧毀，再加上2020年疫情原因，直到現在ASML的EUV設備還未向中芯國際交付。目前預計這批設備最快在2020年底前完成裝機。

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ASML光刻機已經覆蓋EUV銷量、價格節節攀升。自2010年第一臺EUV光刻機面世起，ASML的EUV光刻機出貨量呈增長趨勢，尤其是2017年開始大幅增加產能，到2019年已經實現年出貨量26臺。而如上文所述，EUV十分復雜的結構與系統使得其單價也逐年攀升，2019年ASMLEUV光刻機小猴26臺，占光刻機銷售量的11.4%，銷售金額達30億歐元，占光刻機銷售金額的33.6%。EUV光刻機單價更是達到了驚人的1.15億歐元/臺，約合1.3億美元，9.2億人民幣，是浸沒式光刻機價格的兩倍。

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光刻機市場：上游供給不足，下游需求強勁

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光刻機上下游市場。從光刻機結構來看，它由光源、光學鏡片和對準系統等部件組成，其工藝中十分關鍵的兩個元素是光刻膠和掩膜版。而光刻處理后的晶圓片再經刻蝕和沉積等過程制成芯片成品，用于電腦、手機等各種設備之中。下游旺盛的終端市場需求決定了光刻設備必然也面臨巨大的需求。目前光刻系統市場供給遠遠不足需求，很重要的原因在于上游原材料/部件精度不符要求，譬如上文總結出的EUV面臨的五大問題（光源功率、掩膜版、光刻膠、鏡頭等）都是上游技術難關。除了來自蔡司的鏡頭的供應不足之外，還有設備上的芯片保護膜仍需要改進。此外，光刻作用基礎硅片/硅基材純度要求極高，通常11個9（即99.999999999%）的級別以上。光刻設備廠商的下游客戶主要在于存儲和邏輯芯片制造商。我們認為未來下游內存市場需求將繼續保持強勁，存儲芯片尤其是DRAM價格仍然持續增長。

ASML

全球局勢：三分天下，高端市場一家獨大

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從全球角度來看，高精度的IC芯片光刻機長期由ASML、尼康和佳能三家把持，從2011-2017歷年全球光刻機出貨比例可以看出，ASML，尼康，佳能三家公司幾乎占據了99%的市場份額，其中ASML光刻機市場份額常年在60%以上，市場地位極其穩固。

頂級光刻機市場ASML一家獨大。2011-2017年頂級光刻機累計出貨量中，EUV完全由ASML壟斷，出貨來源達到100%，ArFi光刻機超過80%也都由ASML提供。英特爾、臺積電、三星用來加工14/16nm芯片的高端光刻機均來自ASML。相對而言，尼康和佳能的先進制程遠落后于ASML，主要市場在中低端，最大優勢僅在于成本，很多同類機型價格甚至低于ASML的1/2。

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ASML：高端光刻機壟斷者

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ASML Holding NV(ASML)是世界領先的半導體設備制造商之一，總部位于荷蘭，向全球復雜集成電路生產企業提供領先的綜合性關鍵設備。它為亞洲，歐洲和美國的半導體生產商提供提供光刻機及相關服務。它還為客戶提供一系列的支持服務，包括先進的工藝和產品應用知識，并以二十四小時服務支持。2006年，ASML交付第一臺光刻機；2007年成功推出第一臺浸沒式光刻機TWINSCANXT:1990i，采用折射率達到1.44的去離子水做為媒介，實現了45nm的制程工藝，并一舉壟斷市場。當時的另兩大光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm光源干式光刻機被市場拋棄。

外延并購，加速研發。ASML為加速EUV發展，ASML于2013年5月以31億歐元收購Cymer。2016年，ASML終于實現首次發貨EUV，并預計在2018年可實現最新的微處理器和存儲器的批量生產。同時，2016年6月收購擁有最先進的電子束檢測技術廠商HMI，與ASML現有曝光技術互補，有助于控制半導體產業良率。2017年，以24.8%股權收購鏡頭老字號生產商卡爾蔡司，進一步為其EUV光刻設備的鏡頭部分提供競爭力。

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公司的主要產品是光刻系統，也稱為掃描儀，有PAS5500和TWINSCAN系列產品，從低端到高端系列依次為XT，NXT和NXE。另外近年來還推出測量工具YieldStar。其技術實力在光刻設備領域遙遙領先，根據半導體行業觀察數據，45nm以下的高端光刻機的市場中，占據80%以上的份額，尤其在極紫外光（EUV）領域，目前處于壟斷地位。

ASML 2018Q1實現營收22.85億歐元，主要來自系統銷售，占比73%；其中ArF浸沒式設備貢獻72%的營收，KrF型以14%的貢獻居于第二。平均來說，ASML中高端設備單臺售價超過7000萬美元，高端EUV設備單臺售價超過1億美元。從Q1業務拆分情況看出，高價值的EUV銷售量僅一臺就貢獻7%的營收，公司預計2018全年EUV收入將達到21億歐元。從終端市場看來，主要下游市場在于存儲芯片，營收1227百萬歐元，占比達53.7%，較之2017年的32.8%有很大提升。

FY2017前三大下游市場是韓國、臺灣、美國，占比分別達到34%、24%、17%，主要原因在于ASML的三大主要客戶為三星、臺積電和英特爾。大陸市場位居第四，營收占比為10%，達9.21億歐元。到2018Q1，格局發生了較大變化，韓國市場比重躍升到51%，主要原因在于三星加大EUV投資。大陸市場購買高端機型的限制逐漸放開，占比提升到20%，美國和臺灣市場占比有較大下滑。

公司營業收入和凈利潤始終保持較高水平，但變化幅度較大。自2016年真正意義上推出EUV設備后，營收和凈利潤實現大幅增長。自2013年以來毛利率和凈利率均實現穩步增長，18Q1毛利率達48.7%，凈利率達23.6%。

其中系統設備尤其是光刻設備貢獻在各個季度均超過 60%，2018Q1設備營收環比有所下降，但同比實現 37.2%增長YoY。光刻機訂單量與訂單額有類似的趨勢。

ASML在光刻設備市場具有不可撼動的霸主地位，尼康和佳能難以與之抗衡的一大重要原因在于其積極研發和開放式創新發展思路，在新品研發和工藝改進上充分發揮其網絡創新優勢，比佳能和尼康的“孤島式”研發模式更具效率和靈活性。

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尼康：發揮面板光刻比較優勢

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尼康（7731.T）是日本的一家著名相機制造商，成立于1917年，當時名為日本光學工業株式會社。1988年該公司依托其照相機品牌，更名為尼康株式會社。最早通過相機和光學技術發家，1980年開始半導體光刻設備研究，1986年推出第一款FPD光刻設備，如今業務線覆蓋范圍廣泛。尼康既是半導體和面板光刻設備制造商，同時還生產護目鏡，眼科檢查設備，雙筒望遠鏡，顯微鏡，勘測器材等健康醫療和工業度量設備。

在FPD光刻方面，尼康則可發揮其比較優勢，尼康的機器范圍廣泛，從采用獨特的多鏡頭投影光學系統處理大型面板到制造智能設備中的中小型面板，為全球領先的制造商提供多樣化的機器。

尼康FY2017營收5.25千億日元，同比下降7.2%，在成像產品和精密設備（光刻設備）領域利潤均有增長，經營利潤達4.15百億日元，增長123.2%，歸母凈利潤達2.23百億日元，增長56.7%。2018Q3營收下降11%，由于成像產品和FPD及芯片光刻設備單位產品銷售額下降，但成像產品業務高附加值產品和精密設備領域的重大技術突破帶來了經營利潤上漲。預計全年營收下降7%，主要在于FPD光刻設備單位產品銷售額下降，但成像產品和芯片光刻設備扭轉了上半年的敗局，使得經營利潤增加124%。

尼康雖然在芯片光刻技術上遠不及ASML，目前的產品還停留在ArF和KrF光源，且售價也遠低于ASML，和EUV更加難以相提并論。但目前其盈利性也很大程度上依賴光刻設備，尤其是芯片光刻設備。雖然研發投入也持續增長，但其中對于光刻設備的投入比重卻在下降。

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佳能：光電為主，光刻為輔

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佳能（CAJ.N）是日本的一家全球領先的生產影像與信息產品的綜合集團，1937年憑借光學技術起家、并以制造世界一流相機作為目標，此后逐漸進入復印機、打印機、光刻設備和機器視覺市場，如今業務已經擴展到各個領域并成功全球化。

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佳能目前有四大業務線，即辦公設備（包括打印機、復印機等）、成像系統（相機及其零配件）、工業設備（包括芯片光刻機、面板光刻機、網絡攝像頭和商用打印機等）以及醫療系統（包括視網膜相機、角膜曲率機等）。佳能最早從1970年開始光刻相關業務，但近幾年來并無技術突破，推出的新產品均非光刻設備領域。

2018Q1公司銷售不振但盈利情況仍有提升，營業收入為9.607千億日元，同比下降1.2%，但凈利潤同比上升3.7%，達571億日元，毛利率和凈利率分別達46.3%和5.9%。原因在于光刻設備拉動，抵消鏡頭/相機收入下降的部分，整體收入與上年持平。受制于某些臨時因素，圖像系統和醫療業務營收分別下降8.4%和11.1%，營業利潤分別下降15%和增長6%；工業領域業務營收增長16.1%，營業利潤增長113.6%。

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單看佳能工業設備銷售業績，整體上處于上升態勢，但光刻設備的比重越來越低，盡管從2016年到2018年光刻設備尤其是芯片光刻設備的銷售量有顯著上升，但價值量貢獻卻并無相同趨勢。FY2017，其他工業設備如網絡攝像頭、商用打印機和三維機器視覺系統加總銷售額貢獻超過80%，反映出佳能在光刻設備市場上議價能力不足，深層原因還是技術精度未能達到高端市場要求，僅能通過價格優勢獲得銷售量的提升。

ASML

國產化進程：前路漫漫，曙光微現

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光刻機研發的技術門檻和資金門檻非常高，也正是因此，能生產高端光刻機的廠商非常少，到最先進的14-7nm光刻機就只剩下ASML能生產，日本佳能和尼康已經基本放棄EUV光刻機的研發。光刻機國產化仍有很長的路要走，處于技術領先的上海微電子裝備有限公司已量產的光刻機中性能最好的是90nm光刻機，制程上的差距非常大，國內晶圓廠所需的高端光刻機只能完全依賴進口。但在《瓦森納協定》的封鎖下，高端光刻機在中國被禁售，即使中端光刻機也有保留條款——禁止給國內自主CPU做代工，導致自主技術成長困難重重，光刻設備國產化，前路漫漫。

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上海微電子：國產光刻機的星星之火

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目前國內光刻機設備商較少，在技術上與國外還存在巨大差距，且大多以激光成像技術為主，在IC前道光刻設備方面，上海微電子裝備（集團）股份有限公司（SMEE）代表了國內頂尖水平。

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公司主要致力于半導體裝備、泛半導體裝備、高端智能裝備的開發、設計、制造、銷售及技術服務。設備廣泛于集成電路前道、先進封裝、FPD面板、MEMS、LED、Power Devices等制造領域。公司的封裝光刻機在國內市占率高達80%，全球市占率也可達到40%；前道制造光刻機最高可實現90nm制程，有望快速將產品延伸至65nm和45nm。上海微電子承擔著多項國家重大科技專項以及02專項光刻機科研任務，有望實現國產光刻設備的重大突破。

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SMEE前道光刻產品為660系列，為步進掃描投影型，采用四倍縮小倍率的投影物鏡、工藝自適應調焦調平技術，以及高速高精的自減振六自由度工件臺掩模臺技術，曝光光源有ArF、KrF和i-line，目前只能達到90nm制程，與國際先進水平差距較大。

500系列步進投影光刻機不僅適用于晶圓級封裝的重新布線以及Flip Chip工藝中常用的金凸塊、焊料凸塊、銅柱等先進封裝光刻工藝，還可以通過選配背面對準模塊，滿足MEMS和2.5D/3D封裝的TSV光刻工藝需求。

除芯片光刻設備，公司還有FPD光刻設備。200系列投影光刻機采用先進的投影光刻機平臺技術，專用于AMOLED和LCD顯示屏TFT電路制造，可應用于2.5代～6代的TFT顯示屏量產線。該系列設備具備高分辨率、高套刻精度等特性，支持6英寸掩模，顯著降低用戶使用成本。

另外，SSB300/30投影光刻機適用于2-6英寸基底LED的PSS和電極光刻工藝，該設備具有高分辨率、高線寬均勻性等特點；SSB320/10投影光刻機專用于LED生產中芯片制作光刻工藝，采用超大曝光視場，通過掩模優化設計減少曝光場，減少重復芯片損失，顯著提高產能。

截至2018年1月，SMEE直接持有各類專利及專利申請超過2000項，同時通過建設并參與產業知識產權聯盟，進一步整合共享了大量聯盟成員知識產權資源，涉及光刻設備、激光應用、檢測類、特殊應用類等各大產品技術領域，全面覆蓋了SMEE產品的主要銷售地域，上微公司承接著我國光刻設備星火燎原的希望。

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參考資料來自：西南證券、馭勢資本研究所

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總結

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