光刻機半導(dǎo)體制造皇冠上的明珠

1、 HYPERLINK / P.3一、光刻機：芯片制造的支柱設(shè)備光刻定義：將掩膜板上的圖形曝光至預(yù)涂了光刻膠的晶圓表面上。光刻膠（正膠）受到照射的部分，將發(fā)生化學(xué)變化，從而易溶于顯影液。光刻機是芯片制造的支柱設(shè)備，一般分為準直透鏡系統(tǒng)（EUV 除外）、掩膜板對準系統(tǒng)、曝光系統(tǒng)等。光刻機設(shè)備的核心零部件包括光源、鏡頭以及精密結(jié)構(gòu)等。ASML 典型的沉浸式步進掃描光刻機工作原理：首先是激光器發(fā)光，經(jīng)過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之后進入光掩膜臺，上面放的就設(shè)計公司做好的光掩膜，之后經(jīng)過物鏡投射到曝光臺。圖表 1：ASML 光刻機原理資料來源：電子發(fā)燒友、圖表 2：EUV 光刻機折射路線資料來源：

2、電子發(fā)燒友、 HYPERLINK / P.4光刻行業(yè)的關(guān)鍵定理瑞利公式：CD=k1*(/NA)。CD 為關(guān)鍵尺寸，為了降低 CD，有三種方式：（1）降低波長；（2）提高鏡頭的數(shù)值孔徑 NA；（3）降低綜合因素 k1。生產(chǎn)參數(shù)：（1）分辨率：可達的最小光刻圖形尺寸；（2）套準精度：圖形尺寸在亞微米數(shù)量級上，套刻誤差在特征尺寸 10%；（3）產(chǎn)率：對給定掩膜板，每小時能曝光的晶片數(shù)量。光刻機演變史，目前以步進式為主，EUV 應(yīng)用于先進制程。光刻機在 1985 年之前，以 g 線（436nm）為主；1985 年以后，出現(xiàn)少量i 線（365nm）光刻機；1990 年開始出現(xiàn) DUV 光刻機；踏入 21

3、 世紀，193nm 的深紫外線開始使用。13.5nm 的 EUV 在近十年興起，應(yīng)用于先進制程。光刻機從分類方式的演變，從接觸式向接近式，最后演變成步進式為主。EUV 的高分辨率大幅降低重復(fù)曝光所需要的沉積、刻蝕等工藝步驟。利用 ArF 的 193nm 光源從 1990 年出現(xiàn)，然而在進一步推進更短波長的 157nm 受到技術(shù)阻礙，鏡片和光刻 膠都需要重新研制，因此當時成本更低的浸入式 193nm 技術(shù)通過改良的方案成為了主流。在水中 193nm 的光波長這射程 134nm，通過不斷提升 NA 的方法，并重復(fù)曝光，一直用到了 7m。直到 13.5nm 波長的 EUV 成功商用，大幅提升了光刻機

4、分辨率。同樣的 7nm工藝，使用 EUV 技術(shù)后，晶體管密度和性能都更好。TSMC 7nm EUV（N7+）工藝比 7nm工藝提升 20%的密度、10%的性能或降低 15%的功耗。圖表 3：光刻機類別資料來源：集成電路產(chǎn)業(yè)全書、圖表 4：光刻機技術(shù)特點資料來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察、根據(jù)ASML 的技術(shù)路徑圖，EUV 在邏輯領(lǐng)域的 7nm、DRAM 領(lǐng)域的 1Z 開始使用。圖表 5：光刻機類別資料來源：ASML 公告、圖表 6：光刻機對應(yīng)解析度需求資料來源：ASML 公告、在光刻機曝光下，光刻膠（未）被曝光的部分將溶于顯影液，從而實現(xiàn)將圖形從掩膜板轉(zhuǎn)移至光刻膠，并在后續(xù)的刻蝕環(huán)節(jié)將圖形進一步轉(zhuǎn)移至薄

5、膜。根據(jù)反應(yīng)機理和顯影原理，可以將光刻膠分為正性光刻膠和負性光刻膠。正性光刻膠形成的圖形與掩膜版（光 HYPERLINK / P.5罩）相同，負性光刻膠顯影時形成的圖形與掩膜版相反。根據(jù)感光樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)，光刻膠可分為光聚合型，光分解型和光交聯(lián)型。圖表 7：光刻膠分類分類標準具體類別備注應(yīng)用領(lǐng)域IC 光刻膠g 線光刻膠、i 線光刻膠、KrF 光刻膠、Arf 光刻膠、聚酰亞胺光刻膠、掩模版光刻膠等PCB 光刻膠干膜光刻膠、濕膜光刻膠、光成像阻焊油墨等LCD 光刻膠彩色光刻膠及黑色光刻膠、LCD 襯墊料光刻膠、TFT 配線用光刻膠等按曝光波長g 線曝光波長：436mm 對應(yīng)集成電路尺寸：0.5m

6、以上適用芯片：6 寸i 線曝光波長：365nm 對應(yīng)集成電路尺寸：0.5-0.35m 適用芯片：6 寸，8 寸，12 寸KrF曝光波長：248mm 對應(yīng)集成電路尺寸：0.25-0.15m 適用芯片：8 寸，12 寸Ar曝光波長：193nm 對應(yīng)集成電路尺寸：65-130nm 適用芯片：12 寸未曝光的部分溶于顯影液高分辨率，抗干法蝕刻性強，耐熱性好，去膠方便，臺階覆蓋度好，對比度好，隨著 2-5m 圖形尺寸出現(xiàn)，正膠分辨率優(yōu)勢逐漸凸顯正性膠按相應(yīng)紫外線的特征EUV曝光波長：134nm 對應(yīng)集成電路尺寸：32nm 以下適用芯片：12 寸及以上負性膠曝光的部分溶于顯影液，抗酸抗堿，粘附性好，熱穩(wěn)定

7、性好，感光速度快資料來源：賽瑞研究，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理，圖表 8：集成電路光刻和刻蝕工藝流程資料來源：晶瑞股份招股說明書，二、“皇冠”設(shè)備，巨人主導(dǎo)2020 年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模創(chuàng) 700 億美元新高，大陸首次占比全球第一。根據(jù)SEMI，2020 年半導(dǎo)體設(shè)備銷售額 712 億美元，同比增長 19%，全年銷售額創(chuàng)歷史新高。 HYPERLINK / P.6大陸設(shè)備市場在 2013 年之前占全球比重為 10%以內(nèi)，20142017 年提升至 1020%， 2018 年之后保持在 20%以上，份額呈逐年上行趨勢。2020 年，國內(nèi)晶圓廠投建、半導(dǎo)體行業(yè)加大投入，大陸半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模首次在市場全

8、球排首位，達到 181 億美元，同比增長 35.1%，占比 26.2%。20212022 年，存儲需求復(fù)蘇，韓國預(yù)計將領(lǐng)跑全球，但大陸設(shè)備市場規(guī)模有望保持較高比重。圖表 9：全球半導(dǎo)體設(shè)備季度銷售額（億美元）2502001501005002016-03 2016-09 2017-03 2017-09 2018-03 2018-09 2019-03 2019-09 2020-03 2020-0970%全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額大陸占比全球半導(dǎo)體設(shè)備季度銷售額yoy60%50%40%30%20%10%0%-10%-20%-30%資料來源：SEMI，圖表 10：全球半導(dǎo)體設(shè)備分地域季度銷售額（億美元）25

9、0其他地區(qū)中國大陸中國臺灣韓國歐洲北美日本 HYPERLINK / P.72001501005002016-03 2016-09 2017-03 2017-09 2018-03 2018-09 2019-03 2019-09 2020-03 2020-09資料來源：SEMI，半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)產(chǎn)值具有高增長、高波動性。半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)呈現(xiàn)明顯的周期性，受下游廠商資本開支節(jié)奏變化較為明顯。根據(jù) SEMI 數(shù)據(jù)，從長周期而言半導(dǎo)體行業(yè)復(fù)合增速約 10%，半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)復(fù)合增速約 13%，半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)增長彈性高于半導(dǎo)體行業(yè)。圖表 11：半導(dǎo)體設(shè)備市場增速周期性100% 88%80%60%40%20%59

10、%23% 23%5%76%45%36%8%85%14%52%14%19%7%25%20%41%4% 11%19%3%1%0%-20%84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12-61%3 14-15 16 17 18-21%9 20-40%-60%-18%-24%-10%-11%-25%-29%-37%-30%-40%-12%資料來源：SEMI，2020 年，全球光刻機市場約 135 億美元，占全球半導(dǎo)體制造設(shè)備市場 21%。光刻機市場一直以來在全球設(shè)備市場中的比重都較

11、高，具有較高技術(shù)難度，并且單臺設(shè)備價值量也較高，屬于半導(dǎo)體制造設(shè)備的“皇冠”。圖表 12：刻蝕在晶圓設(shè)備市場比重提升資料來源：semi、光刻機單機價值量高，每年出貨數(shù)量約 300400 臺。根據(jù) ASML、Nikon、Canon 三家光刻機財報數(shù)據(jù)統(tǒng)計，近兩年全球光刻機每年出貨量大約在 300400 臺之間，整體均價 HYPERLINK / P.8約 0.3 億美元。其中主要產(chǎn)品是 KrF 約 90100 臺，ArFi 約 90100 臺。近幾年 EUV 出貨量在逐步增長，全球僅有 ASML 具備供應(yīng)能力，每年出貨 3050 臺，均價超過 1 億美元。 HYPERLINK / P.9圖表 13

12、：全球光刻機出貨量（左；臺）及均價（右；百萬美元）資料來源：ASML、Nikon、Canon 財報統(tǒng)計數(shù)據(jù)、光刻機的供給有限，前三大晶圓制造領(lǐng)先廠商占據(jù)大部分需求。ASML 在 2020 年一共銷售 34 臺 EUV 光刻機，2021 年 EUV 光刻機的產(chǎn)能將增長到 4550 臺。從歷史需求端來看，全球 90%以上的 EUV 光刻機由 TSMC、Samsung、Intel 三家采購，其他諸如代工廠 GobalFoundries、存儲廠海力士、美光每年最多采購 1 臺光刻機。圖表 14：全球 EUV 光刻機出貨量（臺）資料來源：ASML、TSMC、Intel 公告數(shù)據(jù)統(tǒng)計、ASML 主導(dǎo)全球光

13、刻機市場。從光刻機格局來看，2020 年 ASML 占據(jù)全球光刻機市場 84%的市場空間，Nikon 約 7%，Canon 約 5%。ASML 具有高度的壟斷地位，并且由于 EUV 跨越式的升級進步，ASML 在技術(shù)上的領(lǐng)先性更加明顯。圖表 15：全球光刻機市場格局（百萬美元）資料來源：ASML、Nikon、Canon 財報統(tǒng)計數(shù)據(jù)、三、國內(nèi)產(chǎn)線光刻機采購主要來自于 ASML截止 2021-07，長江存儲累計公開中標了 16 臺光刻機，其中 ASML 供應(yīng) 13 臺，包括 3臺浸沒式光刻機、1 臺 ArF_Dry 光刻機、8 臺 248nm 的 KrF 光刻機以及 1 臺 365nm 的 i線

14、光刻機；Canon 供應(yīng) 3 臺 i 線光刻機。圖表 16：長江存儲中標光刻機情況（以機臺數(shù)量計算）資料來源：中國采招網(wǎng)、 HYPERLINK / P.10截止 2021-07，華虹無錫累計公開中標了 16 臺光刻機，其中 ASML 供應(yīng) 15 臺，包括 1臺浸沒式光刻機、1 臺 ArF_Dry 光刻機、8 臺 248nm 的 KrF 光刻機以及 5 臺 365nm 的 i線光刻機；Canon 供應(yīng) 1 臺 ArF_Dry 光刻機。圖表 17：華虹無錫中標光刻機情況（以機臺數(shù)量計算）資料來源：中國采招網(wǎng)、截止 2021-07，華力 Fab6 累計公開中標了 14 臺光刻機，全部由ASML 供應(yīng)

15、，包括 5 臺浸沒式光刻機、7 臺 248nm 的KrF 光刻機以及 2 臺 365nm 的 i 線光刻機。圖表 18：華力 Fab6 中標光刻機情況（以機臺數(shù)量計算）資料來源：中國采招網(wǎng)、四、全球龍頭 ASML，具有極高護城河全球光刻機龍頭 ASML，高研發(fā)、高利潤率。ASML 在 2020 年營業(yè)收入 140 億美元，其中 75%的收入來自于銷售設(shè)備，25%的收入來自于服務(wù)。公司綜合毛利率 52%，營業(yè)利潤率 35%，凈利率 32%。全年平均 ROE 約 27%。公司研發(fā)投入 22 億美元，占比 HYPERLINK / P.11約 16%。ASML 保持高強度研發(fā)投入，并且服務(wù)收入占比不斷

16、提高，鞏固壟斷地位。 HYPERLINK / P.12圖表 19：ASML 季度營收數(shù)據(jù)資料來源：彭博、圖表 20：ASML 光刻機銷售數(shù)量（臺）資料來源：公司公告、圖表 21：2020 年ASML 光刻機業(yè)務(wù)收入結(jié)構(gòu)資料來源：公司公告、在手訂單較高，光刻機供不應(yīng)求。從公司BB 值角度，2019 年至今新增訂單需求合計約278 億歐元，已經(jīng)銷售金額合計約 224 億歐元，相當于累計在手未銷售訂單超過 50 億歐元。2020Q4 公司單季度 BB 值為 1.33，2021Q1 公司單季度 BB 值為 1.51，季度之間雖然存在波動，但可以判斷目前公司光刻機供不應(yīng)求，整體處于產(chǎn)能緊張、在手訂單積壓

17、的狀況。圖表 22：ASML 單季度Book-to-Bill Ratio資料來源：公司公告、 HYPERLINK / P.13關(guān)鍵重大技術(shù)方向的正確選擇，并且實現(xiàn)技術(shù)突破：（1）選擇浸潤式技術(shù)超越 Nikon： Nikon、Canon、IBM 選擇干刻路徑。林本堅離職 IBM 加盟 TSMC，2002 年研制出浸潤式技術(shù)，2004 年ASML 與TSMC 共同開發(fā)第一臺浸潤式設(shè)備，5 年內(nèi)獲得 90%市場（。2）選擇 EUV 技術(shù)壟斷市場：Intel 聯(lián)合美國頂級機構(gòu)成立 EUV LLC，日本 Nikon 被排斥在外，EUV 技術(shù)為ASML 后續(xù)壟斷市場埋下種子。圖表 23：ASML 發(fā)展歷史

18、中幾個重要分水嶺資料來源：中國采招網(wǎng)、向上游，供應(yīng)鏈整合，鎖定核心零部件：EUV 核心技術(shù)集中在三大領(lǐng)域，頂級的光源（激光系統(tǒng)）、高精度的鏡頭（物鏡系統(tǒng)）、精密儀器制造技術(shù)（工作臺）。鏡頭：綁定德國蔡司?？柌趟居?1846 年成立于德國，專注于高端光學(xué)鏡頭。2016 年，ASML 以 10 億歐元收購蔡司子公司卡爾蔡司SMT 24.9%股權(quán)，該協(xié)議主要目標是開發(fā) EUV 光刻系統(tǒng)。光源：2012 年收購美國Cymer。向下游，客戶綁定，與全球頂尖制造廠合作：2012 年 7 月，Intel 入股ASML 15%股權(quán)，并出資 10 億美元支持研發(fā)。2012 年 8 月，TSMC 入股 5%股權(quán)，承諾 5 年投入 2.76 億歐元支持研發(fā)。2012 年 8 月，三星入股 3%股權(quán)，并額外投入 2.75 億歐元支持研發(fā)。五、國內(nèi)上海微布局前道光刻機設(shè)備上海微電子裝備(集團)股份有限公司主要致力于半導(dǎo)體裝備、泛半導(dǎo)體裝備、高端智能裝備的開發(fā)、設(shè)計、制造、銷售及技術(shù)服務(wù)。公司在 2002 年成立。2006 年公司光刻機產(chǎn)品注冊商標獲得國家工商局批準。2008 年十