2021年全球光刻机行业概览.pdf

1 2021年 卡脖子系列 全球光刻机行业概览 2021 Research Report on the Global Lithography Systems Industry Overview 2021年全世界業界研究概览 报告标签：芯片、半导体、光刻机 报告作者：莫子庆 2021/04 报告提供的任何内容（包括但不限于数据、文字、图表、图像等）均系 头豹研究院独有的高度机密性文件（在报告中另行标明出处者除外）。 未经头豹研究院事先书面许可，任何人不得以任何方式擅自复制、再造 、传播、出版、引用、改编、汇编本报告内容，若有违反上述约定的行 为发生，头豹研究院保留采取法律措施，追究相关人员责任的权利。头 豹研究院开展的所有商业活动均使用“头豹研究院”或“头豹 ” 的商号、 商标，头豹研究院无任何前述名称之外的其他分支机构，也未授权或聘 用其他任何第三方 代表 头豹 研究 院开 展商 业活 动。 12021 LeadLeo 行业峰会策划、奖项评选、行业 白皮书等服务 头豹研究院简介 头豹是国内领先的原创行企研究内容平 台和新型企业服务提供商。围绕“ 协助企业加速资本价值的挖掘、提升、传播 ”这一核心目标，头豹 打造了一系列产品及解决方案，包括： 数据库服务、行企研报服务 、微估值及微尽调自动化 产品、财务顾问服务、 PR 及 IR服务，以及其他企 业为基础，利用 大数据、区块链 和人工智能等技术，围绕 产业焦点、热点问题，基于 丰富案例和海量数据，通过开放合作的增长咨询服 务等 头豹致力于以优质商业资源共享研究平台，汇 集各界智慧，推动产业健 康、有序、可持续发展 300+ 50 万+ 合作专家 2 万+ 注册机构用户 公司目标客户群体 覆盖率高 ，PE / V C 、 投行覆盖率达80% 资深分析师 和研究员 5,000+ 细分行业 深入研究 原创内容 100 万+ 行研数据元素 企业服务 为企业提供定制化报告服务、管理 咨询、战略调整等服务 提供行业 分 析师外派 驻 场服务， 平 台数据库 、 报告库及内部研究团队提供技术支持 服务 地方产业规划，园区企业孵化服务 云研究院服务 行业排名、展会宣传 园区规划、产业规划 四大核心服务2021 LeadLeo 1 、头豹科技创新网 ( ) ： PC端阅读全行业、千本研报 2 、头豹小程序：微信小程序搜索“头豹 ”、手机扫上方二维码阅读研报 图说 表说 专家说 数说 3 、行业精英交流分享群：邀请制，请添加右下侧头豹研究院分析师微信 详情咨询 研报阅读渠道 扫一扫 实名认证行业专家身份光刻机的制造集合了精密光学、精密仪器、高分子物理与化学、机械自动 化软件、高精度环境控制和流体力学等多项世界顶尖先进技术，光刻机作 为芯片制造前道工艺七大设备之首，是人类文明的智慧结晶，被誉为“半导 体工业皇冠上的明珠” 。 光刻机是制造芯片最为核心机器设备，被誉为“半导体工业皇冠上 的明珠” 01 光学元器件制造难点有两个地方，一是曝光能力，二是镀膜能力。曝光镜 头对于，膜系设计要求非常高，首先需要用仿真软件设计结构，实现特定 的光学效果。特殊设计的掩膜需要用到高端镀膜材料、高精度镀膜设备和 高超的镀膜工艺才能够生产出。 高端光刻机制造技术高度复杂，光学镜头和光源设备是最为核心 元器件设备 02 随着人工智能、智能驾驶、5G等新兴市场的不断发展，全球集成电路行业 市场规模稳定增长，中国凭借着巨大市场需求、丰富的人口红利好、稳定 的经济增长及有利的国家产业政策环境等众多优势条件，中国集成电路产 业实现快速发展，2012-2018年CAGR达20.3%，市场增速明显高于全球整体 水平。 国家政策大力扶持下，国产替代迎来曙光 03 全球每年高端芯片需求持续高 速增长 2020年，中国芯片进口总额超过3,500亿美元，创下历 史新高，在5G、新能源汽车、物联网等领域新需求趋势 下，全球半导体产能持续紧张。中国集成电路产业的快 速发展尚不能完全满足日益增长的市场需求，中国政策 积极支持集成电路发展，晶圆制造是集成电路产业链中 核心环节，中芯国际作为中国自主研发集成电路制造最 先进的公司，在众多优势条件下，有望进一步提升全球 成熟制程领域市占率。 摘要名词解释 - 10 光刻机行业综述 - 11 应用概述 - 12 EUV光刻机工作原理 - 13 EUV光刻机制造工艺难点与优势 - 14 光刻机主流产品分析对比 - 15 发展历程 - 16 发展现状 - 18 光刻机产业链分析 - 19 上游：光源 - 21 上游：镜头 - 22 下游：晶圆代工厂 - 23 光刻机行业发展前景 - 26 市场规模 - 27 政策端 - 29 企业端 - 31 全球光刻机行业竞争格局 - 32 中国光刻机行业企业推荐 - 35 中芯国际 - 36 上海微电子 - 37 目录 CONTENTS方法论 - 38 法律声明 - 39 目录 CONTENTSTerms - 10 Overview of Photoresist Machine - 11 Application Overview - 12 The Operating Principle of Photoresist Machine - 13 The Difficulties And Advantages of EUV Photoresist Machine - 14 The Comparison of Different Photoresist Machine - 15 Development History - 16 Development Status - 18 Analysis of Photoresist Machine - 19 Upstream :The Light Source - 21 Upstream : The Lens - 22 Downstream : Wafer Foundry - 23 Development Prospects of the Photoresist Machine - 26 Market Size - 27 Policy - 29 Company view - 31 Competitive Situation 32 Enterprise Recommendation of the Photoresist Machine - 35 SMICS - 36 SMEE - 37 目录 CONTENTSMethodology - 38 Legal Statement - 39 目录 CONTENTS9 2021 LeadLeo 图表1：芯片晶圆加工流程 - 12 图表2：ASML Twinscan 简易工作原理图 - 13 图表3：EUV光刻机解析图 - 14 图表4：EUV与ArF光刻机分析图 - 15 图表5：光刻机领域发展历程时间表 - 16 图表6：光刻机产品解析表 - 17 图表7：全球光刻机行业竞争格局 - 18 图表8：光刻机行业产业链 - 20 图表9：全球光学镜头行业公司对比 - 21 图表10：全球光源行业公司对比 - 22 图表11：全球晶圆代工行业市场规模，2021-2025年预测 - 23 图表12：全球晶圆管代工行业市场份额，2019年 - 23 图表13：全球晶圆管代工厂产能分别占比，2019年 - 24 图表14：全球晶圆代工行业营收分别占比，2019年 - 24 图表15：全球光刻机年度销量，2021-2025年预测 - 26 图表16：全球光刻机市场规模，2021-2025年预测 - 26 图表17：全球光刻机产品结构（按销量计），2020年 - 27 图表18：全球光刻机产品结构（按营销额计），2020年 - 27 图表19：中国半导体产业相关政策，2013-2020年 - 29 图表20：中国半导体产业相关政策，2013-2020年 - 30 图表21：ASML公司股权架构图 - 31 图表目录 List of Figures and Tables10 2021 LeadLeo 图表22：全球光刻机行业市场规模（按市场份额计） - 33 图表23：2018年全球高端光刻机出货量 - 34 图表24：2018年高端光刻机市场占比 - 34 图表25：中芯国际营收规模及归母净利润，2016-2020年 - 36 图表26：中芯国际营收规模及归母净利润，2016-2020年 - 37 图表目录 List of Figures and Tables2021 LeadLeo 11 测量台与曝光台：承载硅片工作台。 激光器：用于制造光源的设备，光刻机核心设备之一。 光束矫正器：矫正光束入射方向，控制激光束尽量平行。 能量控制器：用于控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。 光束形状设置：设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。 遮光器：在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。 能量探测器：检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。 掩模版：内部刻着线路设计图的玻璃板。 掩膜台：承载掩模版运动的设备，运动控制精度是nm级。 物镜：用于补偿光学误差，并将线路图等比例缩小。 硅片：用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸，尺寸越大产率越高。 内部封闭框架与减振器：将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。 名词解释2021 LeadLeo 12 行业综述 01 02 03 05 042021 LeadLeo 13 来源：头豹研究院编辑整理 芯片晶圆加工流程 芯片制造核心设备应用概述光刻机 芯片前道工艺七大设备包括光刻机、刻蚀机、镀膜设备、量测设备、清洗机、离子注入机以及其他设备，光机 机主要作用为将掩膜版上的芯片电路转移到硅片，是IC制造最为核心环节 头豹洞察 半导体芯片产业链主要为上游端 IC设计、中游端IC制造、下游段 IC封测三大环节。而整个芯片制 造中IC制造是最复杂、最为关键 的工艺步骤。 光刻机分为三类：一是主要用于 生产芯片的光刻机；二是用于封 装的光刻机；三是用于LED制造 领域的投影光刻机。其中用于生 产芯片的光刻机涉及众多世界先 进技术,中国光刻机与国外顶尖光 刻机存在的差距比较明显。 随着物联网高速发展，芯片不限 用于手机和电脑，已涉及生活日 常用品中如冰箱、洗衣机、空调 和电视等物品。全球集成电路行 业销售额由2012年2,382亿美元 增长至2018年3,933亿美元,CAGR 达8.72%。 功能实现 功能实现 晶圆清洗、热氧化 晶圆清洗、热氧化 光刻（涂胶、曝光、显影） 光刻（涂胶、曝光、显影） 刻蚀（干法、湿法） 刻蚀（干法、湿法） 离子注入、退火 离子注入、退火 扩散 扩散 化学气相沉积 化学气相沉积 物理气相沉积 物理气相沉积 化学机械研磨 化学机械研磨 晶圆（加工后）检测 晶圆（加工后）检测 包装入库 包装入库 电路布图 电路布图 光掩膜制作 光掩膜制作 多次循环 逐层堆积电路图 实现特定功能 多次循环 逐层堆积电路图 实现特定功能 光刻机 光源 掩膜版 缩图透镜 待曝光晶圆 将光罩上设计好的集成电路 图形通过光线的曝光印在光 感材料上 光束2021 LeadLeo 14 来源：头豹研究院编辑整理 ASML Twinscan简易工作原理图 头豹洞察 EUV光刻机工作原理分析 芯片性能受晶体管密度影响，同样面积下晶体管越多，即晶体管线宽越小，芯片性能越强，其中纳米单位即代 表了相应的光刻工艺能制造出的晶体管线宽 光源激光器 能量控制器 硅片 掩膜台 掩膜版 能量探测器 内部封闭框架 测量设备 光速矫正器 （3个） 减震装置 测量台 曝光台 光刻技术是指光刻胶在特殊波长光线或者电子束 发生化学变化，通过曝光、显影、刻蚀等工艺过 程，将设计在掩膜版上的图形转移到衬底上的图 形精细加工技术。 光刻机工作原理：激光器作为光源发射光束穿透 掩膜版及镜片，经物镜补偿光学误差，将线路图 曝光在带有光感涂层的硅晶圆上，然后显影在硅 片上，理论上相当于与照相机加投影仪组合。 光刻机的构造分为：照明系统(光源+产生均匀光 的光路)、Stage 系统 、镜头组、搬送系统、 Alignment系统。此外光刻机工作温度必须保持 在23度，确保硅片在恒温和无尘环境。 光刻机主要性能指标：支持基片尺寸范围、分辨 率、对准精度、曝光方式、光源波长、光强均匀 性、生产效率等。 光刻机性能决定了晶体管的尺寸，晶体管的尺寸 对于芯片的性能具有重大意义。随着科技高速的 发展，对高性能芯片需求越来越高，不断追求尺 寸更小、性能更强的芯片。 光束形状设置 遮光器 测量设备2021 LeadLeo 15 来源：头豹研究院编辑整理 EUV光刻机解析 EUV光刻机制造工艺难点与优势 EUV极紫外光刻机是全球光刻机发展的历史转折点，被称为“现代光学工业制造之花”，其制造难度之大全球唯 有ASML公司才能生产 强大光源 极紫外光线极其容易被物质吸收，EUV光束在多次反射后， 只有不到2%光线能使用，能量转化率极低。因此需使用强 大光源，以此保证射线光源足够强，导致耗能巨大。 真空环境 光学系统 设计 独特光刻机/ 掩膜版 EUV光刻机制造工艺难点 与ArF光刻机不一样，EUV光刻机最高分辨率可达1nm，在 未来可能将突破1nm制造，EUV光刻技术可提供3-5倍的分 辨率增强。 EUV光刻机优势 极紫外光波长为13.5nm，由于极紫外光线容易被镜头玻 璃等材料吸收，而且也会被空气和气体吸收导致影响折射 率变化，因此腔体必须采用真空系统和无尘车间。 强大的EUV光线使光刻工程步骤大大缩减，光刻工艺相对 于ArF光刻机更加简单，使得晶圆生产效率得到极大的提 升。 复杂的光学系统必须使用反射镜代替透镜，布拉格反射器 为一种复式镜面设计，可将多层反射集中成单一反射。反 射镜制造精度要求非常高，因此制造成本非常昂贵。 普通光刻机使用化学放大光刻胶，由分子链聚合而成，但 此材料不易吸收EUV光线，容易导致形成的图形轻微模糊。 EUV易破坏普通掩膜版，需特殊掩膜版。 分辨率 生产效率 EUV光刻技术演示 大 功 率 激 光 靶材料 真空腔 步进扫描4倍掩膜版 多层涂层镜 EUV 步进扫描承片台 投影掩膜版 1/4图形2021 LeadLeo 16 来源：头豹研究院编辑整理 EUV与ArF光刻机分析 头豹洞察 前道制程光刻机主流产品分析对比 EUV与DUV光刻区别在于所使用的理论分辨率、物镜组和光源不同，ArF 则是DUV深紫外光刻机所用的光源 2007年，ASML推出第一台浸没式光 刻机TWINSCAN XT:1900i。 浸入技术：镜头和硅片之间的空间 浸泡于液体之中，采用纯净水且折 射率为1.44，所以ArF光线加浸入技 术实际等效的波长为134nm(193nm 波长/水折射率1.44=134nm)。 2017年，ASML成功研发出第五代 EUV光刻机，采用将准分子激光照 射在锡等靶材，激发出13.5nm光子， 作为光刻机光源。 ASML目前使用的EUV光源是“高能脉 冲激光打击到锡液滴靶上，形成等 离子体，等离子体的发光被聚光镜 收集作为光刻光源”在这个过程中要 控制锡液滴的流速，让高能脉冲激 光每发射一次，就能够打击到锡液 滴靶上，形成等离子体。 ArF 光刻机 EUV 光刻机 分辨率 EUV光刻机最基本分辨 率为7纳米，理论上可实 现1nm制程工艺。 光源波长仅为13.5nm， 分辨率可达ArF光刻机 35倍。 使用反射镜组，EUV光 刻机所使用的反光镜为 0.33。 缺点：反光镜制造难度 极高，导致EUV光刻机 价格昂贵。 EUV光刻机用的是EUV光源。 全球仅为美国公司Cymer与日本 Gigaphoton才能制造,目前全球 唯一量产EUV光刻机光源设备， 由Cymer公司提供。 DUV光刻机最小分辨率 为7纳米 使用浸入式技术，制程 可达3-5nm。但成本巨 大技术难度极高，因此 DUV极限分辨率为7nm。 DUV光刻机的透镜NA为 1.3，1.35。 使用合成石英制造非球 面镜片，实现较高透过 率。 DUV光刻机用的是准分子Arf光 源，目前能够制造出Arf光源仅 有美国Cymer、日本Gigaphoton 和中国科益虹源这三家。 物镜组 光源2021 LeadLeo 17 来源：头豹研究院编辑整理 光刻机领域发展历程时间表 1980-90s 1980-90s 2000s 2000s 2010s 2010s 1965年，英特尔公司创始人之一 戈登摩尔博士提出摩尔定律，预 言半导体集成电路密度每年将会 翻倍，此定律为半导体领域的原 生驱动力。 早期，光刻机并未像如今超高端 EUV光刻机集合了各领域顶尖技术， 早期光刻机工作原理与幻灯机相 近。60年代末，日本佳能与尼康 进 入 光 刻 机 领 域 。 1973 年 ， PerkinElmer公司推出投影式光刻 系统，此后PerkinElmer公司在光 刻机领域一直处于主导地位。 尼康和佳能两大光学巨头公司在东京 电子、日立、迪恩士等一系列配套日 本厂商的支持下，在1984年后主导着 全球光刻机领域，市场份额占比达 40%。 GCA公司，随后推出真正具有现代意 义的自动化步进式光刻机Stepper。 1984年4月，ASML正式成立。1985年 ASML与蔡司（Zeiss）公司合作改进 光学系统，凭借PAS-2500产品占有 10%市场份额。 光刻设备按照曝光方式分为Stepper 和Scanner。Stepper运作方式，通过 传统地一次性将整个区域进行曝光； Scanner则是镜头沿Y方向细长空间曝 光，硅片和掩膜同时沿X方向移动经 过曝光区动态完成整个区域的曝光。 2002年，台积电公司林本坚博士 提出“浸没式光刻机技术” ，打破 困扰全球光刻机领域发展长达20 多年无法突破193nm光源的技术 难题。 2003年，ASML和与台积电合作研 究“浸没式光刻机技术”解决方案， 并成功推出第一台具备浸没式光 刻机技术的产品。 2005年，摩尔定律的延续再度陷 入停滞，EUV LLC组织联合数百位 顶尖科学家，共同研究EUV光刻 技术，并验证EUV光刻机的可行 性。 EUV极紫外光刻技术是制程突破 10nm的关键，2010年ASML公司成 功研发首台EUV光刻机NXE：3100。 2013年，ASML收购准分子激光源 巨头Cymer，同年推出NXE：3300B， 2017年推出第三款EUV光刻机NXE： 3400B。 目前为止，ASML凭借EUV光刻机， 成为光刻机领域超高端市场的垄断 企业，最新EUV极紫外光技术能达 到5nm精度。 中国上海微电子SMEE，已从90nm 制程一举突破28nm工艺，在后道封 装光刻机领域，全球市占率为40%。 全球光刻机发展历程（1/2） 在摩尔定律的驱动下，光学光刻技术经历五代变革。光刻设备由最早的普通光源到使用193nm波长的DUV激 光，技术上跨越了多个重要节点，最新光刻技术达到波长13.5nm，制程节点提高到7-3nm 1960-70s 1960-70s2021 LeadLeo 18 来源：头豹研究院编辑整理 光刻机产品解析表 全球光刻机发展历程（2/2） 光刻机的进化其实是不断降低波长的进程，光源波长决定晶体管线宽，波长越短线宽越小然而芯片性能就越强 光源类型 波长 (Wavelength) 制程节点（nm） 对应光刻机 代数 EUV光源（Extreme Ultraviolet Lithography） 13.5nm 7-3nm 极紫外式 光刻机 第五代 DUV光源 （Deep Ultraviolet Lithography） ArF+immersion 193nm (等效134nm) 45-7nm/ 130-65nm 浸入步进式/ 步进投影式 光刻机 第四代 F2 157nm ArF 193nm KrF 248nm 180.13nm 扫描投影 光刻机 第三代 汞灯光源 i-Line 365nm 800-250nm 接触式/接近式 光刻机 第二代 h-Line 405nm 第一代 g-Line 436nm 分辨率 套刻精 度 光刻机性能决定性技术指标 瑞利公式：R R:分辨率;代表投影最小图像的能力 :光源波长； K1:工艺相关参数；范围在0.25-0.4 NA：数值孔径；决定实际分辨率 分辨率越小，代表芯片性能更强 套刻精度(OverlayAccuracy)：指前后两道光 刻工序之间彼此图形的对准精度(3)。 对准的偏差直接影响产品良率。高性能光 刻机，套刻精度提供两个数值，一种是单 机自身的两次套刻误差，另一种是两台设 备（不同设备）间的套刻误差2021 LeadLeo 19 来源：头豹研究院编辑整理 全球光刻机行业竞争格局 头豹洞察 全球光刻机领域发展现状 ASML作为全球唯一一家生产高精度光刻机公司，其EUV极紫光刻机用于生产5nm芯片，垄断全球高端光刻机 的供应，光刻机领域未来竞争格局难以改变 全球光刻设备格局： ASML公司在超高端光刻机领域独占鳌头，成为唯一供应商， 旗下产品覆盖全部级别光刻机设备。 目前，全球光刻机市场主要竞争公司为ASML，尼康(Nikon)和佳能(Canon)三家， 从光刻机销售额来看，2019年合计市场份额占全球光刻机市场90%以上。 从企业角度，Canon主要光刻机销售集中在i-line光刻机；Nikon光刻机销售则纵向 跨度较大，在除EUV之外的类型均有涉及，其中以Arf和i-line光刻机领域较为突出； ASML，则在除i-line光刻机之外领域均具有较强的主导地位。 尼康公司在光刻机行业发展呈现持续下滑态势，但凭借多年技术积累位居二线供 应商地位；佳能公司只能屈居三线；上海微电子装备（SMEE）作为后起之秀，在 前道光刻机领域暂时只提供低端光刻机。 早期，佳能投入巨额资金研发“干式微影光刻机”，但由于制造成本极高，被市场所 淘汰。随后佳能专注于低端产品i-line和KrF光刻机，并逐渐减少在半导体光刻机领 域的投资，转向面板光刻机领域。 由于光刻设备对光学技术和供应链要求极高，拥有极高技术壁垒，已成为高度垄 断行业。上海微电子与ASML在光刻机领域的差距客观反映中国和西方在精密制造 领域差距，超高端光刻机关键零部件来自不同西方发达国家，来自美国光源，德 国镜头和法国阀件等，所有核心零部件皆对中国禁运，中国大学研究机构在半导 体领域也相对偏薄弱，无法提供有效技术支持，致使中国光刻机技术处在弱势地 位。在未来时间里，中国光刻机难以追赶世界光刻机世界水平。 Twinscan Twinscan Twinscan Twinscan Twinscan XT Twinscan XT Pas5500 Pas5500 光源：EUV 节点：7nm/5nm 光源：EUV 节点：7nm/5nm 光源：ArF+ 浸入式 节点：728nm 光源：ArF+ 浸入式 节点：728nm 光源：ArF/KrF/ i-line 节点：65nm+ 光源：ArF/KrF/ i-line 节点：65nm+ 光源：ArF/KrF/ i-line 节点：90nm+ 光源：ArF/KrF/ i-line 节点：90nm+ 超高端 超高端 中端 中端 高端 高端 低端 低端2021 LeadLeo 20 产业链分析 01 02 03 05 0421 2021 LeadLeo 光刻机行业产业链 下 游 下 游 上 游 上 游 中 游 中 游 来源：头豹研究院编辑整理 光刻机行业产业链分析全景图 光刻机行业产业链中最为核心设备分别为光学镜头和光学光源，其镜头控制光学系统的精密度以及光源决定使 用的波长，光刻物镜数值孔径与光源波长决定了光刻机的工艺能力 镜头 光源 Foundry IDM 光刻机 卡尔蔡司是全球光 学和光电行业技术 领导者，拥有170 多年光学行业发展 历史。 在超高端光学镜头 市场，卡尔蔡司处 于主导地位。 Cymer 和 Giaphoton 是 全球光学光源制造领域 技术领导者，EUV光源 唯有Cymer才能生产。 中国科益虹源的光源技 术，弥补中国在高端光 源制造领域的空白。 全球半导体前道光刻机整机集成领域，长期由ASML、佳能和尼康三家公司 垄断，三家公司占据市场份额达99%，其中ASML市场份额常年达60%以上， 呈现市场垄断地位。 上海微电子作为后起之秀，芯片后道封装领域光刻机占有中国市场份额的 80%，全球市占率为40%。 Foundry:不从事IC设 计，只接受IC设计公 司委托制造的公司。 2019 年 ， 台 积 电 占 全球IC晶圆制造市场 份额达55%。 IDM：即垂直整合制 造工厂。 垂直整合 制造 指从设计,制造, 封装测试到销售自 有品牌IC都一手包办 的半导体垂直整合 型公司2021 LeadLeo 22 来源：头豹研究院编辑整理 全球光学镜头行业公司对比 头豹洞察 光刻机领域产业链分析光学镜头 高精密光学镜片是光刻机核心部件之一，高数值孔径的镜头决定光刻机分辨率以及套值误差能力，EUV极紫外 光刻机唯一可使用的镜头由卡尔蔡司生产 光学镜头行业市场化程度较高，在 不同应用领域市场竞争格局呈现不 同特点：1、安防视频监控市场： 中国厂商占主导，但国际高端市场 仍被日系等厂商占据；2、车载镜 头：市场集中度较高，市场仍以日 系和美系光学厂商为主，中国仅舜 宇光学处于领先位置；3、新兴消 费类电子：市场细分较多，且多数 仍处于前期培育阶段，光学镜头厂 商市场集中度较低，无明显优势厂 商；4、机器视觉：市场主要被德 系和日系光学厂商占据。 在光刻机领域，全球光学镜头可用 于光刻机仅为三家，分别为卡尔蔡 司、尼康和佳能。用于超高端EUV 极紫外光刻机镜头便由卡尔蔡司提 供，长期以来为ASML光刻设备提 供高效能光学镜头。 卡尔蔡司 主要产品类型 应用场景 P型、E型、L型和自动变焦镜头等类型 主要为半导体制造设备，以及测量系统、显微镜、医疗 技术、望远镜、民用光学如相机和摄影镜头等 徕卡 M系列、R系列、APO系列、TELE中距离 望远镜头、TELYT长距离望远镜头 测量系统（工程、地学空间影响、工业、HDS高清晰等 测量）、显微镜系统、医疗技术、相机和摄影镜头 施耐德 Reomar2.8/45镜头、Xenar3.5/50镜头 大型科研用途、民用光学透镜如相机和摄影镜头等 尼康 大光圈广角系列镜头：AF尼克尔、AF变 焦尼克尔、DX系列镜头、 半导体制造设备，以及测量系统、显微镜、医疗技术、 眼睛镜片、民用光学如相机和摄影镜头等、望远镜 佳能 EF、EF-S、EF-M、TS-E、MP-E等系列 半导体制造设备，以及测量系统、显微镜、医疗技术、 眼睛镜片、民用光学如相机和摄影镜头等、望远镜2021 LeadLeo 23 来源：头豹研究院编辑整理 全球光源行业公司对比 头豹洞察 光刻机领域产业链分析光源 高性能光刻机需要体积小、功率高和稳定的光源，主流EUV光源为激光等离子光源（LPP），目前只有美国厂 商Cymer和日本厂商Gigaphoton才能够生产 从1986年开始，Cymer正式进入半导体行业，发明 光蚀刻微影技术所需的深紫外光，目前拥有超过 3500套光源安装在世界各地的光刻设备上。Cymer 所占市场份额近70%，世界光源制造领域的领头羊。 2013年，Cymer被ASML收购共同研发EUV光源技 术，为其光源技术提供保障。 Gigaphoton于上世纪90年代开始进入中国市场， 最先端产品浸没式光刻ArF激光器，凭借技术的稳 定和低操作成本等方面获得全世界客户好评，近年 来在中国市场的装机数量也持续增加，预计未来装 机量将逐渐增长，Gigaphoton占70%中国市场份额。 中国科益虹源公司自主研发设计生产的首台高能准 分子激光器，以高质量和低成本的优势，填补中国 在准分子激光技术领域的空白，打破国外厂家对该 技术产品长期市场垄断局面。 福晶科技公司生产的KBBF晶体属于激光设备的上 游关键零部件，凭借KBBF晶体技术，福晶科技公 司在该产品领域处于主导地位。 科益虹源 福晶科技 Giga photon Cymer 功能特性 应用现状 带宽窄 运行速度高 可靠性强 为半导体制造中最关键的光蚀刻微影技术所需的深 紫外光源。ASML超高性能光刻机NXE 3400B，则 是使用Cymer激光源。 空间相干性低 良好的曝光面光束均匀性 光源ArF浸没式激光器“GT66A”和KrF激光器“G60K， 被广泛运用在大容量存储芯片和半导体光刻机制造。 高光学均匀性 角度带宽、小的离散色 优良的物化性质 KBBF晶体是目前唯一可直接倍频产生深紫外激光 的非线性光学晶体。用于建造超高分辨率光电子能 谱仪、超导测量、光刻技术等前沿科学研究。 高质量、低成本 高性能转化功能 周期快 目前已完成6khz、60w光刻机光源的制造，该光源 即为现阶段主流ArF光刻机光源，上海微电子即将 交付的28nm光刻机部分光源由科益虹源提供2021 LeadLeo 24 来源：头豹研究院编辑整理 全球晶圆代工行业市场规模，2021-2025年预测 光刻机领域产业链分析晶圆管代工厂（1/2 ） 全球晶圆代工市场呈现一超多强现状，国内先进制程技术与国外代工厂有明显差距待突破 全球晶圆管代工行业市场份额，2019年 单位：亿美元 单位：百分比 CAGR 2016-2020 11 . 5 % 2020-2025E 9.08% 601 687 623 928 1034 1153 1285 1433 1597 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000 1,100 1,200 1,300 1,400 1,500 1,600 1,700 2017 2018 2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 51.0% 18.0% 8.0% 7.0% 5.0% 1.0% 1.0% 1.0% 7.0% 台积电 三星电子 格芯 联华电子 中芯国际 HHGrace VIS PSMC Other 2019年台积电以51%的市场占有率处于绝对领先的地位，三星和格芯分 列第二、第三，中国厂商中芯国际暂列第五。 中芯国际受限于美国出口的管制条例，在先进制程28nm-14nm等领域 份额较小。随着中芯国际产能扩张和技术成熟，未来有望将制程扩展到 12nm制造以上，从而提升市场份额。 2019年全球代工厂市场规模为623亿美金，同比下滑9.32%，主要是受 到智能手机出货下降的影响。 2020年在5nm/7nm高端制程及产能利用率提升背景下，全球晶圆代工 市场产值达到928亿元，同比增长49%.，预计2025年晶圆代工行业规模 达1,597亿美元2021 LeadLeo 25 来源：头豹研究院编辑整理 全球晶圆市场需求端分析 头豹洞察 光刻机领域产业链分析晶圆管代工厂（2/2） 全球集成电路市场空间广阔，在电子设备、通讯和军事等方面得到广泛运用，在需求端主要以低制程晶圆为主 28nm是成熟制程与先进制程 分水岭，28nm及以上被称为 成熟制程，主要用于MCU、 移动设备、物联网和汽车电子 等；28nm以下则是先进制程， 应用于智能手机、CPU、矿机 ASIC等。 台积电2020年5nm实现量产。 预计在2022年，3nm进行规模 化量产。格芯和联华电子均已 宣布暂缓10nm以下制程的研 发。目前芯片先进制程领域竞 争只剩下台积电和三星两家。 中国凭借着巨大市场需求、丰 富的人口红利好、稳定的经济 增长及有利的产业政策环境等 众多优势条件，中国集成电路 产业实现快速发展，2012年- 2018年CAGR达20.3%，市场增 速明显高于全球整体水平。 全球晶圆管代工厂产能分别占比，2019年 全球晶圆代工行业营收分别占比，2019年 54.0% 7.0% 10.0% 24.0% 5.0% other 12-20nm 22-32nm 40-65nm 10nm&sub10nm 32.0% 21.0% 14.0% 16.0% 17.0% Other 40-65nm 22-32nm 12-20nm 10nm&sub10nm 从制程工艺来看，领先工艺（5nm+7nm）占据约12%的市 场份额，全球晶圆需求主要为40nm以上制程晶圆为主。 目前全球晶圆代工市场仍是处于供应不求的局面，成熟制 程需求端持续增长，将迎来量价齐升态势。 从收入结构方面，40-65nm和12-20nm是当前占比最大的 制程节点。 5G、新能源汽车和物联网的渗透率提升将加大成熟制程的 晶圆需求，最高制程7nm市场规模预计达85亿美元2021 LeadLeo 26 01 02 03 05 04 发展前景2021 LeadLeo 27 来源：头豹研究院编辑整理 全球光刻机年度销量，2021-2025年预测 全球光刻机行业市场规模（1/2） 全球半导体设备行业复苏，受益于下游晶圆巨大需求、服务器云计算和5G基础建设的发展，带动相关芯片的 需求，2020年光刻机销售额增速稳定提升 全球光刻机市场规模，2021-2025年预测 单位：台 单位：人民币亿元 294 374 358 413 450 491 535 584 637 0 100 200 300 400 500 600 700 800 2017 2018 2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E CAGR 2016-2020 9.5% 2020-2025E 7.2% CAGR 2016-2020E 15.8% 2020-2025E 10.5% 根据ASML、佳能及尼康公司公告显示，全球光刻机销量413台，同比增长15%， 按季度依次是95台、95台、97台、126台，分别同比增长19%、25%、8%、12%。 2020年EUV光刻机销量31台占比8%；ArFimmersio销量80台占19%；ArFdry、 KrF、i-line光刻机销量分别为32台、130台、140台，销量占比依次是8%、31%、 34%。 伴随着物联网和5G市场高速发展，对芯片性能要求越来越高，对高性能光刻 机设备需求也将进一步加大。近年来下游晶圆代工厂加速扩建产能，带动光 刻机设备需求并有望持续增长。 目前7nm EUV光刻机平均每台价格达到1.2亿欧元，但晶圆代工厂对高端光刻 机的需求量仍然不减。 59 77 88 109 136 158 182 211 245 283 0 50 100 150 200 250 300 2016 2017 2018 2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E re/show?id=6098c80 d2041 0ec9 9095b a5 82021 LeadLeo 28 来源：头豹研究院编辑整理 全球光刻机产品结构（按销量计），2020年 全球光刻机行业市场规模（2/2） 全球光刻机需求端集中在中低端光刻机产品，随着下游晶圆代工厂对晶圆尺寸和制程要求提高，高制程光刻机 需求持续增长，高端光刻机销售额占全球市场份额的41% 全球光刻机产品结构（按营销额计），2020年 单位：百分比 单位：百分比 光刻机行业市场规模增量主要来自高性能EUV光刻机，超高端和高端产品EUV 与ArF光刻机销售额占光刻机市场销售额的81%。 2020年EUV光刻机销售额55亿美元同比增长76%；ArF销售额54亿美元同比下 降7%，但占全球光刻机市场40%；ArFdry、KrF、i-line光刻机销售额占比依次 是5%、11%、3%。 8% 19% 8% 31% 34% EUV ArF ArF dry KrF i-Line 中低端市场需求量不断增长，主要受先进封装的推动。随着步进技术发展， 2015年至2020年先进封装光刻设备出货量年复合增长率达到15%，2020年总 数将超过250台/年。中低端光刻机由于较低的技术壁垒，竞