全球芯片產業(yè)報告：光刻機篇

文：澤平宏觀團隊

AI進入爆發(fā)期，推動全球芯片產業(yè)增長。2024年全球AI芯片市場規(guī)模將同比增長33%，達到713億美元，2025年有望進一步增長。

近些年，在AI芯片等高端芯片領域的國產化替代成為我國芯片產業(yè)的核心命題。

制造端，目前中芯國際、華虹半導體等領先的國產芯片代工企業(yè)主要通過成熟制程（如28nm）擴大產能，也可實現更先進的14nm的量產，但是7nm及以下仍面臨一定的技術設備和產能瓶頸。

設備端，光刻機、刻蝕機、薄膜沉積設備為三大核心制造設備。目前，北方華創(chuàng)、中微公司等企業(yè)在刻蝕機、薄膜沉積設備領域實現了較好的國產替代，刻蝕機的國產化替代率達到55-65%，薄膜沉積設備的國產化進程雖不及刻蝕機，但是國產化替代率也有10%左右。相比之下，我國光刻機的國產化替代率卻不足1%，成為我國芯片產業(yè)的一大卡脖子技術。

光刻機為何被稱為芯片制造的“皇冠明珠”？當前的全球競爭格局如何？

我國光刻機的國產化替代進展幾何？2025年有什么值得關注的地方？

正文

1 光刻機：芯片制造的核心設備

光刻機是芯片制造過程中的核心設備。廣義的光刻機按照功能主要分為前道光刻機和后道光刻機，前道光刻機用于芯片的制造環(huán)節(jié)，而后道光刻機則用于芯片后期的封裝環(huán)節(jié)。一般提到“光刻機”，指的就是前道光刻機。

芯片制造的最大關鍵點就在于如何將電路圖案轉移到硅片上，這一過程通過光刻實現。要在直徑毫米級、厚度微米級的硅片上刻上由數十億以上元件構成的復雜電路，光刻機需達到幾十納米甚至更高的圖像分辨率。光刻技術的難度可想而知，其工藝水平直接決定了芯片的制程和性能。

一般來講，芯片制造需要進行20-30次的光刻，耗時占到50%左右，成本占約1/3。光刻機是光刻工藝用到的最核心設備，進而也就成為芯片制造中的核心設備。

簡單來說，光刻的作用就是將掩模版上的圖案復制到硅片上。掩膜版（Photomask）又稱光罩、光掩膜等，是后續(xù)要在硅片上實現的集成電路的圖形母板。光刻的大致過程是：（1）涂膠：在硅片上涂上一層光刻膠薄膜。光刻膠是一種光敏感材料，被紫外光、電子束、離子束、X射線等照射或輻射后，其溶解度會發(fā)生變化。（2）曝光：用紫外光通過掩膜版照射到附有光刻膠薄膜的基片表面，此時被紫外線照射到的薄膜區(qū)域就會發(fā)生反應，使該區(qū)域的光刻膠更容易（正性光刻膠）或者更難（負性光刻膠）融于顯影液；（3）顯影：利用顯影液溶解光刻膠，如果使用的是正性光刻膠，則顯影后，留下的光刻膠薄膜圖案將與掩模版相同；如果使用的是負性光刻膠，則顯影后，留下的光刻膠薄膜圖案就將與掩模版互補。顯影這一步，實現了圖案從掩模版轉移到光刻膠薄膜上。

光刻之后，還需要再結合刻蝕技術將圖形轉移到基片上。

實現光刻技術的核心設備便是光刻機。光刻機組成要素眾多，光源系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)和工件臺系統(tǒng)構成其三大核心子系統(tǒng)。

光源系統(tǒng)為光刻機提供曝光所需的光源，光源的波長等特性對光刻工藝的精度有直接的影響。有紫外（UV）、深紫外（DUV）或極紫外（EUV）三大類光源；波長越短，所能實現的線寬越細，從而提升芯片的集成度。

物鏡系統(tǒng)負責將掩模版上的電路圖形精確地縮小并投影到硅片上。這一系統(tǒng)包含一系列高精度的透鏡和反射鏡，它們需要具備良好的透光率以及極小的像差，從而確保電路圖形的精準傳輸和優(yōu)質的成像效果。

工件臺系統(tǒng)旨在精密地操控晶圓和掩模版的位置與移動。這一系統(tǒng)必須達到納米級別的精準度和速度，同時還要兼具超高的穩(wěn)定性和重復性。這些特性對于實現多層電路的精準對準和疊加而言至關重要，直接關系到芯片的最終良品率。

簡單來說，使用光刻機實現光刻技術的工作流程如下：（1）將掩膜放置在物鏡系統(tǒng)下方，使其與底片對齊。（2）曝光光源通過物鏡系統(tǒng)投射光線到掩膜上。（3）光線經過掩膜后，通過物鏡系統(tǒng)投射到底片上，形成圖案。（4）底片上的光刻膠對入射光進行反應，形成圖案。（5）底片經過顯影液處理，將未曝光或曝光不完全的光刻膠去除，顯現出所需的圖案。（6）清洗底片，去除殘留物。（7）完成圖案轉移，得到所需微細結構。

2 光刻機類型：從UV到DUV再到EUV，光刻技術精度逐步提升

光刻機的分類方法多，最常見的是按照光源類型，將光刻機劃分為紫外（UV）光刻機、深紫外（DUV）光刻機以及極紫外（EUV）光刻機；工藝節(jié)點逐漸減小，光刻技術的精度逐漸提高。

光刻機的工藝節(jié)點是指在芯片制造過程中，能夠實現的最小特征尺寸，通常以納米（nm）為單位來表示。工藝節(jié)點的數值越小，表示光刻技術的精度越高，即能夠在相同面積的硅片上集成更多的晶體管，從而提高芯片的性能和降低功耗。工藝節(jié)點是反映芯片工藝水平最直接的參數。目前主流的節(jié)點為0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。例如，7nm工藝節(jié)點意味著在硅片上可以制造出最小為7納米的晶體管特征。

從紫外（UV）光刻機到深紫外（DUV）光刻機再到極紫外（EUV）光刻機，工藝節(jié)點逐漸從微米級演進至納米級。EUV光刻機是目前最高端的光刻機產品，全球只有ASML擁有生產能力，售價可達數億元，例如ASML的High-NA EUV光刻機，售價約3.5億歐元，約合27億人民幣，主要被用于2納米及以下制程芯片制造。

3 全球競爭格局：荷蘭ASML占據壟斷性地位，日本Nikon、CANON退守中低端市場

目前全球90%以上的光刻機市場都被荷蘭和日本占據，成規(guī)模的光刻機供應商有三家，即荷蘭的ASML和日本的Nikon、CANON。

ASML（阿斯麥）是全球光刻機市場領導者。在高端EUV光刻機方面，擁有壟斷地位，是全球唯一量產EUV光刻機的廠商；在浸沒式ArF光刻機方面，也擁有絕對的領先地位。2023年，ASML的EUV光刻機出貨量為53臺，DUV光刻機為341臺，UV光刻機為55臺，總出貨量449臺

Nikon（尼康）技術實力強于Canon（佳能），除高端的EUV光刻機外，其他類型均有出貨；而Canon則主攻低端的i-line和KrF光刻機。Nikon總出貨量45臺，2023年DUV光刻機出貨量為21臺，UV光刻機為24臺。Canon 2023年總出貨量187臺DUV光刻機出貨量為56臺，UV光刻機為131臺。

4 國產化替代：需求迫切，技術突破中

過去我國光刻機設備進口較多，從金額看，荷蘭是最大進口來源國；從數量看，日本是最大進口來源國。2022-2024年，美日荷對中國芯片產業(yè)的封鎖不斷升級，芯片制造設備、尤其是光刻機這樣的卡脖子設備，其國產化替代越發(fā)迫切。

光刻機在芯片制造設備中的價值占比約17%，然而國產化率不足1%。半導體設備有前道和后道之分；前道設備用于芯片制造環(huán)節(jié)，后道設備則用于芯片封裝測試環(huán)節(jié)。光刻機、刻蝕機、薄膜沉積設備是三大核心前道設備，價值占比分別達到17%、22%、22%，合計占比超60%。從國產化替代看，刻蝕機的國產化替代進程較快，國產化替代率達到55-65%；薄膜沉積設備相對緩慢，但是國產化替代率也有10%左右；相比之下，光刻機的國產化替代率卻不足1%，成為我國芯片產業(yè)的一大卡脖子技術。

從金額看，荷蘭是我國光刻機最大的進口來源國，對應的供貨商是ASML。近十年來，來自荷蘭的光刻機進口額占總金額的比重均超過60%，2023、2024兩年，由于美日荷對華封鎖的加碼，一定程度上刺激了中國芯片代工企業(yè)在有效期內加速采購半導體設備。2023、2024兩年，來自荷蘭的光刻機進口額占總金額的比重飆升至80%以上。2024年，我國光刻機進口總額107億美元，同比增長22.7%；其中從荷蘭進口額達96億美元，占進口總額88.73%，這一占比相較2023年增加了近6個百分點，創(chuàng)下歷史新高。

從臺數看，日本則是最大的進口來源國。近十年來，來自日本的光刻機臺數占總進口臺數的比重在35%-65%區(qū)間。2024年，我國光刻機進口總臺數962臺，其中有358臺來自日本，占比達37.21%。

2022-2024年，美日荷對中國芯片產業(yè)的封鎖不斷升級，作為核心制造設備之一，光刻機進口面臨的不確定性也隨之加強。

光刻機是中央政策指明要重點突破發(fā)展卡脖子技術及裝備。國內真正對芯片制造攻關始于02專項。2008年，我國出臺了《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》，明確了16個科技重大專項。其中“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”項目，因次序排在16個重大專項中的第二位，所以在行業(yè)內就被稱為“02專項”。

優(yōu)勢在于集中力量突破“卡脖子”環(huán)節(jié)：

光刻機方面，整機的設計及集成由上海微電子（SMEE）負責。而光刻機的四大核心部件，物鏡、光源、工件臺和浸液系統(tǒng)則由高校和科研院所牽頭：由中科院長春光學精密機械和物理研究所（長光所）牽頭物鏡系統(tǒng)的研發(fā)，中科院上海光學精密機械研究所（上光所）負責照明系統(tǒng)的研發(fā)，兩者一起組成光刻機的曝光光學系統(tǒng)；清華大學牽頭光刻機雙工件臺設計；浙江大學牽頭負責研發(fā)光刻機浸液系統(tǒng)。

通過“國家隊”主導分工，也避免了重復研發(fā)和資源分散。例如，SMEE整合了200余家供應商，覆蓋光柵系統(tǒng)（上光所）、雙工件臺（華卓精科）等關鍵環(huán)節(jié)

我國光刻機技術有所突破，但與國外差距仍然明顯。整機方面，上海微電子（SMEE）的SSX600系列，已突破90nm節(jié)點。此外，2024年9月15日，工信部發(fā)布的《首臺（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄（2024年版）》中，披露了一臺KrF光刻機，248nm的光源，實現了≤110nm分辨率和≤25nm的套刻精度；一臺ArFi光刻機，193nm光源，達到分辨率≤65nm和套刻精度≤8nm。需注意的是，我國整機技術與海外的差距仍然較大，對標ASML，其2006年發(fā)布的DUV光刻機型號XT，就已具備193nm光源波長、57nm分辨率以及7nm套刻精度的先進性能。核心部件方面，華卓精科光刻機雙工件臺打破了ASML公司在工件臺上的技術壟斷，成為世界上第二家掌握雙工件臺核心技術的公司。光源方面，2025年1月3日，哈爾濱工業(yè)大學官宣了成功研制出13.5nm波長的極紫外光刻光源，這是光源技術上備受矚目的一項突破。

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