2021年全球及中国光刻机现状及国产化进程,上海微电子有望突破28nm分辨率「图」-不锈钢3D打印工厂

2021年全球及中国光刻机现状及国产化进程,上海微电子有望突破28nm分辨率「图」-不锈钢3D打印工厂插图

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一、光刻机产业地位及概述

光刻技术是指在特定波长的光照作用下,借助光刻胶将掩膜版上的图形转移到基片上的技术,其中光刻机是整个光刻工艺乃至整个半导体制造工艺中最核心的设备。

1、分类状况

光刻机按照有无掩模,可细分为有掩模光刻机和无掩模光刻机。无掩模光刻机分为电子束/激光/离子束直写光刻机,有掩模光刻机分为接近/接触/投影光刻机。

光刻机分类状况

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资料来源:公开资料整理

2、光刻工艺流程

光刻机在曝光过程中,首先通过曝光单元发射出光线,然后透过提前制作好的掩膜版到达透镜,透镜可以缩小掩膜版投影到光刻胶上的图形,最终光刻胶被紫外线曝光的部分变得可溶解(正胶)。对比相机和光刻机,被拍摄的物体就等同于微影制程中的光罩,聚光镜就是单反镜头,而底片(感光元件)就是预涂光阻层的晶圆。

光刻工艺流程

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资料来源:公开资料整理

3、发展历程

光刻机是光刻工艺的核心设备,也是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备,包含上万个零部件,集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域等多项顶尖技术。作为整个芯片工业制造中必不可少的精密设备——光刻机,其光刻的工艺水平直接决定芯片的制程和性能水平,因此光刻机更是被誉为半导体工业皇冠上的明珠。

光刻机工艺的发展史

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资料来源:ASML官网,华经产业研究院整理

二、半导体设备整体国产化现状

就目前国内主要半导体设备国产化率情况而言,刻蚀设备、薄膜设备、清洗设备技术要求较低,国产突破较早,目前国产化率都在10%以上,但光刻机、涂胶显影、李志注入、探针台等仍未来完全量产的产品,目前技术水平仍停留在研发及提升技术方面,这些设备不仅价值量占比高,且对工艺品质影响较大,是实现国产替代的战术重心,其中光刻机更是重中之重。

2020年中国半导体设备与原材料国产化率

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资料来源:公开资料整理

三、光刻机产业链简析

1、上游端

光刻机产业链主要包括上游核心组件及配套设备、中游光刻机生产及下游光刻机应用三大环节。光刻机技术极为复杂,在所有半导体制造设备中技术含量最高。主要涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术,生产一台光刻机往往涉及到上千家供应商,比如德国的光学设备与超精密仪器,美国的计量设备与光源等,主要组件包括双工作台、光源系统、曝光系统、浸没系统、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。

光刻机产业链上游

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2、需求端

光刻机下游主要半导体产业,整体需求受半导体产业景气度影响较大,随着全球和中国半导体市场规模稳步扩张,光刻胶需求保持稳步增长。数据显示,2021年全球半导体市场规模达5559,同比2020年增长26.2%。中国集成电路销售额超万亿元,达10458.3亿元,同比2020年增长18.2%。

2017-2021年全球半导体市场规模及增长率

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资料来源:WSTS,华经产业研究院整理

2012-2021年中国集成电路销售额及增长率

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资料来源:中国半导体工业协会,华经产业研究院整理

相关报告:华经产业研究院发布的《2022-2027年中国光刻机行业市场深度分析及投资战略规划报告》

四、光刻机产业现状

1、销量

光刻机作为半导体产业链中技术要求最高的设备,市场高度集中背景,市场主流产品基本来自前三大企业,数据显示,随着半导体和信息通讯等产业稳步扩张,全球光刻机销量呈现稳步增长态势,2021年top3企业销量达478台,同比2020年增长65台。整体来看,集成电路、面板和LED光刻机整体出货约650台,其中集成电路约500台左右。

2015-2021年全球TOP3企业光刻机销量

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2、规模

就整体规模变动而言,2021年前三大阿斯麦、尼康、佳能分别总营收达1076亿元,同比2020年增长8.9%,其中阿斯麦占比超8成。主要增长动力来源于EUV出货带动,随着下游集成电路需求持续复杂和精细,工艺制程愈加接近极限,高端光刻机需求将持续扩张,带动整体光刻机营收上升。数据显示,2021年阿斯麦营收来源中中国超百亿元,与国内晶圆产能扩张符合。

2019-2021年全球TOP3企业光刻机营业收入

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3、产品结构

就细分产品类型而言,EUV作为唯一能够制备7nm及以下工艺的光刻机,采用EUV光源,使用的光波波长只有13.5nm, NA (数值孔径)为0.33, 目前全球只有ASML能生产EUV光刻机。 随着高端芯片持续上升,EUV销量稳步扩张,是光刻机市场规模增长的主要动力。

2021年全球TOP3企业光刻机细分产品类型销量

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五、光刻机竞争格局

1、市场集中度

ASML垄断全球光刻机市场。光刻机市场集中度高,ASML、Nikon、Canon市场占有率超过90%,其中ASML由于其技术领先,垄断了EUV光刻机。就三大企业整体市场份额占比而言,独占76.4%的市场份额,Nikon与Canon分别占据10.4%和10.2%的市场份额,佳能相较2020年上升主要原因是line光刻机出货量增长较大,而尼康近两年光刻机销量持续下降。

2021年全球光刻机TOP3市场份额占比情况

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2、细分销量

细分销量来看,阿斯麦占据市场主导地位,无论产品均价还是产品数量皆远高于其他两家企业,龙头地位显著,技术壁垒叠加马太效应下占比持续提升。对比佳能和尼康而言,佳能虽然数量远高于尼康,但主要产品以低端接近/接触式光刻机为主,整体均价较低,随着两家企业销量差持续拉大,佳能规模以数量逐步接近尼康,按此趋势发展,2022年光刻机营收有望超越尼康成为全球第二。

2014-2021年全球光刻机TOP3销量变动

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资料来源:公开资料整理

六、国产化进程

长期以来,我国的光刻技术落后于先进国家,近年来,在国家政策的扶持下,我国光刻机技术也开始了飞速的发展,上海微电子目前已可量产90nm分辨率的ArF光刻机,28nm分辨率的光刻机也有望取得突破。

上海微电子IC前道光刻机主要技术参数

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