半导体制造光刻机——发展分析

半导体产业是现代信息社会发展的基础，是 经济增长和技术创新的核心要素。当前全球半导 体产业正在经历一个技术进步和创新浪潮的发展 时期，特别是占据半导体产业规模超过 80%的集成电路，在电子信息、社会生活、航空航天等领域被广泛应用。集成电路在计算能力提升、功耗降低、上市周期加快、成本降低等方面不断进步的需 求给芯片产业的发展带来全新的挑战。芯片制造 工艺的先进性直接决定了芯片的性能优劣、电源 效率和体积。目前半导体行业仍以 28 nm 工艺为分水岭，分为先进工艺和成熟工艺，先进工艺主要 用于对芯片计算性能要求更高的领域，成熟工艺 主要用于对制造成本要求较低的场景。先进的制 造工艺代表了行业能力的硬实力，目前台积电、三 星进入 5 nm 工艺量产，3 nm 工艺开始风险投产。由于国际产业环境的限制，目前国内半导体工艺 水平达到 28 nm，存在一定的技术差距。

“一代设备，一代工艺，一代产品”。纵观我国半导体制造设备发展历程，基本形成了半导体制造设备体系，国产设备体系可支撑到28 nm工艺节点， 部分设备也可支撑到14nm 或更先进的工艺节点。但是，国产设备体系有断环（比如光刻机等），设备种类细分不全，在当前全球半导体产业环境下与国际先进水平相比，暴露出较大的差距。发展国产半导体装备，增强产业链支撑能力，已成为产业界共 识，是国家安全、产业升级和供应链安全的重要保 证。光刻机作为核心的半导体制造装备，从全球光刻机市场状况出发，从生产线应用配置、细分技术、 行业应用、竞争因素、供应链、技术发展趋势等方面分析了光刻机的发展状况，解析了ASML公司光刻机发展过程中的技术市场效果。

光刻机市场

1.1 全球市场

从全球来看，半导体产业迎来持续发展时期。2021年全球半导体市场规模从 2020年4400亿 美元跃升到5950亿美元，增长率为 26%，如图 1 所示。2022 年即使受新冠疫情、汽车电子短缺以 及地缘政治等因素影响，全球半导体市场规模达 到 6 017 亿美元。国内半导体市场与全球状态相 同，也迎来持续发展时期，2020 年市场规模达到 1 520 亿美元，2021年达到1920亿美元。根据 2023 年 2月 8 日美国半导体行业协会(SIA)公布 的数据显示，中国大陆仍然是全球最大的半导体市场 ，2022 年 市 场 规 模 达 到 1803亿美元 ，较2021年缩小了 6.3%，但全球占比仍接近 32.5%，如图2所示。

半导体设备市场发展受益于全球半导体产业高速发展，SEMI 全球半导体设备市场统计(WWSEMS) 报告数据显示，2021 年全球半导体设备销售额为1026亿美元，相比 2020 年的 712 亿美元增长了44%。2022 年全球半导体设备销售额为 1090亿 美元，与 2021 年相比略有增长，2023年预计明显下 降，市场预期为 900 亿美元，表现出周期性特点，如图3所示。即使 2023 年出现周期性下降，但总体 趋势呈现增长趋势。2023 年 6 月 13 日，SEMI 在 《300 mm Fab Outlook Report to 2026》指出，全球前 端 300 mm 晶圆厂设备支出 2023 年预计将下降 18%到740亿美元，2024 年全球预计将增长 12%达 到 820 亿美元，2025 年继续增长 24%达到 1 019 亿 美元，2026 年增长 17%突破1188亿美元。

2005－2022 年国内半导体设备市场规模如图 4 所示，从 2018 年到 2022 年连续 5 年保持全球 第二，这不仅是国内市场需求推动的结果，也是国内半导体产业发展前景良好驱动的结果。但从 2022 年开始受到禁运，国内半导体制造设备市场 减小 20.66%。

全球光刻机市场从 2015 年持续增长，2022 年 为 196 亿美元，占整个半导体设备市场的 23%。结 合QY Research 公司 2020 年研究报告和其他媒 体披露的 2022 年前全球光刻机市场规模数据，研 究得 出 2015－2026 年 全球 光刻机 市场 规模 与 2004－2025 年全球光刻机销售数量，如图 5、图 6 所示。市场分析机构 Mordor Intelligence 研究报告 预测 2023 年全球光刻机市场规模将达到 246.6 亿美元，与图 5 基本吻合。

1.2 全球竞争企业 

全球从事光刻机制造的公司目前主要有ASML、Nikon、Canon、SMEE、Veeco 和 Suss 公司， 在市场竞争中，ASML、Nikon 和 Canon 公司 3 家 2022 年占据了光刻机市场 （包含 FPD 光刻机）的 98%，ASML 的设备和技术占绝对领先地位，占据 全球市场 82.1%，90 nm 以下节点高端光刻机（如 ArF、ArFi、EUV 光刻 3 种高端机型）95%以上属 ASML 设备，Nikon 占比不到 5%。2022 年 ASML 光刻机在全球市场占比情况：i 线光刻机占 23%，KrF 光刻机占 72%，ArF 光刻机占 87%，ArFi 光刻 机 占 95% ，EUV 光 刻 机 垄 断 市 场 。2022 年 Nikon 光刻机占据全球市场 7.7%（15 亿美元）， Canon 占据全球市场 10.2%（20 亿美元），主要在 中低端（i 线光刻机、DUV 光刻机），且同类机型价 格低于 ASML，全球其他公司在全球半导体制造 端光刻机市场可忽略不计。

1.3 国内市场

光刻机在全球半导体设备市场的份额一般为 20%～23%，但国内光刻机的市场占比不符合这个统计比例。比如，2017 年中国半导体设备进口 数据中，化学气相沉积设备占比最大，为 23%，而光刻机的占比仅有 9%。

根据 ASML 财务报表，2016－2022 年在中国 大陆光刻机销售量 （不包括服务收入） 如图 7 所 示。据国内芯谋研究调研指出：ASML 在 2019 年 的营业收入约为 118.2 亿欧元，其中来自中国大陆的营收占比为 12%，这一营收包括三星、英特 尔、海力士等境外企业以及台积电在大陆子公司的 采购额，中国本土企业采购额约占这一营收的 65%，即占 ASML 营收的 7.8%，约 9.22 亿欧元。ASML 在中国本土企业的销售量情况如图 8 所示。

根 据 Statistics 公 司 2021 年 研 究 的 数 据， 2020 年中国光刻机进口主要来源地如图 9 所示，图 9 中德国及中国台湾地区来源的是二手设备。日本 Nikon、Canon 公司 2020 年共销售 154 台光 刻机，虽然 Nikon 在 ArFi、ArF 机型各有 11 台销 售，但 2 家公司主要集中在 KrF 及 i 线机型，主要 面向中国市场。

日本 Nikon、Canon 公司 2022 年共 销售 206 台光刻机，中国大陆 2022 年对日本光刻机的进口 占比达 28%[6]，虽然 Nikon 在 ArFi、ArF 机型各销 售 4 台，但主要集中在 KrF 及 i 线机型，ASML 光 刻机在国内销售 ArFi、ArF、KrF 及 i 线 4 种机型。结合图 8，推算 2016－2022 年中国本土光刻机市 场规模如图 10 所示，其中市场占比是指光刻机在 半导体设备市场中的占比。这一数据反映了国内 半导体产业对光刻机需求定的发展规模态势。

1.4 差距

光刻机已成为我国半导体产业持续健康发展的制约因素。目前，国内光刻机产品依然是空白，国际上光刻机已应用于3nm芯片制造，正在研发2nm芯片制造工艺，差距较大。与国外的总体差距主要体现在产业基础薄弱，虽有技术研究，但尚未形成产品体系，投资有限，研发队伍规模偏小，光源、物镜、传感器等部件配套及专用关键部件配套能力不 强，供应链不完善，需要不断地培育和建设。

光刻机产业发展状况

2.1 光刻机在生产线应用配置情况

300 mm（12 英寸）月产5万片晶圆厂，需要40台以上的光刻机，实际生产线根据工艺节点和 芯片类型略有不同，按照产能合理配置各类设备。表1所示为具有代表性、月产 1 万片的 3 类生产线 所需的设备配置数量。从表 1 可以看出，设备需求 总的趋势是工艺线越先进，所需的设备数量越多， 300 mm (12 英寸)生产线多种设备需求是 200 mm (8 英寸)生产线的 2 倍多。

芯片生产线设备购置成本分布如图11所示， 光刻机购置成本最高，达到设备总投资的 21%～ 23%，光刻工艺耗时占生产环节的一半，制造成本占到芯片制造成本的 30%以上，光刻机成为半导体制造的核心设备。

300 mm（12 英寸）生产线起始节点是 90 nm， 200 mm(8 英寸)生产线节点是 0.35～0.13 μm，或 再进一步到 90 nm 节点。工艺节点不断微缩，生产线 投资越大。例如按 30 000 片月产能，0.13 μm 节点 200 mm(8 英寸)生产线投资约为 14 亿美元，90 nm 节点生产线投资约为 24 亿美元，而 14 nm 节点 投资要 100 亿美元，投资成本大幅增长，如图 12 所示。

截止2021年，国内300mm、200mm和150mm及其他的晶圆生产线共有 210 条 （不含纯 MEMS 生产线、化合物半导体生产线和光电子生产线）， 已经投产的 300 mm 晶圆生产线 29 条、200 mm 晶圆生产线29条。受益于近年来半导体、汽车 电子、物联网等产业的迅速发展，全球 200 mm 生 产线需求不断攀升，2017 年底至 2022 年，200 mm 产能出现供不应求的情况，新建或扩建 200 mm 产能，面临着设备短缺问题。目前，200 mm 设备主 要来自二手市场，但二手设备资源接近枯竭，尤其是 蚀刻设备、光刻设备、测量设备等，导致新建 200 mm 生产线在设备的选择面越来越窄，旧的设备硬件技 术过时、软件升级困难、零配件采购和维护不便，对 国产设备开发带来机遇，但 300 mm 生产线建设成 为主要方向。据 ICSPEC 科技转载芯极速报道《国 内晶圆厂分布及重点代工企业概况一览》 显示， 2021 年底，国内建成、在建和计划扩产的生产线 73 条，建成 42 条（300 mm 生产线 23 条、200 mm 生产线 16 条、150 mm 生产线 3 条），在建 14 条 （300 mm 生产线 9 条、200 mm 生产线 5 条），计划 建设12条 （300 mm 生产线 11 条、200 mm 线 1 条），暂停 4 条[8]。但是受出口管制限制，国内芯片制 造正在加快对成熟半导体设备的投资 [9]。根据 IC Insights 数据，2022 年中国大陆共有 23 座 300 mm 晶圆厂正在投产，合计月产能约 104.2 万片，而国 际半导体产业协会（SEMI）预计，到 2026 年，我国 300 mm 晶圆厂月产能有望达到 240 万片，全球占 比提升至 25%。

2.2 光刻机细分技术

图 13、图 14 所示为 2022 年光刻机价值细分市场和数量细分市场。按光刻机技术平台分类，EUV 和 ArFi（浸没式）光刻机销量虽然占 22.7%，但价值 占 77.6%；ArF 光刻机销量占 5.8%，价值占比 4.2%；KrF、i-line 光刻机销量占 71.5%，价值占 18.2%。

随着芯片工艺节点越来越小，其工艺难度也 呈指数型上升。以 10 nm 工艺为例，全工艺步骤数 超过 1 300 道，7 nm 工艺则超过 1 500 道，其中任 何一道工艺出错都可能导致生产的集成电路不合格，拉低制造良品率。

2.3 光刻机行业应用

光刻机主要用于前道芯片、FPD 面板制造，后道晶圆、面板级封装领域，如图15所示。芯片制造光刻机难度远远高于其他应用型光刻机，技术价 值较高、市场大的光刻机是竞争的焦点。

全球光刻机主要制造公司，由于其技术层次的强弱，产品竞争分布有所区别，ASML光刻机主 要用于半导体芯片制造，如表2所示。

2.4 光刻机竞争因素

根据网易网转载芯思想研究院（ChipInsights）的数据表明，2022 年全球集成电路用光刻机出货约 51台，较 2021 年增加 73 台如表3所示。

光刻机竞争结果出现 ASML 一家独大的结果，除了存在产业地缘优势、产业链、企业战略、商 业模式等竞争因素外，技术竞争是主要的因素。在 ASML 技术发展过程中，光刻机技术出现了几次 重大的技术事件：1991 年 PAS5000 光刻机推出， 其采用模块化设计路线，不仅在全球范围内形成 强有力的技术供应链，新产品开发迭代速度加快， 按照终端市场的需求，不断优化产品产率和套刻 精度，产品竞争力增强，同时在终端用户服务响应 迅速提高，设备维护方便，满足了生产线光刻机较 高的使用率；2001 年为了提升竞争优势，ASML 双 工件台（Twinscan）技术被市场认可，形成 XT 平台 产品，极大提升了光刻机生产效率，奠定了 ASML 市场主导地位；2006 年在 Nikon 不看好浸没式光 刻机技术情形下，ASML 采纳了浸没式光刻路线， 推出 NXT 平台的浸没式产品，绕开了当时 157 nm 光源技术困扰，将光源波长等效缩短到 134 nm， 开辟了半导体等比微缩发展的新局面，提升了产业界的信心。如果说 PAS5000 技术帮助 ASML 在 市场中站稳了脚跟，XT 及 NXT 技术则是市场竞 争的两大技术平台，打下了光刻机市场独大的地 位。ASML 公司赢得了双工件台和浸没式技术，从 图 16 统 计 的 ASML 的 市 场 占 有 率 就 可 看 出 ASML 光刻机技术所产生的市场效果，图 17 所示 为全球光刻机制造公司技术发展的状况。ASML 的 EUV 技术研发，早于 1992 年前开始，直到2012 年后，EUV 光刻机才在生产线试用，2018 年 通过市场认可，经历了 26 年时间。EUV 光刻机将 光学光刻机推向技术的巅峰，也把摩尔定律等比 微缩方向，推向产业的天花板。纵观 1992－2018 年这段时间，几乎是 ASML 产品和市场占有率稳 步提升的阶段，也只有在这个阶段 ASML 技术积 累深厚、供应链稳定扩大、资金较为稳定，才能成 就 EUV 技术的产生。

2016 年，ASML面向DRAM、NAND、及 5G 通讯等芯片制造的需求，以及浸没式及 EUV 在其 产品收入份额逐步变大的趋势，计划从 2017 年开 始，用 XT 和 NXT 平台技术改进原有产品，使其 产品体系型号收缩，工艺范围覆盖扩大。具体思路 是：i 线光源机型发展 NA 0.65，分辨率 0.35 μm 机型，提高产能，降低应用成本，产生 XT-400L 新型号机型，其产能达到 230 片 /h（300 mm 晶圆，下 同）；KrF 光源机型发展 NA 0.8～0.93，分辨率 120～80 nm，提高套刻精度，降低应用成本，产生 XT-860N 和 NXT870 两种新机型，NXT870 产能达 到 330 片 /h；ArF 光源机型发展 NA 0.93，提升分 辨到57 nm，提高套刻精度，降低应用成本，产生 NXT1470 新机型，其产能达到 300 片 /h；ArFi 机 型显著提高套刻精度，在多重曝光工艺与 EUV 匹 配，提升产能降低应用成本，产生 NXT2005i 和 NXT2100i 两种新机型，其产能达到 295 片 /h。2020 年 ASML 网站全部“下架”了 PAS5500 机型， 使之成为翻新或特定业务，产品体系缩减为“干 式”、“浸没式”及“极紫外（EUV）”系列产品体系， 包括 XT、NXT、NXE 平台。如表 4 所示 ASML 目 前产品序列及其主要参数。

2.5 光刻机主要技术及其供应链

光刻机涉及数学、物理、化学、材料、精密机械、电子电气、自动控制、光学工程、软件工程等多学科技术，其主要技术及其产业链如图 18 所示， 多学科交织的复杂系统注定了光刻机技术范畴较 广，技术体系和供应链建设难度较大。

纵观 ASML 光刻机技术、产业链，其研发制造技术包括了框架平台、对准、运动台、环境控制和 支撑软件等主要分系统级技术，将光源、照明、物 镜、激光干涉仪、线性 / 平面光栅系统、电机与执 行器、传感器等专用零部件（或系统）以及基础元 件作为合作外包技术，通过系统集成技术，形成光 刻机技术体系。在应用端，还与用户工艺需求结 合，通过前期或后期的光刻胶、掩模版制造商技术 合作，完成整机产品的工艺功能和生产线验证。光 源、照明、物镜在光刻机占有重要的技术地位，作 为合作外包技术，或许实属无奈。ASML 在 20 世纪 80 年代进入光刻机领域之初，Nikon 和Canon 公司作为产业主导企业拥有自身的光学系统技 术，但从商业模式角度以及 ASML 倡导的模块化 技术理念角度思考，ASML 的作法最终成功了。

2.6 光刻机技术发展趋势

i 线、DUV、浸没式光刻机技术国际上已经成 熟。虽然世界先进光刻机研发企业总是以提高生产 效率、降低成本、提升竞争性为目标，不断适应于新材料、新结构、新器件、新工艺、新产业要求，在已有技术或机型基础上不断提升光刻机性能，但总体技术趋势是向 EUV光刻技术方向发展，即：是以提高器件性能、降低器件制造成本为最终目标，向 1 nm 及其以下节点制造技术方向发展。EUV 光刻机具 体发展趋势是以大数值孔径（NA 0.55～0.75）成像 系统、高功率曝光光源（大于 500 W）、较高整机生 产效率（突破 185 片 /h）、较低的工艺系数（K1＜ 0.29）以及较低应用成本等诸多方向发展。在 EUV 光刻机的产业链环节中，高灵敏度、低线条边缘粗 糙度、低辐照排气量的新型光刻胶技术，以及更低 缺陷掩模版制造和检测技术也将同步发展，来完 善并增强 EUV 技术。EUV 光刻技术已经触及到 光学曝光技术的极限，1 nm 是理论上最终节点， 即使也可采取 DUV 技术同样的多重曝光技术延 伸 EUV 技术的能力，但后续的技术发展趋势是按 照“超越摩尔定律”要求向前发展。目前 EUV 光刻 技术属于成熟应用的前期，还未达到 DUV 光刻技术应用的成熟度，比如在曝光工艺过程中，EUV 光源中的光子散粒噪声，导致光刻胶中能量起伏 而产生随机效应，光刻图形出现局部粘连、断线、 触点缺失、线边粗糙现象，影响工艺线宽均匀性及 套刻误差。曝光中的随机效应在 DUV 技术时代就 已存在，但其对制造过程影响不大，被工艺过程所 忽略，但在 EUV 工艺中，随机效应严重影响曝光 工艺的良率，随着图形线条越来越小，随机效应越 发明显，这是 EUV 技术目前着重解决的问题。

结语

自 1978 年 GCA 公司推出第一台 g 线分步投 影光刻机后，光学光刻机技术发展被看作是半导 体技术和产业发展的直接推动力，围绕光刻分辨 率提升，光刻机走过了紫外光、深紫外光乃至如今的极紫外光技术路线，形成了相应的技术和产业 群体，共同推动半导体技术的进步和发展。围绕着半导体制造光刻分辨率、光刻生产效率和工艺套 刻精度提升三大要素，一批光刻机制造商相继出 现角逐市场，从 20 世纪 80 年代到 90 年代末， Nikon处于产业主导地位。ASML 从飞利浦公司脱 骨后，1984 年挤入光刻机市场竞争，2001年双工作台 Twinscan 机型成为 ASML强势崛起的转折 点，将 ASML 推向技术和产业市场的主导地位。2006 年 ASML 推出浸没式光刻机及 2018 年 EUV 光刻机商业化应用，这不仅仅是光刻技术进步的标志，更是 ASML 在产业界的技术标杆。

国内光刻机技术虽然差距较大，但新的国际 产业环境，孕育了发展的空间机遇。在发展过程中 不仅要寻求技术突破和创新，而且要结合产业需 求布局发展，进行深入地思考。

（1）i 线、KrF、ArF、ArFi、EUV 光刻机覆盖整个 半导体制造线的应用。200 mm 及其以下生产线上， i 线、KrF 光刻机是重要的 2 种类型设备，市场需求 稳定，适应面宽，客户群广，国内光刻机技术攻关难 度适中，产业配套链有基础。i 线、KrF 的 300 mm 机型是重要的细分机型，是持续发展的方向。

（2）光刻机整机系统、分系统的功能、性能指 标决定了光刻机的市场竞争力，尤其是双工件台及浸没式架构技术作为产业认可的门槛技术，应 作为首先突破的技术，在光学光刻机发展道路上 是不可回避技术。 

（3）光刻机在系统集成、光源、光学曝光系统、 工艺应用等方面，技术专业化特征非常明显，不是 一家企业能够完全独自掌握的，需要通过联合行 业内企业，利用各自的技术优势和资源合作开发， 建立有效的合作机制是重要技术获取的保障。 

（4）EUV 作为光学光刻机目前的先进技术， 从技术层面看，EUV 极紫外光获取与控制、光学 曝光系统设计与制造、掩模制造、光刻胶配套等技 术，都是行业内垄断的技术。EUV 光刻机研发周 期长（如 ASML EUV 样机在原厂迭代开发完成 后，仅用户端工程化就经历了 12 年时间），研发投 入大，EUV 光刻机研发是一项复杂的系统工程。