中金看海外 | ASML：光刻巨人是如何炼成的
ASML（阿斯麦）是全球半导体设备公司top5之一，也是全球最大的IC光刻机厂商，基本垄断了包括EUV光刻机在内的中高端光刻机市场。本文通过对ASML公司现状、光刻机行业情况、ASML发展历程及竞争壁垒等方面展开研究，试为投资者带来ASML的深度分析，并为投资者投资ASML或海外/国内半导体设备公司提供启发。
摘要
IC光刻机是ASML的主营产品，公司目前覆盖EUV、DUV（ArFi、ArF、KrF、I-line）等类型光刻机，是全球唯一量产EUV光刻机的厂商。2021年ASML总营收186亿欧元，其中设备系统收入137亿欧元（占比73%），已安装设备管理收入50亿欧元（占比27%）。在公司设备系统收入中，EUV、ArFi光刻机营收分别为63、50亿欧元（占比分别为46%、36%），是核心收入来源。目前，ASML是台积电、Samsung、Intel等全球龙头晶圆厂商的核心设备供应商之一。近年来随着下游客户先进制程资本开支提升以及自身EUV产品的升级迭代，ASML实现了业绩的高速增长。
我们测算2021年全球IC光刻机市场出货量484台，其中EUV、 ArFi光刻机出货量分别为42、84台；2021年全球IC光刻机市场规模169亿美元，其中EUV、ArFi光刻机市场规模分别为74、61亿美元（占比分别为44%、36%）。ASML、Nikon、Canon是目前全球IC光刻机市场主要厂商，按营收规模来算，ASML、Nikon、Canon市场占有率约为80%、10%、10%（2021年）；按出货台数来算，ASML、Nikon、Canon市场占有率约为60%、10%、30%（2021年）。具体来看，ASML在EUV光刻机市场形成垄断，在ArFi、ArF、KrF市场显著领先Nikon、Canon。
ASML成立于1984年，起初体量较小。1990-2000年代，公司凭借产率较高、可靠性强的PAS 5500系列光刻机获得了基本盘，IC光刻机出货量和Canon基本持平，进入前三行列，但和当时的第一名Nikon仍有一定差距。2000-2010年代，公司凭借双工件台和浸没系统两大创新，一方面通过优化扫描曝光时间分配较大提高了光刻机产率，另一方面通过变相减少光源波长提高了光刻分辨率，从而反超Nikon成为全球第一大光刻机厂商。2010-2020年代，公司凭借前期的不断研发积累以及和上下游产业的紧密配合顺利实现EUV光刻机量产化，进一步稳固了全球光刻机第一名的位置。
风险
新产品研发不及预期，半导体周期下行风险，中美贸易摩擦加剧。
正文
公司现状：半导体设备公司top5，主营EUV和DUV光刻机
光刻机公司ASML（阿斯麦）创立于1984年，由Philips和ASMI合资成立，1995年公司上市。经过近四十年的发展，ASML如今已成为全球前五大半导体设备公司之一，和Applied Materials互为一二。ASML可提供EUV、ArFi、ArF、KrF、I-line等多种类型的光刻机及相关量测、检测设备，并且是目前全球唯一可生产EUV光刻机的厂商。ASML 2021年营收达186亿欧元，净利润59亿欧元。
股权结构：前三大股东为机构投资者，总部位于荷兰，研发、制造主要在欧洲
ASML股权较为分散，目前公司前三大股东均为欧美机构投资者。截至2021年末，公司前三大股东为Capital Research and Management Company（资本研究与管理公司，美国），BlackRock Inc（贝莱德，美国）和Baillie Gifford & Co（巴美列捷福，英国），分别持有15.81%、7.95%和4.54%股份。此外，5名核心高管持有公司0.02%股份。
ASML总部位于荷兰，研发、制造主要在荷兰和德国进行，分支机构遍布全球多个国家地区。作为ASML的全球总部，荷兰承担了大部分研发和运营工作，超一半的员工都在荷兰。德国主要负责生产包括工件台、镜头在内的光刻机重要零部件。ASML在美国拥有14个客户支持服务站点，2个工厂和3个研发中心，面向Intel等晶圆厂提供服务。ASML抓住中国半导体行业飞速发展的机遇，2000年起在上海、北京、深圳等地布局研发、生产、销售、物流、客户服务中心。ASML在日本和韩国的分部以为头部客户提供支持服务为主，设立分销、售后维修和支持培训服务中心。围绕核心客户台积电，ASML在中国台湾的新竹、林口、台中和台南布局了亚洲最大的生产基地和客户服务中心。
图表：ASML股权结构（截至2021年）
资料来源：ASML公司公告，ASML公司官网，自然资源部，中金公司研究部
ASML重视技术研发，公司长期保持13%以上的研发费用率。2021年公司投入研发费用25.5亿欧元，占营收13.7%。公司共有11,831名研发人员，占公司总人数37%。持续不断的研发投入保障了公司的技术壁垒，目前ASML最新一代high-NA EUV光刻机正在有序研发中，公司预计2023年产出首台工程样机，并在2025-2026年量产导入客户产线。
ASML管理层均为半导体行业从业经验丰富的骨干。Peter Wennink于2013年起担任公司CEO，他自1999年起担任公司CFO并加入了董事会，曾任Deloitte合伙人并专注于半导体行业，拥有丰富的金融背景。Martin van den Brink于2013年起担任公司CTO，他自1984年公司成立时加入，并于1995年成为公司技术副总裁。Christophe Fouquet曾在KLA-Tencor和Applied Materials担任要职，2008年加入ASML担任执行副总裁，现任EUV部门负责人。
图表：ASML现任管理团队一览
资料来源：ASML公司官网，中金公司研究部
产品拆分：主营为EUV和DUV光刻机
什么是光刻（lithography）？
光刻是半导体制造环节中最为核心的工艺环节之一，实现图形转移的作用：1）光刻前先由涂胶显影设备进行预处理（脱水烘焙），在晶圆表面涂覆光刻胶，并进行软烘干；2）晶圆由涂胶显影设备送入光刻机，经过扫描对准后，光线透过掩膜版对光刻胶进行曝光，一部分光刻胶受到光照，另外一部分则因为掩模版的遮挡不受到光照；3）晶圆由光刻机送回给涂胶显影设备，在晶圆表面加入显影液，显影液能够溶解此前受到曝光的区域，光刻胶表面出现图形，然后进行硬烘干（坚膜）。此后，晶圆通常进行刻蚀或离子注入工艺。最后，再以去胶工艺将剩余的光刻胶去除。
从瑞利准则（Rayleigh criterion）说起
物理学上，瑞利准则CD=k1*λ/NA告诉我们：由于存在衍射现象，任何一个光学系统的分辨率总是有限的。瑞利准则对应到光刻系统中，各指标的实际意义如下：
► CD（critical dimension）代表关键尺寸，是光刻系统能够实现的最小精度。该指标决定并定义了集成电路中最为关键的栅极（Gate）宽度，我们平时所说的65nm、40nm、28nm等制程概念均来自于此。
► λ（lambda）代表光源波长，目前集成电路所使用的DUV（deep ultraviolet，深紫外）[1]系统主流的光源波长有365nm（I-line）、248nm（KrF）、193nm（ArF）几种，EUV（extreme ultraviolet，极紫外）系统光源波长为13.5nm。
► NA（numerical aperture）代表数值孔径，指光线的最大入射角，通常增加镜面的尺寸可以增加NA，ArFi光刻机的浸液系统也变相增加了NA。
► k1是一个和光学以及过程相关的指数，一般在0.25到0.4之间。
由瑞利准则我们不难发现，光刻系统的精度主要取决于λ（光源波长）、NA（数值孔径）等参数，这也是人们提升光刻机性能最主要切入点，尤其是光源波长，从I-line到KrF，再到ArF（也包括ArFi，其核心思想也是变相改变光源波长），然后到EUV，光刻机大的升级迭代均是由光源变革带来的，这些升级变化也将芯片的制程节点由0.35um不断向前推进至目前的10nm以下。
图表：不同制程节点对应的光刻机光源及波长
资料来源：《半导体制造技术导论》（Hong XIAO 著，杨银堂、段宝兴 译，电子工业出版社），中金公司研究部
ASML的产品矩阵
ASML营业收入可分为设备系统收入（net system sales）和已安装设备管理收入（installed base management sales）两部分，2021年ASML设备系统收入136.53亿欧元，占营收比例73.4%，已安装设备管理收入49.58亿欧元，占营收比例26.6%。已安装设备管理服务主要为机台的售后服务，ASML目前共有7,000名售后服务人员，可提供24/7保障、零部件替换、客户员工培训等服务。
图表：2006-2021年ASML营收拆分
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
图表：2006-2021年ASML营收占比
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
ASML主营设备系统为EUV光刻机和DUV（包括ArFi、ArF、KrF、I-line）光刻机。自2017年批量交付EUV光刻机以来，ASML的EUV营收规模和营收占比均快速提升。2021年，公司EUV、ArFi、ArF、KrF、I-line光刻机营收分别为63、50、4、13、1亿欧元，占比分别为46%、36%、3%、10%、1%，此外还有4%对应的5亿欧元营收来自于量测和检测设备。
图表：2011-2021年ASML各类型设备营业收入
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
图表：2011-2021年ASML各类型设备营收占比
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
对ASML的光刻机作进一步拆分，可分为EUV 0.33 NA、EUV 0.55 NA、DUV浸没式、DUV干式四类：
► EUV 0.33 NA：ASML最新的型号为TWINSCAN NXE:3600D，相较于上一代的TWINSCAN NXE:3400C提高了15-20%的分辨率以及30%的套刻精度。
► EUV 0.55 NA（High-NA）：目前ASML的high-NA EUV（TWINSCAN EXE:5000）已经处于样机制造阶段，在延续部分EUV 0.33 NA设计的基础上，这型机台通过将NA由0.33提高到0.55，进一步提高分辨率，未来主要将用于逻辑IC、DRAM的制造。ASML计划high-NA EUV光刻机在2025-2026年投入量产。
► DUV浸没式：ASML最新的型号为TWINSCAN NXT:2050i，目前应用于5nm逻辑IC和10nm DRAM的量产产线。
► DUV干式：ASML ArF光刻机最新的型号的为TWINSCAN XT:1470，每小时处理晶圆数量可突破300片；KrF光刻机最新的型号为TWINSCAN XT:860，I-line光刻机最新的型号为TWINSCAN XT:400L，均可同时支持8英寸、12英寸的晶圆。
此外，PAS 5500系列是ASML过去制造的经典产品（根据ASML的统计，售出的PAS 5500系列产品目前仍有90%在晶圆厂运行）。ASML除提供TWINSCAN NXE系列、TWINSCAN NXT系列、TWINSCAN XT系列设备的翻修外，也提供PAS 5500系列设备的修理，翻新机台也是ASML光刻机业务的一部分。
图表：ASML各光刻机型号及性能
资料来源：ASML官网，中金公司研究部
2021年，ASML共出货309台IC光刻机，远超过Nikon的35台、Canon的140台（Nikon、Canon还有FPD光刻机，此处不计入）。2021年，ASML出货EUV光刻机42台，ArFi光刻机81台，ArF dry光刻机22台，KrF光刻机131台，I-line光刻机33台（DUV总计267台）。从台数上来看，目前公司出货的设备以ArFi和KrF光刻机为主。公司规划到2025年年产能可支持90台EUV光刻机（包含至少20台high-NA光刻机）和600台DUV光刻机。
综合公司披露信息，我们得到ASML一台EUV光刻机平均售价约1.5亿欧元（折合人民币超10亿元），一台ArFi光刻机平均售价约0.61亿欧元，一台ArF dry光刻机平均售价约0.20亿欧元，一台KrF光刻机平均售价约0.10亿欧元，一台I-line光刻机平均售价约0.04亿欧元，不同光源的光刻机售价差距较大，几乎是翻倍关系，尤其是公司2019年推出TWINSCAN NXE:3400C、2021年推出TWINSCAN NXE:3600D后让EUV光刻机的平均售价快速提升至1.5亿欧元，这也使得EUV机台虽然出货台数并不最高，但确是ASML最重要的收入来源。
图表：ASML光刻机历年各类型IC光刻机出货台数
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
图表：ASML光刻机历年各类型IC光刻机平均售价
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
ASML的量测及检测设备主要分为光学量测（Optical metrology）和电子束量测及检测（E-beam metrology and inspection），2021年，ASML量测及检测设备共出货196台，平均售价200-300万欧元：
► 光学量测：ASML的光学量测设备主要为YieldStar系列，其核心竞争力在于对套刻精度的快速准确测量。Yield 385H主要用于光刻后、刻蚀前量测；Yield 1385H和1375F主要用于刻蚀后量测。
► 电子束量测及检测：ASML的光学量测设备主要为HMI系列，技术主要来自于2016年对汉民微测的收购。HMI eScan 430是目前最新的单电子束设备，速率较高；HMI Ep5能够实现1nm解析度的检测；HMI eScan 1000、HMI eScan 1100是多电子束设备，分别可实现9束电子束、25束电子束的同时检测。
► 此外，计算光刻收入也被计入该部分，计算光刻提供的解决方案可提高光刻的精确度。
客户结构：覆盖台积电、Samsung等头部晶圆厂
凭借完备的光刻机产品矩阵，ASML覆盖全球大部分的晶圆厂客户。作为全球唯一一家能够量产EUV设备的公司，台积电、Samsung、Intel等从事先进制程芯片制造的晶圆厂扩产更是离不开ASML。当前，亚太地区集中了全球主要的晶圆制造产能，因此公司的营收也主要来自亚太地区。中国台湾、韩国、中国大陆是ASML的前三名收入来源地，2021年公司来自中国台湾、韩国、中国大陆的收入分别为73.28亿欧元、62.26亿欧元、27.41亿欧元，占总营收比例39.4%、33.4%、14.7%。
中国台湾晶圆设备需求主要来自台积电扩产先进制程代工产能，韩国主要来自Samsung、SK Hynix扩产NAND、DRAM存储产能，中国大陆主要来自中芯国际、长江存储等企业近年来在逻辑代工、存储领域积极推动国产化。我们推测ASML每年销往中国台湾、韩国、中国大陆的光刻机台数在同一数量级，但是由于中国台湾扩张的主要为先进制程产能，需要引入价格高昂的EUV，使得公司来自中国台湾的营收近三年来较大。
图表：2006-2021年ASML各地区营业收入
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
图表：2006-2021年ASML各地区营业占比
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
将公司设备营收按存储、逻辑拆分来看，不同的年份中公司两大下游占比有一定变化。通常来说，存储扩张较逻辑扩张更具有周期性，2013、2015、2018年由于存储大规模扩张，使得ASML的设备收入中来自存储客户的比例超过50%。不过近三年来，随着公司推出性能更优异价格也更高昂的EUV，先进制程代工产能扩张对公司营收越发重要，逻辑占公司营收比例也持续高于存储。
图表：2013-2021年ASML各地区设备营业收入
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
图表：2013-2021年ASML各地区设备营收占比
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
行业情况：EUV是重要增长来源，ASML垄断EUV市场
市场规模：2021年全球光刻机市场规模约170亿美元
考虑到Veeco（仅有少量I-line IC光刻机）、上海微（可能具备一定IC光刻机技术，但尚未商业化）等企业IC光刻机出货量非常少，我们认为ASML、Nikon、Canon三家企业一定程度上已经代表了全球光刻机市场。将ASML、Nikon、Canon各类型IC光刻机加总我们可以看出，近十年来I-line、KrF、ArF dry、ArFi等DUV光刻机出货量主要随半导体周期呈现上下波动，EUV光刻机出货量随全球先进制程产能扩张呈现高速增长。2021年，全球IC光刻机总出货台数484台，I-line、KrF、ArF dry、ArFi、EUV光刻机出货台数分别为159、174、25、84、42台，占比分别为33%、36%、5%、17%、9%。
图表：2011-2021年全球各类型IC光刻机出货拆分
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表：2011-2021年全球各类型IC光刻机出货占比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
我们参考ASML各类型设备平均售价并结合汇率测算市场规模，近十年来DUV光刻机市场规模主要随半导体周期呈现上下波动，EUV光刻机市场规模受量价齐升双轮驱动快速增长。2021年，全球IC光刻机总市场规模169亿美元，I-line、KrF、ArF dry、ArFi、EUV光刻机市场规模分别为8.09、20.71、5.79、60.69、74.15亿美元，占比分别为5%、12%、3%、36%、44%。我们发现EUV市场规模经过近十年的发展已经发展成为和DUV市场规模举足轻重。
图表：2011-2021年全球各类型IC光刻机市场拆分
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表：2011-2021年全球各类型IC光刻机市场占比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
增长动力：先进制程驱动EUV需求不断增长
未来先进工艺芯片将沿着立体化（3D NAND）、精细化（逻辑IC、DRAM）两大方向发展，为了进一步延续摩尔定律，光刻机需要朝着能够实现更精细关键尺寸曝光的方向发展。这也是近年来EUV光刻机市场快速增长的重要原因。根据ASML的理解，逻辑IC在发展到2nm以下制程，DRAM在发展到0A左右的制程后，必须使用high-NA EUV光刻机。我们认为high-NA EUV光刻机单机价值量将较目前的EUV光刻机进一步提升，这将成为光刻机市场规模进一步增长的重要动力。
v.s. Nikon、Canon
我们取ASML、Nikon、Canon光刻机相关业务营收进行比对（ASML的收入中还包含少量量测&检测设备收入，Nikon、Canon的收入中还包含少量FPD光刻机收入，但整体影响不大）。2021年，ASML光刻机相关收入154.60亿美元，Nikon光刻机相关收入17.29亿美元，Canon光刻机相关收入19.08亿美元。我们粗略测算在IC光刻机市场，按销售额来看的话，ASML全球市场占有率约80%，Nikon、Canon分别约10%，ASML占据全球IC光刻机市场绝对主导份额。
图表：ASML、Nikon、Canon光刻机相关营收对比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表：ASML、Nikon、Canon光刻机相关营收占比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
2021年，ASML出货309台，占比64%，Nikon出货35台，占比7%，Canon出货140台，占比29%。IC光刻机市场，按出货量来看的话，ASML全球市场占有率约60%，Nikon约10%，Canon约30%，ASML依旧占据过半的市场。
图表：ASML、Nikon、Canon IC光刻机出货量
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表：ASML、Nikon、Canon IC光刻机出货占比
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
将光刻机出货量进一步拆分的话，能够发现ASML除了是全球唯一的EUV光刻机量产厂商外，在ArFi、ArF、KrF光刻机市场也占有主导地位，仅在I-line光刻机市场不及Canon：
► EUV光刻机：ASML作为美国EUV LLC联盟的一员，在充分利用全球光刻机产业链资源的基础上经过不断研发将EUV光刻机商业化，也是目前为止全球唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商。2021年，ASML EUV光刻机出货量42台，Nikon、Canon均无EUV光刻机出货。
► ArFi光刻机：ASML作为首先推出ArFi光刻机并进行商业化的厂商，在该市场一直保持着领先的地位。2021年，ASML ArFi光刻机出货量81台，Nikon出货量3台，Canon无ArFi光刻机出货。
► ArF、KrF光刻机：两家日系厂商（主要是Nikon）曾经占据着ArF、KrF光刻机市场的主要份额，但目前该两大细分市场出货量也以ASML为主：2021年，ASML ArF光刻机出货量22台，Nikon出货量3台，Canon无ArF光刻机出货；ASML KrF光刻机出货量131台，Nikon出货量5台，Canon出货量38台。我们根据产业链调研，认为原因主要为ASML凭借双工台技术及电控方面的积累，其ArF、KrF光刻机在产率、稳定性等方面优于两家厂商。
► I-line光刻机：2021年，ASML I-line光刻机出货量33台，Nikon出货量24台，Canon出货量102台。Canon在I-line光刻机持续保持主导地位，我们推测或和Canon产品性价比较高有关。
图表：ASML、Nikon、Canon历年ArFi出货量
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表：ASML、Nikon、Canon历年ArF出货量
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表：ASML、Nikon、Canon历年KrF出货量
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
图表：ASML、Nikon、Canon历年I-line出货量
资料来源：ASML、Nikon、Canon公司公告，中金公司研究部
历史回顾及竞争壁垒：双工件台、浸没系统、EUV整机为三大核心壁垒
#1：从Philips拆分独立，依靠PAS 5500立足光刻机市场
从20世纪50年代起，集成电路制造工艺大致思路被确定下来以后，光刻机就一直是半导体设备中不可或缺的品类。20世纪60-70年代，美国GCA（Geophysical Corporation of America）旗下的David Mann是全球第一大光刻机厂商，占据着全球60-70%的市场份额，其不仅引领了E-line、G-line光刻机的推出，还通过引入工件台（stage）系统推出了首款步进式光刻机（stepper），这一时期光刻机也由接触式光刻机、渐进式光刻机演化到了投影式光刻机，奠定了目前光刻机的基本形态。
1976年，日本通产省提出VLSI计划以支持其国内半导体产业链的发展。Nikon作为一家以镜头制造起家的企业，此前就曾经给GCA提供过相应的零部件有一定技术积累，在日本的政策扶持下很快就推出了首台步进式光刻机。1982年，Nikon成功将光刻机销往IBM和TI，进入美国市场。凭借可靠的设备和周到的服务，Nikon于1985年超越CGA成为全球第一大光刻机厂商。20世纪80-90年代，日本厂商Nikon和Canon长期保持着全球光刻机市场第一和第二的位置，这一时期光刻机光源也由汞灯I-line发展到准分子激光器KrF、ArF。
ASML就诞生于日系光刻机厂商超越美系光刻机厂商这一时期。1984年，Philips将其经营不佳的光刻机部门拆分与ASM International合资成立新公司ASML（目前，ASML两大初创股东Philips和ASM International已经出售其大多数股份，公司完全由职业经理人控制管理）。为了走出此前Philips的经营困境，ASML首任CEO Gjalt Smit（贾特-斯密特）对公司的企业文化进行了变革，奠定了目前ASML注重创新的精神。更进一步，Gjalt Smit通过引进物料管理系统、将光刻机分模块开发、和上下游紧密沟通等方式极大提升了ASML的开发效率和生产效率。仅仅在两年后的1986年，ASML就基于原先Philips PAS 2000光刻机，改进推出了公司首款电动工件台光刻机PAS 2500，解决了PAS 2000工件台油压驱动污染性大的致命问题，获得了首笔订单。这一时期，ASML引入了Zeiss作为其镜头供应商，并进入了台积电的供应链，两者分别是今后ASML重要的供应商和客户。
日本厂商最早推出了I-line光刻机，但在20世纪90年代其低估了I-line光刻机的生命周期，将过多的资源用于KrF光刻机的研发。ASML抓住市场机遇推出了性能可靠且产率较高的I-line光刻机PAS 5500扩大了市场份额。PAS 5500系列本身就是基于模块化设计的，通过更换不同的模块，ASML推出了PAS 5500:55、100、200B、250C、300B、400D、700B、750E、850C等诸多型号，对4-12英寸不同尺寸晶圆，I-line、KrF、ArF不同类型光源形成覆盖，可满足各种不同应用场景。凭借PAS 5500系列的可靠性，ASML成功进入了IBM、Samsung、SK Hynix等众多重要客户供应链，这一时期的ASML在某些年份能够反超Canon位列全球光刻机市场第二。1995年，ASML在荷兰阿姆斯特丹交易所上市并在美国NASDAQ交易所发行存托凭证（ADR）。
#2：推出双工件台，扫描、曝光同步进行，提升光刻机生产效率
2000年前后，ASML研发并推出了双工件台光刻机。ASML开发的TWINSCAN平台是目前为止全球唯一商业化量产的光刻机双工件台。在光刻过程中，曝光图案至晶圆上之前，必须对晶圆先进行粗对准（coarse alignment）、细对准（fine alignment）等操作。传统的光刻机采用一个工件台，依次对晶圆进行上下片、测量、对准、曝光。除了减少曝光、扫描的时间以提高效率外，ASML创造性地提出了双工件台的思路，让光刻机在一个晶圆还在曝光的时候，扫描另外一个晶圆，以充分利用时间：1）当一个工件台上的晶圆曝光时，另一个晶圆被加载到另外一个工件台上进行对齐、扫描；2）工件台交换位置，工件台二移至曝光处，工件台一上的晶圆被卸载，然后加载、对齐、扫描新的晶圆。
图表：双工件台工作原理示意（以DUV光刻机为例）
资料来源：ASML官网，中金公司研究部
2001年，ASML发货了具有TWINSCAN双工件台系统的TWINSCAN AT:750T，这是一型采用了KrF光源的光刻机，主要用以130nm制程节点的芯片生产。紧接着，ASML又推出了I-line光源的TWINSCAN AT:400T和ArF光源的TWINSCAN AT:1100，将双工件台系统推广至各种类型光源的光刻机。
ASML对其TWINSCAN系统注册了专利，出于规避专利考量，Nikon等公司也推出了Tandem Stage等工件台，部分借鉴其思路以提高光刻机效率。但目前整体上看ASML双工件台产能效率、可操作性、可维护性等方面仍处于领先地位。
#3：巧妙利用光线折射原理，采纳浸没光刻方案，延续摩尔定律道路
2000年前后，芯片制程节点进入130nm以下，这一期间晶圆尺寸也从8英寸转向12英寸。彼时，全球最为先进的光刻机为ArF光刻机。受限于ArF光源193nm的波长，芯片制程节点曾一度停留在65nm（当然，目前由于其他方面的技术进步，ArF光刻机能够覆盖55nm制程，只有40nm及以下才必须使用ArFi光刻机）。当时，全球有不同的厂商和团队企图通过开发157nm（F2）和13.4nm（EUV）波长的光源将光刻机的极限进一步向前推进，但困难重重进度一直不及预期。
2002年，台积电工程师林本坚在SPIE（International Society for Optical Engineering，国际光学工程学会）举办的会议上对下一代光刻机光源方案做了探讨，发表了193nm浸没式工艺更具可行性的观点，此后他在荷兰、德国、美国、日本等多地奔走进行商业上的推广。浸没式光刻利用光在液体中波长会减小的原理，以实现等效光刻光源波长减小的目的：以水为例，光在水中的折射率是1.44，这使得193nm波长的光在经过水折射后波长改变为134nm（193/1.44）。ASML最终采纳了林本坚的建议并与他进行合作，于2003年推出193nm浸没式光刻机的原型机TWINSCAN AT:1150i，并在2004年推出验证机TWINSCAN XT:1400i送往台积电验证，最终2006年推出量产机TWINSCAN XT:1700i。
图表：浸没系统工作原理示意（以ArFi光刻机为例）
资料来源：ASML官网，中金公司研究部
同一时期，Nikon等厂商出于沉没成本等方面的权衡主要研发资源均投向157nm波长光源，直至ASML成功推出193nm浸没式光刻机（即ArFi光刻机）。后来，Nikon等公司也推出了浸没式光刻机，但ASML已经取得了先机，通过不断迭代ASML始终保持着在浸没系统方面的先发优势。凭借双工件台、浸没系统两大优势，2000-2010年ASML成功超越Nikon，成为全球第一大光刻机厂商。
#4：加入EUV LLC，上下游协同斥巨资研发，终成全球唯一EUV厂商
突破193nm波长光源限制的另外一种方法是开发13.5nm（EUV）光源。以Intel、Motorola、AMD、Micron、IBM为首的一批厂商积极推动EUV光刻机的研发。1997年，Intel和美国能源部牵头，联合了一批商业公司以及Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）、Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）、Sandia National Laboratory（桑迪亚国家实验室）三大国家实验室成立了EUV LLC（Extreme UltraViolet Limited Liability Company），共同开发EUV光刻技术。美国政府起初并不愿意让外国公司加入EUV LLC，但Intel看重ASML和Nikon在光刻机整机开发领域的经验积极推动其加入。最终，ASML通过出资在美国建立工厂及研发中心，并保证55%原材料从美国进口的方式换取了美国政府的信任（ASML于2000年前后收购了美国光刻机厂商SVG），成功加入EUV LLC，而Nikon或因此前的美日半导体贸易摩擦而被排除在联盟之外。1997至2003年间，EUV LLC对EUV光刻工艺的可行性进行了理论和技术多方面验证，虽然直到其解散的2003年EUV光刻机仍未被造出，但是EUV光刻工艺的可行性已经得到了验证，并且各家厂商也在这一阶段积累了一定的EUV光刻技术。
图表：光刻机主要系统拆解（以EUV光刻机为例）
资料来源：ASML官网，中金公司研究部
2006年，ASML推出了两台EUV样机Alpha Demo Tool（ADT），一台发往美国Albany NanoTech Complex（奥尔巴尼纳米科技中心），另外一台发往IMEC（比利时微电子研发中心）进行验证，尽管样机取得一定成果，但仍存在许多待改进点。2010年，ASML推出六台TWINSCAN NXE:3100机台用于进一步的验证，分别发往Samsung、IMEC、Intel、Toshiba、SK Hynix和台积电。彼时Cymer提供的EUV光源即使是最佳状态也只有10W的功率（不及目前量产机台1/25），而且可靠性较低，但Zeiss镜头已经能够曝光出10nm以下制程的图案。2012年，ASML发起Co-Investment Program（共同开发计划），向Intel、台积电、Samsung三大客户进行募资，Intel投资获得了ASML 15%的股权，台积电获得了ASML 5%的股权，Samsung获得了ASML 3%的股权（三家晶圆厂认购股权除了能够获得光刻机优先供货权外主要也是出于财务投资的目的，因此目前这些股份大部分已经出售），以加速EUV光刻机（也包括18英寸晶圆光刻机，但18英寸晶圆由于各种原因目前仍未商业化）的研发，并收购EUV光源供应商Cymer。在以19.5亿欧元被ASML收购以后，Cymer加速了EUV光源的研发，短时间内将功率等各项性能提升了数倍，这使得ASML能够在2013年推出新一代的EUV光刻机TWINSCAN NEX:3300B。为进步提升镜头性能，2016年ASML又以10亿欧元收购Zeiss旗下半导体子公司Zeiss SMT 24.9%的股份，并在随后的2017年推出后续机型TWINSCAN NEX:3400B，至此ASML的EUV光刻机已经能够进入量产阶段。
目前，Nikon、Canon官方没有宣布EUV光刻机的研发计划，我们认为Nikon、Canon未来会将更多资源投向中低端光刻机市场，而ASML则是在2010-2020年这十年间凭借EUV光刻机的成功推出进一步稳固了全球第一大光刻机厂商的地位。
#5：收购Brion、汉民微测等公司，布局泛光刻业务
在发展光刻机产品的同时，ASML也通过收购公司的方式，布局了一些光刻相关的业务以发挥协同效应：
► Brion：2007年，ASML以2.7亿美元收购美国计算光刻（computational lithography）公司Brion。Brion成立于2002年，是“计算光刻”概念的提出者，也是该市场的全球龙头，旨在利用计算机集群计算技术，通过建模、仿真、数据分析和优化等手段解决半导体制造过程中的纳米级掩膜修复、芯片设计/制造缺陷检测与矫正等问题，具体业务包括设计验证、刻线增强、光学矫正。
► 汉民微测：2016年，ASML以约1,000亿新台币收购中国台湾过程控制设备公司汉民微测。汉民微测前身为1998年在美国成立的Hermes Microvision，主要提供电子束（E-beam）扫描检测设备，为晶圆厂检测晶圆缺陷，是该市场的主要厂商之一。缺陷检测技术分为暗场、明场及电子束，电子束扫描设备价格较高但缺陷检测效果更好，比如不受晶圆表面颜色异常等干扰，且可以检测到很小的表面缺陷，比如能够探测到栅极刻蚀残留物等。目前在90nm以下制程工艺中，电子束扫描的占比越来越高。
图表：ASML发展历程
资料来源：ASML公司公告，中金公司研究部
[1] 一些资料里仅将KrF、ArF、ArFi包含入DUV，此处我们参考ASML的分类将I-line也纳入
文章来源
本文摘自：2023年1月3日已经发布的《中金看海外 公司 ASML：光刻巨人是如何炼成的》
胡炯益 分析员 SAC 执证编号：S0080522080012
李学来 分析员 SAC 执证编号：S0080521030004 SFC CE Ref：BRH417
彭虎 分析员 SAC 执证编号：S0080521020001 SFC CE Ref：BRE806
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