国产光刻机的希望

来源：内容来自「国君电子王聪/张天闻」，谢谢。

编者按：近日，关于ASML的一则流言的传出，又引起了国内对光刻机的关注。作为芯片产业的重要设备，光刻机的意义是不言而喻的。值着这个机会，我们在这里转载一份关于国产光刻机龙头——上海微电子的介绍，帮助大家对本土这个领域有更深的了解。

上海微电子是在国家科技部和上海市政府共同推动下，由国内多家企业集团和投资公司共同投资组建的高科技企业。公司成立于2002年，主要从事半导体装备、泛半导体装备以及高端智能装备的设计制造销售，其中光刻设备是公司的主营业务。公司在光刻设备领域拥有全国最先进的技术。目前公司光刻机可以应用于集成电路产业链中晶圆制造、封装测试，以及平板显示、高亮度 LED 等领域。

1.2

公司在大陆市场份额高，业绩逐渐向好

公司是大陆光刻设备龙头企业。目前公司所研发的高端前道光刻机实现90nm制程。在中端先进封装光刻机和LED光刻机领域，公司技术领先，在中国大陆市场份额已经超过80%。其先进封装光刻机率先实现量产并远销海外市场，获得多项大奖和技术认证广受业内认可。根据芯思想数据，上海微电子2018年出货大概在50-60台之间。

根据中国半导体协会，公司在半导体设备商中排名第5，是唯一上榜的专门研究销售光刻机的厂商。

公司具有强大的研发团队，自主创新能力不断提升。在国家的大力支持下，公司不断通过引进优秀的人才壮大核心团队以进一步提升公司的竞争力和产品研发效率。根据国投高新，上海微电子目前研发队伍不断壮大，其中包括拥有卓越才能的国家千人计划专家、上海市科技领军人才、上海市技术学科带头人等重量级专业人才。根据企查查数据，公司近年来专利发布数量呈增长态势，这也显示出上微自主创新能力不断提升。截至2018年12月，SMEE直接持有各类专利及专利申请超过2400项，同时公司通过建设并参与产业知识产权联盟，进一步整合共享了大量联盟成员知识产权资源，涉及光刻设备、激光应用、检测类、特殊应用类等各大产品技术领域，全面覆盖产品的主要销售地域，使得公司竞争实力不断提升。公司是国家重点扶持企业。上海微电子在国家02专项的支持下积极布局光刻机制造。

上海微电子积极为 IPO 做准备。根据证监会公布的《上海微电子装备（集团）股份有限公司辅导备案基本情况表》，公司已经在 2017 年 12 月27 日与中信建投证券股份有限公司签署辅导协议并进行辅导备案。

1.3

公司实控人是上海国资委

公司最大股东为上海电气，股本占比达到32.09%。上海市国资委是公司的实际控制人，其通过电气集团、上海科投、泰力投资等股东合计持有公司 53.49%的股权。公司拥有4家全资子公司以及一家参股子公司。

光刻机：高壁垒资本密集核心设备，市场广阔龙头集中

2.1

光刻技术是实现先进制程的关键设备

光刻机应用广泛，包括IC前道光刻机、用于封装的后道光刻机以及用于LED领域及面板领域的光刻机等等。封装光刻机对于光刻的精度要求低于前道光刻要求，面板光刻机与IC前道光刻机工艺相比技术精度也更低，一般为微米级。IC前道光刻机技术最为复杂，光刻工艺是IC 制造的核心环节，利用光刻技术可以将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上。光刻机是一种投影曝光系统，包括光源、光学镜片、对准系统等。在制造过程中，通过投射光束，穿过掩膜板和光学镜片照射涂敷在基底上的光敏性光刻胶，经过显影后可以将电路图最终转移到硅晶圆上。

光刻机分为无掩模光刻机和有掩模光刻机。无掩模光刻机可分为电子束直写光刻机、离子束直写光刻机、激光直写光刻机。电子束直写光刻机可以用于高分辨率掩模版以及集成电路原型验证芯片等的制造，激光直写光刻机一般是用于小批量特定芯片的制造。有掩模光刻机分为接触/接近式光刻机和投影式光刻机。接触式光刻和接近式光刻机出现的时期较早，投影光刻机技术更加先进，图形比例不需要为1:1，减低了掩膜板制作成本，目前在先进制程中广泛使用。随着曝光光源的改进，光刻机工艺技术节点不断缩小。

目前最先进的光刻机来自ASML的EUV光刻机，采用13.5nm光源，最小可以实现7nm的制程。此设备的开发难度更高，使用条件更复杂目前只有ASML攻破此项技术。因为所有物质吸收EUV辐射，用于收集光（收集器），调节光束（照明器）和图案转移（投影光学器件）的光学器件必须使用高性能钼硅多层反射镜，并且必须容纳整个光学路径在近真空环境中，整个设备十分复杂。

芯片尺寸的缩小以及性能的提升依赖于光刻技术的发展。光刻设备光源波长的进一步缩小将推动先进制程的发展，进而降低芯片功耗以及缩小芯片的尺寸。根据International Society for Optics and Photonics以及VLSI Research研究发现，高精度EUV光刻机的使用将使die和wafer的成本进一步减小，但是设备本身成本也会增长。

目前光刻工艺是IC 制造中最关键也是最复杂步骤，光刻机是目前成本最高的半导体设备，光刻工艺也是制造中占用时间比最大的步骤。其约占晶圆生产线设备成本30%，占芯片制造时间40%-50%。以光刻机行业龙头ASML为例，其研发投入每年在10亿欧元左右，并且逐年增长。

高端EUV价格不断攀升。根据芯思想，2018年单台EUV平均售价1.04亿欧元，较2017年单台平均售价增长4%。而在2018年一季度和第四季的售价更是高达1.16亿欧元。

2.2

光刻机市场空间广阔，高低端市场格局迥异

2.2.1. 光刻机市场龙头集中，中低端市场广阔竞争激烈

光刻机设备市场龙头集中，EUV光刻机被ASML垄断。全球光刻机出货量99%集中在ASML，尼康和佳能。其中ASML份额最高，达到67.3%，且垄断了高端EUV光刻机市场。ASML技术先进离不开高投入，其研发费用率始终维持在15%-20%，远高于Nikon和Canon。

ASML在高端EUV、ArFi、ArF机型市场占有率不断提升。2017年ASML上述三种机型出货量总计为101台，市场份额占比为78.29%，到2018年ASML出货量增长到120台，市场份额约90% 。2018年ASML共出货224台光刻机，较2017年198年增加26台，增长13.13%。Nikon2018年度（非财年）光刻机共出货106台，半导体用光刻机出货36台，同比增长33.33%，面板（FPD）用光刻机出货70台。2018年Canon光刻机出货183台，同比增1.6%。半导体用光刻机出货达114台，增长62.85%。但是主要是i-line、KrF两个低端机台出货，其面板（FPD）用光刻机出货69台。

IC前道光刻机国产化严重不足。目前国内光刻机处于技术领先的是上海微电子，其最先进的ArF光源光刻机节点为90nm，中国企业技术整体较为落后，在先进制程方面与国外厂商仍有较大差距。

Nikon 和 Canon 目前在高端市场技术与 ASML 相差甚远几乎完全退出市场，Canon 也退出了 ArF 光源光刻机研发与销售，将其业务重点集中于中低端光刻机市场，包括封装光刻机、LED 光刻机以及面板光刻机等，与复杂的 IC 前道制造相比，工艺要求和技术壁垒较低。

封装光刻机技术不断发展，新技术不断涌现。与前端区域相关。翘曲处理以及异质材料对光刻技术构成了巨大挑战。此外，一些MEMS制造设备需要精确的层层对准，步进和掩模对准器是目前大批量制造中使用的两种主要光刻技术。激光直接成像（LDI）和激光烧蚀等新的光刻技术也不断涌现。

中低端光刻机需求量不断增长，市场竞争加剧。根据Yole,2015-2020年先进封装、MEMS以及LED光刻机出货量将持续增长，预计到2020年总数将超过250台/年。中低端市场的不断增长主要受先进封装的推动，随着步进技术发展，2015年到2020年先进封装光刻设备出货量年复合增长率达到15%。MEMS光刻市场主要受益于IC前道制造光刻机的重复使用与改装。中低端光刻机市场规模的不断扩大和相对于前道制造较低的技术壁垒，竞争者数目较多，目前尼康与佳能是中低端市场两大龙头。

2.2.2.半导体产线升级为光刻设备带来更大需求

晶圆尺寸变大和制程缩小将使产线所需的设备数量加大，性能要求变高。12寸晶圆产线中所需的光刻机数量相较于8寸晶圆产线将进一步上升，先进制程的发展将进一步提升对于光刻机性能的要求。

随着产业转移和建厂潮的推动和边际需求改善，光刻设备市场将不断增长。根据Varianat Market Research，到2025年全球光刻设备市场规模估计将达到4.917亿美元; 从2017年到2025年的复合年增长率将达到为15.8％。

对接多元光刻机市场需求，积极开拓封装、LED和平板显示光刻机业务

3.1

公司前道光刻机差距较大，后道封装光刻机优势明显

3.1.1.公司前道光刻机与国际先进水平差距较大

公司IC前道光刻机技术与国际先进水平差距明显。 IC前道光刻机研发迭代周期长，耗资巨大，目前国际IC前道光刻机霸主ASML已实现7 nm EUV光刻先进工艺，而国内龙头上海微电子由于起步较晚且技术积累薄弱，目前技术节点为90 nm，且多以激光成像技术为主，客观上与国际先进水平存在较大差距。

依托国家专项公司率先实现90 nm制程，未来有望逐步实现45、28 nm。公司自2002年创立至今积极投入IC前道光刻机产品研发，公司600系列步进扫描投影光刻机采用四倍缩小倍率的投影物镜、工艺自适应调焦调平技术，及高速高精的自减振六自由度工件台掩模台技术，可满足IC前道制造90nm、110nm、280nm光刻工艺需求，适用于8、12寸线的大规模工业生产。目前公司90nm 制程的IC前道光刻机样机已通过专家组现场测试， 而90 nm为光刻机的一个技术台阶，迈过 90 nm这一台阶就很容易实现 65 nm，再对 65 nm升级就可以实现 45 nm制程。在国家重大科技专项的支持下，上海微电子的IC前道光刻机有望在未来几年实现 45 nm、28 nm制程，逐步缩小与国际先进水平的差距。

3.1.2.公司封装光刻机技术先进，未来将依托于广阔市场不断发展

SIP封装市场快速发展，公司封装光刻机市场空间广阔。 SIP封装（System In a Package系统级封装）将一个或多个IC芯片及被动器件整合到同一封装中，成为了IC封装领域最高端的一种先进封装技术。在电子设备小型化、5G、IOT和市场周期变短等的多重因子推动下，SIP市场规模迅速扩张，2016年全球系统级封装市场规模为54.4亿美元，预计到2023年有望达90.7亿美元，2016-2023年复合增长率达7.58%，SIP先进封装市场保持快速发展。

公司封装光刻机满足各类先进封装工艺需求，国内及全球市占率分别达80%和40%。全球SIP需在不同芯片或器件间打通电流通路，节点不能过于精细，否则焦深不足将无法穿透，公司主打的500系列IC后道封装光刻机正好满足这一要求。公司500系列封装光刻机国内领先，关键指标达到或接近国际先进水平，具备超大视场，高产率生产、支持翘曲片键合片曝光、高精度套刻及温控、多种双面对准和红外可见光测量等特征，可以满足各类先进封装工艺的需求。公司封装光刻机已实现批量供货，公司已成为长电科技、日月光半导体、通富微电等封测龙头企业的重要供应商，并出口海外市场，国内市场占有率高达80%，全球市场占有率达40%。

3.2

国内LED市场需求快速增长，公司LED光刻机性能指标领先

国内LED市场快速扩张，推动LED光刻机需求增长。随着LED行业产能逐渐向中国转移，中国LED市场规模快速增长，从2011年的1545亿元增长至2017年LED市场规模达到5509亿元，复合年增长率达23.6%，且LED行业趋势转好，市场规模增长率连续七年超10%。国内快速扩张的LED市场规模，将进一步推动国内LED光刻机需求。 

公司LED/MEMS/功率器件光刻机性能指标领先，LED光刻机市占率第一。公司300系列步进投影光刻机面向6英寸以下中小基底先进光刻应用领域，具备高分辨率（0.8um）、高速在线Mapping、高精度拼接及套刻、多尺寸基底自适应、完美匹配Aligner和高产能等特征，满足HB-LED、MEMS和Power Devices等领域单双面光刻工艺需求，公司LED光刻机各项性能指标占据市场领先地位，其中用于LED 制造的投影光刻机市场占有率第一。

3.3

国内FPD产业高速发展，公司积极开拓FPD光刻机市场

国内FPD产业处于高速发展阶段，市场发展空间巨大。随着国内FPD生产线的建设和陆续投产及下游电子设备应用多元化发展，我国FPD产业步入快速发展时期，产能持续增长。据商务部数据显示，2013年国内FPD产能仅为22百万平方米，而2017年国内产能迅速增长到96百万平方米，2013-2017年成长率高达336.36%，预计2020年我国FPD产能将达到194百万平方米，2013-2020年复合增长率达36.48%，FPD市场保持高速增长，发展空间巨大。

国内FPD产能全球占比持续提升，至2017年中国成为全球第二大FPD供应区。在FPD产业逐渐向中国大陆转移和中国大陆以京东方为首的FPD厂商投资力度加大的双重作用下，国内FPD产能全球占比持续提升。据商务部数据显示，2013年国内FPD产能全球占比仅为13.9%，2017年国内FPD产能全球占比上升至34%，2013-2017年增长率达144.60%，中国跃升为全球第二大FPD供应区，预计2020年国内FPD产能全球占比将提高至52%，届时中国将成为全球最大的FPD生产基地。

尼康、佳能FPD光刻技术优势明显，基本垄断了FPD光刻机市场。目前尼康和佳能受ASML挤压基本已退至20亿美金规模的低端平板显示光刻机市场，但两者在FPD光刻领域具有绝对的技术优势。

尼康FPD光刻技术优势：尼康在目前全球FPD光刻系统市场中占有最高份额；尼康FPD光刻系统采用多镜头扫描方法，实现了较高的精度和生产效率；随着玻璃板每年变大，允许从它们切割更多数量的面板，有必要提高生产率，从而可以通过单次曝光来图案化更宽区域上的电路。尼康公司基于其独特的技术开发了多镜头系统来解决这一问题，为了有效曝光，尼康将多个镜头排成两排，覆盖了很大的曝光面积，最大的尼康FPD光刻系统FX -101有多达14个镜头排列成行，这些镜头被精确控制为一个巨大的镜头；目前最大的第10代玻璃板的尺寸达3.13×2.88米，尼康为这款Gen 10平板配备了尖端的FX-101S系统，能够有效地生产超过60英寸的大尺寸面板；制造高清晰度FPD需要各种技术，包括通过透镜的精确曝光，玻璃板的精确定位，玻璃板表面变形的测量和调整，尼康独立开发了这些技术并将其应用于FPD光刻系统，同时实现了高精度和高生产率；自1986年尼康在FPD制造领域推出NSR-L7501G以来，尼康开发并销售了大量的FPD光刻系统，尼康不仅是大型FPDs光刻系统的领导者，而且还为智能手机和平板电脑生产中小型高清FPDs提供理想的型号；

佳能FPD光刻技术优势：由于弧形的成像范围使得获得最佳成像特性成为可能，佳能的设备可以扫描弧形的曝光区域，从而在大面积范围内获得高分辨率的性能；通过同时使用AS和OAS方法来观察失真，佳能的混合对准系统可以进一步提高检测时间和更精确的测量；为了解决之前曝光过程中产生的模式失真，佳能的高精度速度平台对扫描速度和方向进行了微调，在曝光过程中修正光刻板上的掩模图形；利用非线性失真校正技术结合扫描校正机制，可以处理衬底上各种形状的变形，并更准确地将其与掩模上的图案对齐。

公司积极参与FPD光刻机市场竞争，实现首台4.5代TFT投影光刻机进入用户生产线。公司200系列投影光刻机采用先进的投影光刻机平台技术，专用于AM-OLED和LCD显示屏TFT电路制造，具备高精度（1.5um）、支持小Mask（6英寸）降低用户使用成本和智能化校准及诊断特征，可应用于2.5代～6代的TFT显示屏量产线。目前市场主流的OLED量产机型为6代，研发机型为2.5或4.5代，由于尼康及佳能不提供6代以下机型，公司6代以下机型全球领先。

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