光刻機的全產業鏈國產化是自主可控的必然結果

光刻機是一項極為復雜的系統工程，由多個功能各異且結構復雜的子系統協同構成，每個子系統都在光刻過程中發揮著不可或缺的作用。

光源系統是光刻機的關鍵組件，其發展經歷了從i-line（365nm）到KrF(248nm)，再到ArF（193nm），直至如今的EUV(13.5nm)的演進歷程。光源的波長直接決定了光刻機的工藝能力，更短的波長能夠實現更高的分辨率。例如，EUV光刻機采用的13.5nm波長光源，相比傳統光源，可使光刻達到更小的制程節點。除了波長，在選擇光源時，還必須綜合考量發光強度（亮度）、頻率帶寬、相干性等多項參數。這些參數對于光刻過程中的曝光效果、成像質量以及光刻的穩定性等方面都有著重要影響。例如，高亮度的光源能夠縮短曝光時間，提高生產效率；而良好的相干性則有助于保證光刻圖案的精度和清晰度。

照明系統屬于復雜的非成像系統，其主要功能是為投影物鏡成像提供具有特定光線角譜和強度分布的照明光場。這一系統包含多個功能單元，如光束處理單元，負責對光源發出的光束進行初步的處理和調整，使其滿足后續照明的要求；光瞳整形單元，通過對光束的光瞳進行特定形狀的塑造，優化光線的傳播和分布；能量探測單元，實時監測照明光的能量，確保曝光過程中的能量穩定性；光場勻化單元，保證照明光場在整個光刻區域內的均勻性，以實現均勻的曝光效果；可變狹縫單元，可根據不同的光刻需求，靈活調整狹縫的寬度和形狀，控制光線的傳播路徑和范圍；中繼成像單元，將經過處理的光線進行中繼傳輸，保證光線的質量和穩定性；偏振照明單元，則利用光的偏振特性，進一步優化成像效果，提高光刻的分辨率和對比度。

投影物鏡系統的主要任務是將從照明系統出射并經過掩模版的光線收集進物鏡系統，并在晶圓上進行精確成像。當前主流的物鏡系統結構復雜，通常包含20-30個鏡片。從光路設計到元器件的制造，再到系統的裝配，每一個環節都面臨著極高的技術挑戰。例如，光路設計需要精確計算光線的傳播路徑和折射角度，以確保成像的準確性和清晰度；鏡片的制造要求極高的精度，微小的瑕疵都可能影響成像質量；而系統的裝配則需要嚴格控制各個鏡片之間的相對位置和角度，確保整個物鏡系統的光學性能。此外，投影物鏡系統與光刻機的數值孔徑參數密切相關，數值孔徑越大，物鏡系統能夠收集到的光線越多，成像的分辨率也就越高。值得注意的是，與i-line和DUV光刻機不同，EUV光刻機的物鏡系統采用全反射系統。這是因為EUV光線的波長極短，在傳統的折射材料中會被強烈吸收，而全反射系統能夠有效地減少光線的損失，保證光刻過程的順利進行。

在浸沒式光刻機中，浸沒系統的加入是提升光刻分辨率的重要創新舉措。它位于投影物鏡系統和晶圓之間，通過在這一空間中填充高折射率的液體（如水），利用液體的光學特性，使得數值孔徑進一步提升。根據光學原理，在相同的光源波長和物鏡設計下，數值孔徑的增大能夠減小光刻的分辨率極限，從而實現更精細的光刻圖案。浸沒系統的引入，為光刻技術在保持現有光源波長和物鏡技術水平的情況下，突破分辨率瓶頸提供了有效的途徑。

工件臺系統包括掩模臺和硅片臺，在掃描曝光過程中，掩模臺與硅片臺需要在掃描方向上進行精確地同步運動。這要求工件臺系統具備極高的運動精度和穩定性，以確保光刻圖案在晶圓上的位置準確性和一致性。在雙工件臺結構中，當一個微動臺正在進行曝光工作時，另一個微動臺可以同時進行曝光之前的預對準工作。這種設計極大地提高了光刻機的工作效率，減少了設備的閑置時間，使得光刻過程能夠更加高效地進行。例如，在大規模的半導體芯片制造過程中，雙工件臺結構可以顯著縮短芯片的生產周期，提高生產效率，降低生產成本。

全球光刻機市場規模因不同產線對光刻機的需求差異而呈現出多樣化的特點。通過量價結合的方式進行測算，2021-2023年全球光刻機市場規模分別約為145億歐元、164億歐元和244億歐元，呈現出逐年增長的趨勢。從細分類型來看，盡管分辨率更高的浸沒式光刻機和EUV光刻機在需求量上相對較小，但因其價格顯著高于更為成熟的光刻機類型，其市場規模反而明顯高于其他細分品類的光刻機。這主要是由于浸沒式光刻機和EUV光刻機采用了更為先進的技術和復雜的制造工藝，研發和生產成本高昂，導致其售價也居高不下。同時，它們在高端半導體制造領域，如先進制程的芯片制造中，具有不可替代的作用，因此受到市場的高度重視和需求。

圖表：全球各個類型的光刻機量、價、銷售額

數據來源：中研普華產業研究院整理

光刻機作為半導體設備中最為尖端的品類，其競爭格局呈現出極高的集中度，并且越高端的機型市場集中度越高。在EUV光刻機市場，ASML公司處于絕對壟斷地位。憑借其在極紫外光刻技術方面的領先優勢和長期的研發投入，ASML在這一領域占據了全部市場份額。在浸沒式光刻機市場，ASML同樣占據主導地位，市占率在90%以上。在分辨率較為成熟的KrF和i-line領域，日本的Canon和Nikon兩家公司憑借其在傳統光刻技術方面的深厚積累和技術優勢，也在市場中占據一席之地。然而，隨著技術的不斷發展和市場對高端光刻機需求的增長，ASML在高端光刻機市場的優勢愈發明顯，其他競爭對手面臨著巨大的技術追趕壓力。

國內光刻機整機市場規模龐大，但目前國產化率極低。近年來，美方聯合荷蘭等國對我國半導體產業進行制裁，從光刻機整機到零部件供應鏈，都對我國半導體產業的發展造成了嚴重阻礙。在這種情況下，實現光刻機全產業鏈的國產化成為我國半導體產業實現自主可控的必然選擇和緊迫任務。雖然我國在光刻機技術方面與國際先進水平仍存在一定差距，但隨著國家對半導體產業的高度重視和大量投入，國內的科研機構和企業正在積極開展技術攻關，努力突破國外技術封鎖，推動光刻機國產化進程。

國內對光刻機的攻關始于國家“02專項”。在這一專項的支持下，上海微電子負責整機的設計和組裝工作，整合各個子系統的技術成果，構建完整的光刻機設備。同時，光源、照明及曝光系統、工件臺和浸沒系統等各個子系統分別由不同的高校和科研院所牽頭研發。在產業化的進程中，孵化出了一批具有核心競爭力的公司。例如，國科精密專注于投影物鏡的研發與生產，憑借其在光學物鏡領域的專業技術和創新能力，為國產光刻機提供高質量的投影物鏡；鐳望光學聚焦于照明系統的研發，致力于為光刻機提供高性能的照明解決方案；科益虹源在光源技術方面取得突破，為國產光刻機提供穩定可靠的光源；華卓精科在工件臺領域具有領先技術，保障了工件臺系統的高精度和穩定性；啟爾機電則在浸沒系統方面發揮專長，推動了浸沒式光刻技術的發展。這些公司在高校和科研院所的技術支持下，不斷進行技術創新和產品優化，共同推動著國產光刻機產業鏈的發展。

光刻機作為半導體制造的核心設備，其技術的復雜性和市場的重要性不言而喻。全球光刻機市場在技術發展和市場需求的驅動下呈現出獨特的規模和格局，而國內在面臨外部制裁的壓力下，正通過產學研協同的方式，積極推動光刻機國產化進程，努力在全球半導體產業競爭中占據一席之地。