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光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

作者:远瞻文库

(报告出品方/分析师:安信证券 马良 郭旺)

01 光刻机:芯片制程升级的核心设备

1.1.光刻机将电路图案转移硅片上,是芯片制程升级的核心设备

光刻机是芯片制造的核心设备。光刻机的主要功能是将图案从光掩模高精度地转移到衬底(通常是硅片)上,它也被称为掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等,是制造芯片的核心装备。光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上。然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图(即芯片)。

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芯光刻机在芯片制程升级中发挥关键作用。芯片工艺升级的主要目标之一是在半导体器件上实现更小的特征尺寸。具有先进技术的光刻机,如极紫外(EUV)光刻,允许更短的光波长,从而能够创建更小的图案并实现更高的分辨率。

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光刻是制造芯片的核心技术之一,是一种精密的微细加工技术。它采用类似照片冲印的技术,将电路图形转移到硅片或介质层上,以实现电路图形的刻画和复制。光刻机的工作原理是采用波长为2000~4500埃的紫外光作为图像信息载体,以光刻蚀剂为中间(图像记录)媒介实现图形的变换、转移和处理,最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺。光刻环节直接决定芯片的制成水平和性能水平,耗时占整个制造环节的一半,成本占据芯片生产的三分之一。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。

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光刻机技术原理是基于光学投影技术,通过特殊设计的镜头系统和精密的光学系统,将掩模上的电路图形高精度地转移到硅片上的光刻胶上。光刻机需要采用高级镜头技术、高精度对准技术等,以实现更高的分辨率和更精确的图案转移。此外,光刻机还需要采用一系列关键技术来提高分辨率和图案转移的精度,如光学邻近效应修正(OPC)技术可以补偿邻近物镜像差和非线性效应,使实际投影图像与理想图像更加接近。

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1.2.光刻机的主要技术指标包含分辨率、光刻机精度、产能

光刻机的性能是基于以下关键性能指标来评估,分别是光刻机的分辨率、光刻机精度(包含覆盖精度和对准精度)、产能。根据瑞利准则,分辨率公式为R= k1 * λ/NA,λ代表光源波长,NA代表物镜的数值孔径,k1代表与光刻工艺因子。分辨率是光刻机精确定义精细特征和图案能力的关键指标。

对于EUV光刻,极紫外光源的波长是一个关键的性能参数。较短的波长允许更小的特征尺寸和更好的分辨率。高分辨率也要求物镜拥有更大的直径、更多的物镜组合以及更加先进的物镜工艺。

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精度:精度包括覆盖精度以及对准精度。覆盖精度测量机器在硅片上对齐和准确定位多个掩模层,对于半导体器件的不同层精确对齐至关重要。对准精度衡量光刻机对掩模和基板的对准精度。以光双工件台系统为例,工件台和掩模台只有同步运动才能保证良率。而其精度要通过激光干涉仪来测量以确保其误差在可控范围之内。通常激光干涉仪精度10nm能支撑90nm光刻机,1nm能支撑7nm光刻机。ASML的EUV光刻机的激光干涉仪的有效位移测量分辨力为38pm。

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产能:产能通过处理量来体现。主要指光刻机处理晶圆的速度,以每小时(WPH)的晶圆来衡量,对于半导体制造的整体效率至关重要,更高的吞吐量允许更快的生产和更低的每芯片成本。光刻机的晶圆需要按部就班进行测量、对准、曝光程序,因此在一定程度上限制了光刻机的产能。自21世纪初,ASML推出双工件台光刻机的产能实现跨越式的提升。系统可以通过双工件台实现各个程序同步进行。

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1.3.光刻机演进历程:从接触式到EUV

光刻机最早的历史要追溯到上世纪。1955年,贝尔实验室将制造印刷电路板的光刻技术应用到矽片上。3年后,仙童半导体制造了第一台“步进重复”光刻照相机。20世纪60年代,GCA公司制造出第一台接触式光刻机。在此之后,尼康和佳能加入光刻机行业研究。随后,尼康推出了第一台步进式光刻机。1984年ASML成立,并于21世纪初推出双工件台光刻机。2003年ASML推出浸没式光刻机,至此ASML奠定光刻机统治地位。十年后,世界上第一台EUV量产产品由ASML推出,其垄断地位进一步加强。

接触光刻(1950年代):最早的光刻技术,它是一种通过直接物理接触将图案从光掩模(具有所需图案的掩模)转移到衬底(如硅片)的方法。在接触光刻机中,光掩膜和承印物彼此直接物理接触。掩模直接放在基板的顶部,紫外线通过掩模照射,将图案转移到基板上。该工艺通常用于较小特征的图案,并且通常与较旧的半导体制造工艺相关联。由于光的衍射以及在不损坏掩模或晶片的情况下进行直接接触的挑战,它在实现精细分辨率方面存在局限性。

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接近光刻机:接近光刻技术将图案从光掩模转移到硅片,掩模和衬底之间具有小间隙。在近距离光刻机中,光掩膜靠近基板而不是直接接触基板。与接触式光刻相比,邻近光刻具有一些优势,例如降低掩模和基板损坏的风险,以及与接触式光刻相比能够实现更小的特征尺寸。这种方法在接触光刻后不久出现,增加了掩模和晶片之间的距离以防止损坏,但面临类似的分辨率限制。

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步进扫描光学光刻(1980年代至1990年代):扫描投影光刻技术是一种高分辨率、高通量的工艺,该技术使用扫描过程,其中掩模和基板保持静止,投影系统扫描基板上的图案。扫描投影光刻机通过以步进重复的方式扫描光掩模图案在基板上进行操作,其中基板逐渐移动以暴露不同区域。

深紫外(DUV)光刻术(20世纪90年代至2010年代):随着对更小特征的需求,光刻术进入了深紫外光谱,最初在248nm左右,然后逐渐发展到193nm等更短的波长。这些进步允许更精细的细节,但需要复杂的光学系统来处理更短的波长。

2000年8月,阿斯麦尔的首台TWINSCAN系统光刻机出货,这是光刻机行业的一大进步。此前的光刻机都只有一个工件台,而阿斯麦尔创新为双工件台,在一个工件台进行12英寸晶圆曝光的同时,另外一个工件台进行曝光之前的预对准工作,生产效率可惊人地提高大约35%。

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浸没式光刻:为了进一步提高分辨率,引入了浸没式光刻。在透镜和晶片之间使用液体(通常是水)代替空气,从而可以有效地使用更短的波长。2004年,光刻机厂商阿斯麦尔率先研制出浸没式光刻机改进成熟并顺利投入使用。

双重图案化和多重图案化:作为一种突破分辨率限制的解决方案,这些方法包括将图案分割为多次曝光,以实现比单次曝光更精细的特征。

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极紫外(EUV)光刻(2010年代至今):EUV光刻利用了约13.5nm的极短波长,在不依赖复杂的多重图案化的情况下实现了更小的特征。依靠EUV光刻机,已经能实现7nm及以下更加精细制程。

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02 光刻机市场达200多亿美元,ASML垄断高端市场

2.1.光刻机约占半导体设备市场24%

据SEMI发布的数据显示,2013-2022年全球半导体设备市场规模由318亿美元增长至1074亿美元,CAGR为14.5%;同期中国大陆半导体设备规模由34亿美元增长至283亿美元,CAGR为26.5%,显著高于全球水平。随着消费电子、PC等下游市场的繁荣和5G、AI、云计算等新应用领域的拓展,全球半导体需求持续增长,进而推动了半导体厂商的资本开支进入上升周期,半导体设备市场规模也随之提升。

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2022年全球光刻机市场规模约为258亿美元。半导体设备=制造设备+封测设备,根据SEMI数据,2022年全球半导体设备市场中,晶圆制造设备市场规模占比超过85%,在晶圆制造的所有设备中,市场投资占比最高的是光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备,占整个半导体设备比重分别为24%、20%和20%,这三种设备合计市场规模占整个半导体设备比重为64%。

结合此前SEMI给出的2022年半导体设备市场1074亿美元的数据,按此比例测算,半导体光刻机2022年市场规模达到258亿美元。从国内来看,如果按照2022年半导体设备国内占全球26%来测算,中国大陆光刻机设备市场规模约为67亿美元。

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2.2. ASML垄断高端光刻机,国产光刻机28nm取得突破

根据SEMI预测,在全球光刻机市场中,ASML、Canon、Nikon三大巨头垄断了大部分市场份额。据统计,2022年全球光刻机市场规模超过200亿美元,其中ASML、Canon、Nikon光刻机营收分别达到了161亿美元、20亿美元、15亿美元,市场份额分别为82%、10%、8%。在出货量方面,ASML、Canon、Nikon分别占据了63%、32%、5%的市场份额。从EUV、ArFi、ArF三个高端机型的出货情况来看,ASML仍然维持领先地位,出货量分别占100%、95%、87%。从2022年收入来源看,中国大陆占ASML销售额的14%。

2022年ASML光刻机营收约161亿美元,较2021年131亿增长23%。共出货345台光刻机,其中EUV光刻机出货40台,ArFi光刻机出货81台,ArF光刻机出货28台,KrF光刻机出货151台,i-line光刻机出货45台。

2022年Canon光刻机营收约为20亿美元。Canon的光刻机主要是i-line、KrF,光刻机出货量达176台。其中,i-line出货125台。Canon面板(FPD)用光刻机出货51台。

2022年Nikon光刻机业务营收约15亿美元。Nikon光刻机主要用于集成电路,共出货30台。其中ArFi光刻机出货4台,ArF光刻机出货4台,KrF光刻机出货7台,i-line光刻机出货15台。

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2022年该三家厂商市场份额占比分别为82%、10%和8%,以ASML为首形成垄断格局。其中,超高端光刻机EUV领域中ASML独占鳌头,高端光刻机ArFi和ArFdry领域也主要由ASML占领,Canon主要集中在i-line光刻机领域,Nikon除EUV外均有涉及。

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国产光刻机在技术节点上与国际厂商相比仍有差距,其中上海微电子是国内光刻机龙头企业,其SSX600系列光刻机可满足IC前道制造90nm、110nm、280nm关键层和非关键层的光刻工艺需求,可用于8寸线或12寸线的大规模工业生产。在之前90nm的基础上,上海微电子即将量产28nm immersion式光刻机,在2023年交付国产第一台SSA/800-10W光刻机设备。

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03 2022年全球光刻机零部件市场约124亿美元,光源、光学、双工台是核心系统

3.1.光刻机系统构成

光刻机系统复杂,包含光源系统、照明系统、投影物镜系统、工件台和掩模台分系统、调平调焦分系统、掩模与硅片对准分系统、硅片传输与预对准系统分系统、整机环境分系统。

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(1)光源系统:光刻机中的关键组件,在光刻机中发挥着提供光线、控制光线波长及强度、提高曝光效率、保障曝光质量等关键作用。光源发出的光穿过光掩模的透明区域,形成图案化的图像。

(2)照明系统:它位于光源与投影物镜之间,是复杂的非成像光学系统。作用主要是为投影物镜提供合适的光线,以便其能够准确地成像。在光刻机中,物镜的性能决定了光刻机的线宽和套刻精度,是光刻机的核心部件,而照明系统则为物镜提供合适的光源,协助其完成高精度的成像任务。

(3)投影物镜系统:投影物镜系统是光刻机中的核心组件之一,它的作用是将芯片图案通过光学原理放大并投影到硅片上。在投影物镜系统中,通常由多个透镜和反射镜组成,这些镜片被精确地排列和校准,以确保投影的准确性和清晰度。

(4)工件台:工件台是光刻机中用于放置硅片的重要部件,其作用是在光刻过程中支撑和固定硅片,以确保光刻的精度和质量。工件台通常由高精度的机械结构组成,具有高稳定性和高精度性。在工件台上,硅片被精确地定位和固定,以避免在光刻过程中出现移动或变形。此外,工件台还具有温度控制、震动抑制等功能,以确保光刻过程中的环境稳定。目前先进的光刻机采用了双工件台系统,进一步提高光刻机生产效率和产能。

(5)掩模台分系统:掩模台主要用于承载掩模板,并确保在光刻过程中掩模板的稳定性和精度。在光刻机工作时,掩模台会按照预设的程序进行自动操作,包括掩模板的装载、定位、固定,以确保掩模板的位置和角度的准确性。

(6)调平调焦分系统:调平调焦分系统是光刻机中用于精确调整工件台和掩模台位置的重要部分,以确保在光刻过程中能够实现高精度的投影和成像。

(7)掩模与硅片对准分系统:掩模与硅片对准分系统是光刻机中用于确保掩模板和硅片精确对准的关键部分,以确保在光刻过程中能够实现高精度的投影和成像。在对准分系统中,常用的技术包括光学对准、电子显微镜对准等。这些技术可以通过对掩模板和硅片的表面进行扫描和检测,以实现高精度的对准。

(8)硅片传输与预对准系统分系统:光刻机中的硅片传输和预对准系统负责确保硅片的高精度投影和成像。传输系统将硅片从轨道机传递到预对准平台,预对准系统则通过光学测量和传感器技术对硅片进行准确的定位和调整,以确保其在光刻机中的正确位置和角度。

(9)整机环境分系统:光刻机中的整机环境分系统通过控制温度、湿度、清洁度和真空度等参数,确保光刻过程的精度和成像质量。这些控制子系统的协调工作能够为光刻机提供稳定的加工环境,从而确保高精度的光刻效果。

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光刻机被誉为人类科技的巅峰,其工艺之巅主要体现在三大系统——光源系统、光学系统、双工件台系统。

光源系统主要为光刻机提供曝光能量,光刻机的核心部件之一。常见波长有7种,紫外线3种:G线(波长436nm),H线(405nm),I线(365nm);深紫外(DUV)三种:248nm,193nm,157nm;极紫外(EUV)一种:13.5nm。一般来说,波长越短,分辨率越高。准分子激光器通常用来提供深紫外光源,而EUV光源主要提供13.5nm的EUV光。光刻机光源壁垒高,准分子激光器主要由Cymer和Gigaphoton提供,科益虹源则为国内供应商。超高端光刻机EUV领域中ASML独占鳌头,高端光刻机ArFi和ArFdry领域也主要由ASML占领,Canon主要集中在i-line光刻机领域,Nikon除EUV外均有涉及。

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照明系统是光学系统中的一环。照明系统的关键功能之一是提供光源的均匀照明,覆盖整个光掩膜和基片。均匀性对于确保图案转移准确、无畸变和无缺陷至关重要。光源设备方面:波长光电成功开发了光刻机平行光源系统,可用于国产光刻机领域配套。炬光科技的光场匀化器供货给世界顶级光学公司并最终应用于ASML核心设备。

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投影物镜系统由20~30块镜片组成,把掩膜版上的电路图按比例缩小,再投影到硅片上,并且可以补偿各种光学误差。国外ZEISS为ASML关键光学元件独供商,国内而言赛微电子的子公司Silex为全球光刻龙头公司提供微镜系统。茂莱光学研发的DUV光学透镜已应用于SMEE国产光刻机中,公司半导体检测设备光学模组供货KLA。福光股份作为国内领先的光学企业之一,具备提供高精度光学镜头和光学系统的能力,有望为光刻机等领域提供高精密光学镜头及光学系统。总体来说,国内技术水平仍有较大差距。

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工件台和掩模台分系统可以实现掩模-硅片的同步扫描、步进运动、对准扫描、执行调平调焦、协助硅片下片等。其有效提高了光刻精度与效率,国外光刻机双工件台由ASML垄断,国内华卓精科和清华大学团队走在前列。硅片传输与预对准系统分系统将硅片从片盒传送到工件台,并完成机械预对准和光学预对准,使硅片与机器坐标系初步对准,并进入到对准系统范围内,再将已曝光的硅片从工件台传送回片盒。测量准度的仪器为光栅尺。奥普光电为国内高端光栅编码器龙头。苏大维格向SMEE提供定位光栅部件,公司光栅尺周期精度小于1nm,且公司纳米压印技术国内领先。

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全球的半导体设备市场集中度较高,TOP5厂商的市占率之和超过75%,它们的毛利率也较为稳定,因此参考全球半导体设备TOP5厂商的毛利率估算半导体设备的成本率。除了第五大厂商科天半导体毛利率超过60%,前四大厂商毛利率基本都在40%-50%范围内。按照2021年的销售额对TOP厂商的毛利率进行加权,得到半导体设备的毛利率约为46.5%,即成本率约为53.5%。

以ASML为例,2023Q3净销售额为67亿欧元,毛利率为51.9%,ASML制造成本里90%来自零部件,因此假设光刻机零部件成本占比90%。

根据SEMI数据,2022年全球半导体市场规模为1074亿美元,其中光刻机市场规模为258亿美元。

根据公式:光刻机零部件市场规模=光刻机设备市场规模*成本率*设备中零部件成本占比,结合以上分析,得到:

2022年全球光刻机零部件市场规模=258亿美元x53.5%x90%=124.23亿美元。

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3.2.光源系统:为光刻机提供合适波长和稳定光线

光源系统是光刻机中的核心组件之一,它负责提供特定波长和强度的光线,以实现半导体制造过程中的精确曝光,决定了光刻机的分辨率。根据瑞利准则,分辨率公式为:

R= k1 * λ/NA,λ代表光源波长,NA代表物镜的数值孔径,k1代表与光刻工艺因子。其中常见波长有7种,紫外线3种:G线(波长436nm),H线(405nm),I线(365nm);深紫外(DUV)三种:248nm,193nm,157nm;极紫外(EUV)一种:13.5nm。一般来说,波长越短,分辨率越高。

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光源在光刻机中具有以下作用:

1.光源:光刻机的光源会向光板发射光线,成为曝光过程的主要来源。

2.波长控制:精确控制光源的波长,通过改变光源的温度、电流等参数来调整波长。

3.提高曝光效率:高强度、稳定的光源可以提高曝光效率,通过调节光源的电流、电压等参数来控制光线的强度,实现更快速和准确的曝光。

4.保障曝光质量:光源的波长稳定、强度稳定、光斑大小均会影响曝光质量,它通常包括一系列光学元件和反馈控制系统,用于监测和控制光线的稳定性。

5.延长光刻机使用寿命:使用合适、稳定的光源可以减少机器的损耗,避免机器因过多的光源调整而损坏。

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光源系统内部构造包括发光二极管(LED)和光学系统。

LED是光源系统的核心部分,它是一种电致发光的半导体材料,通过针脚作为正负电极并起到支撑作用。

LED的发光原理是,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。当在电极上加上正向偏压之后,使电子和空穴分别注入P区和N区,当非平衡少数载流子与多数载流子复合时,就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。

光学系统用于调整光线的形状和大小,以适应光刻机的物镜系统。它通常包括一系列透镜和反射镜,用于将光线聚焦成所需的光斑形状和大小。此外,控制系统用于控制光源系统的稳定性和精度。它通常包括一系列传感器和控制电路,用于监测和控制光线的波长、强度和稳定性。

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光源分类:汞灯、准分子激光器、EUV光源。

1.汞灯:作为光刻机目前最普遍的光源,汞灯发光的常见波长为365nm 、405nm 、436nm 。对汞灯通电时,系统中电子激发产生光。此种造光方式通常会释放大量热量因此需要冷却系统维护,由于长时间释放热量,汞灯的寿命的效率也会下降。

2.准分子激光器:准分子激光器通常用来提供深紫外光源。准分子具有激发态结合为分子、在基态离解为原子的性质。激光器利用其性质使其发生激光跃迁释放出特定波长的光。准分子激光一般分为三种:KrF(248nm)、ArF(193nm)、F2(157nm)。

3.EUV光源:此光源主要提供13.5 nm的EUV光。工作原理:通过高功率CO2激光照射锡(Sn)微滴产生光源。以LPP方案为例,真空腔内熔融锡液滴从发生器中喷射出来,通过低强度预脉冲撞击使其膨胀成薄饼型(薄饼锡受光面积大可明显增大光强),紧接着高强度脉冲撞击形成等离子体,最后收集镜捕获等离子体发出辐射并传递至曝光系统。

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光刻机光源壁垒高,光刻机光源系统的技术复杂性、高精度和高稳定性要求、知识产权壁垒、供应链壁垒以及市场规模相对较小等因素,共同导致了光刻机光源的高壁垒。这些因素使得新进入该领域的企业面临较大的市场风险和不确定性,从而使得整个光刻机光源行业的竞争格局相对稳定。

国外Gigaphoton(EUV光源供应商之一)激光器功率达27kW:Gigaphoton成立以来一直为ASML、Nikon和Canon提供激光光源。共设计三款EUV光源,分别为Proto#1、Proto#12、Pilot#1, 其中Pilot#1为商业化应用的产品,激光器功率为27kw,输出功率达到250W。目前EUV光源只有两家公司能够生产:一家是美国Cymer,另外一家是日本Gigaphoton,Cymer 2013年被ASML收购,目前占据了光刻机光源80%以上的市场。目前国内而言,科益虹源可提供193nmArF准分子激光器,打破垄断。

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3.3.光学系统:为光刻机提供精确投影和高效曝光

光学系统在光刻机中发挥着至关重要的作用,是光刻机高分辨率成像的保证,直接影响着芯片制造的精度、质量和可靠性。它主要由透镜、反射镜、平凸透镜等光学元件组成,通过精确控制光线的聚焦、照明和曝光时间,将芯片设计图案高精度地投射到掩模上。具体作用包括图像显影、分辨率控制、曝光控制、稳定性与可靠性、照明控制等。

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光学系统=照明系统+投影物镜。其中照明系统通过调整光的形状、对光束进行扩束、控制曝光剂量与提升光的均匀度从而提供稳定照明;投影物镜分为接触式和非接触式,功能是将掩模版图案倍缩并投影聚焦在晶圆上。

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光学系统是光刻机中重要的部分之一,主要包括以下几种类型:

1.投影光学系统

投影光学系统是光刻机中应用最广泛的光学系统之一。它利用光源、透镜、反射镜等组件,将掩模上的芯片图案缩小并映射到硅片上,从而实现芯片制造。

2.扫描光学系统

扫描光学系统是一种新型的光学系统,它采用高速扫描的方式将掩模图案投影到硅片上。扫描光学系统具有高速、高精度和高稳定性等优点,已经成为现代芯片制造中不可或缺的重要设备。相较于传统的投影光学系统,扫描光学系统具有更高的制造效率和更高的精度。

3.干涉光学系统

干涉光学系统是一种基于干涉原理的光学系统,它利用光的干涉来实现芯片图案的制造。干涉光学系统具有高精度和高稳定性等优点,已经成为一些特殊领域,如微纳制造、光子晶体制造等中不可或缺的重要设备。

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就技术壁垒而言,分为以下2个方面:

投影物镜:随着分辨率要求不断提高,投影物镜需要不断叠加才能满足要求,光学材料、加工已经接近工业极限,所以技术提升难度较大。

照明系统:对光有三个要求,分别是光均匀度、光形状的调整、扫描条形光的控制。

就供应商而言,国内投影物镜供货商为茂莱光学,分辨率达到30nm以下,而国外的ZEISS分辨率小于0.25nm;而光学晶体方面,福晶科技可供货LBO晶体、BBO晶体、Nd:YVO4晶体、磁光晶体,而Cristal Laser S.A.公司可供KTA晶体、RTP晶体、LBO晶体、BBO晶体;激光器方面,炬光科技光源不均匀度控制在1%以下,国外FLSBA的光源不均匀度在3%~5%。

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3.4.双工台:助力光刻机实现高效并行处理

双工台系统在光刻机中扮演了重要角色,有效提升了光刻机的生产效率。传统光刻机只有一个工件台,所有的步骤,如晶圆的上下片、测量、对准和曝光,都是顺序进行的。然而,双工台系统的设计使得大部分的测量和校正工作可以与曝光工作并行进行。

以TWINSCAN双工件台为例,当一号工作台在曝光位置进行步进扫描曝光时,二号工作台可以在测量位置完成硅片的上下片、三维形貌测量等工作。一旦一号工作台完成硅片的曝光,两个工作台再交换位置和职能,如此循环往复,实现了硅片的高效曝光。因此,双工台系统的设计显著提高了光刻机的产能。

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双工台内部构造主要包括以下几个主要部分:

1.双工台载台:双工台载台是双工台系统的核心部件,它承载着硅片在光刻机中的运输和定位任务。双工台载台通常由高精度的机械结构组成,以确保在光刻机工作过程中的精度和稳定性。

2.定位系统:双工台系统的定位系统是用来确定硅片在载台上的位置和姿态的。它通常由一系列的传感器和执行器组成,可以实现对硅片的精确控制和调整。

3.搬运系统:双工台系统的搬运系统是用来将硅片在载台之间进行转移的。它通常由一系列的机械手臂和驱动器组成,可以实现对硅片的快速和准确的搬运。

4.控制系统:双工台系统的控制系统是用来控制整个系统的运动和工作的。它通常由一系列的控制器和传感器组成,可以实现对系统的精确控制和调整。

5.安全系统:双工台系统的安全系统是用来保证系统在工作过程中的安全性的。它通常由一系列的安全传感器和执行器组成,可以实现对系统的安全监控和控制。

光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

评价双工件台的技术水平主要是晶圆的转移速度和对准精度,而其技术壁垒也是主要来自这2方面。就转移速度而言,要满足DUV光刻机曝光成像速度,晶圆平台需以7g加速度移动才能匹配成像速度。而双工件台对于精度要求也很高。其一是芯片在制造中由于需要叠加所以会产生偏移,一般是数千纳米的偏移,而对精度要求是1-2nm;其二由于晶圆表面高低不平,晶圆表面不同位置的光阻高度相差500nm以上,精度要求小于100nm。目前国内能供货双工件台的只有华卓精科,可用于65nm光刻机应用;而ASML可供货亚纳米光刻机工件台。奥普光电的光栅编码器(用于测量对准精度)精度可达1um/m,国外海德汉公司精准度为2um/m。

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04 相关标的

4.1.茂莱光学:国内工业级精密光学龙头,半导体、AR/VR成长空间广阔

茂莱光学成立于1999年,2015年6月1日,茂莱光学完成股改变更为股份制公司,并于2023年3月9日在上交所上市。公司是国内领先的精密光学综合解决方案提供商,专注于精密光学器件、光学镜头和光学系统的研发、设计、制造及销售。目前公司产品主要为定制化工业级精密光学产品,主要覆盖六大细分应用场景,包括半导体、生命科学、航空航天、无人驾驶、生物识别、AR/VR检测。从客户结构来看,公司客户遍布中东、美国、欧洲等地,各下游领域核心客户包括Align、华大智造、Camtek、KLA、上海微电子、Microsoft、Meta等大型企业。

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从公司的财务数据来看,公司业务发展迅速,收入规模不断扩大,市场份额持续提升。2020-2022年,公司营业收入分别约为2.46亿元、3.31亿元和4.39亿元,归母净利润分别为0.42亿元、0.47亿元、0.59亿元。从公司营业总收入来看,2016年至2022年公司营业总收入实现了七连增,归母净利润也呈现上升趋势。

从业务类型来看光学器件、光学镜头和光学系统占据公司98.23%的营收,其中光学器件营收占比在降低而技术更先进的光学系统营收占比相对提升。从公司下游应用领域收入来看,生命科学、半导体及AR/VR检测是公司前三大下游应用,公司半导体与生命科学领域产品销售提升较快,而航空航天业务收入占比在不断降低。

2023Q3公司实现营收1.21亿元,同比-7.89%,环比+5.73%;实现归母净利润0.08亿元,同比-70.83%,环比-47.32%。公司Q3营收同比下降,归母净利润大幅下降主要系公司对半导体领域保持高强度投入,导致管理/研发费用大幅提升。

分下游应用来看,公司前三季度半导体、生命科学、AR/VR检测生物识别、航空航天、无人驾驶领域收入占比分别为35.35%、29.32%、9.63%、8.85%、5.68%、3.34%。其中半导体和航空航天领域需求旺盛,半导体收入同比增长46.71%,航空航天收入同比增长62.96%。

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从公司产品结构来看,公司主要为客户提供定制化的精密光学器件、光学镜头和光学系统。光学镜头方面公司透镜、平片、棱镜应用于光刻机,客户有康宁集团、上海微电子等,并为半导体检测设备提供高精度镜头、光学系统等,客户有Camtek、KLA等,配套国内主流设备公司。

在精密光学器件方面,茂莱光学凭借其精湛的研发和制造技术,能够提供包括透镜、棱镜和平片(包括多光谱滤光片、荧光滤光片、太空反射镜等)在内的精密光学器件。这些器件具有高面型、高光洁度、高性能镀膜等优秀特性,被广泛应用于光刻机、高分卫星、探月工程、民航飞机等国家重大战略发展领域。公司研发的DUV光学透镜已应用于SMEE国产光刻机中,公司半导体检测设备光学模组供货KLA。

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4.2.福晶科技:全球光学晶体龙头,精密光学元件广泛布局VR/AR、半导体设备等领域

福晶科技1990年由中国科学院福建物质结构研究所(简称:中国科学院物构所)出资设立,2008年3月福晶科技股份有限公司在深圳中小板上市。公司主要从事晶体元器件、精密光学元件及激光器件等产品的研发、生产和销售。

公司深耕非线性光学晶体三十余年,是全球知名的LBO晶体、BBO晶体、Nd:YVO4晶体、磁光晶体、精密及超精密光学元件、高功率光隔离器、声光及电光器件的龙头厂商。

公司是国内少数能够提供“晶体+光学元件+激光器件”一站式综合服务的供应商。公司产品不断丰富,下游应用逐步拓宽,客户覆盖全球龙头厂商,包括相干、通快、光谱物理和锐克激光等。

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从公司的财务数据来看,2022年度,公司实现营业收入7.68亿元,同比+11.57%,公司营业收入保持九年增长,主要原因为公司在激光行业上游,近年来受到国内激光行业迅速发展,客户需求旺盛。公司2022年实现归母净利润2.26亿元,同比+18.30%,公司不断拓展产品线,下游应用遍布激光行业、光通信、汽车电子、消费电子等领域。

2023年Q3公司实现营业收入2.07亿元,同比略微下降;归母净利润0.53亿元,较去年同比-26.49%。公司Q3业绩有所下降,主要系公司加大对于生物医疗、半导体、光通信等新应用领域布局力度,从而使费用端出现较大增长。从盈利能力来看,23Q3公司销售毛利率、净利率分别为55.98%,29.07%,相较去年同比均有下降。

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福晶科技,作为激光行业上游的主要业务提供商,公司的产品涵盖了晶体元器件、精密光学元件和激光器件三大类别。福晶科技的光学元件可以用于制造光刻机中的光学部分,包括投影镜头和显微镜等关键部件。公司与中科晶创、物构所投资设立福建睿创光电科技有限公司,开展衍射光学及微光学等产品的开发、生产和销售业务,衍射光学元件(Diffractive Optical Elements, DOE)是光刻机中一系列可动的镜片,主要用于产生光刻所需要的光源。目前公司产品间接供货给ASML。

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4.3.福光股份:航天级高端镜头领导者,引领AI、泛半导体超高精密光学国产替代

福光股份源于国营八四六一厂,成立于2004年,并于2020年2月26日在上交所科创板成功上市。是集研发、生产、销售于一体的光学产品制造商。

通过多年的技术积累和产品升级,福光股份已经具备了较强的研发实力,并成功开发了一系列高性能的光学产品。其中包括1.5亿像素超高清连续变焦镜头、共口径双光谱连续变焦镜头以及轻量化特种一体机变焦镜头、一系列轻量化特种一体机变焦(22x、30x、36x)镜头,目前已完成30x特种一体机变焦镜头样机的研制、20X、30x超长焦K级(130万像素)高清中波红外变焦镜头及轻小型大视场K级高清中波红外变焦镜头样机等。

公司主要产品包括光学镜头、光学元组件、激光器及激光光学组件等,可广泛应用于安防、科研、工业、医疗、航空航天、半导体等领域。

客户方面,公司为客户提供“定制产品”与“非定制产品”两大系列。其中“定制产品”系列主要包括特种光学镜头及光电系统,广泛应用于“神舟系列”、“嫦娥探月”、“天问一号”等国家重大航天任务及高端装备,核心客户涵盖中国科学院及各大集团下属科研院所、企业,为国内最重要的特种光学镜头、光电系统提供商之一;“非定制产品”主要包含安防镜头、车载镜头、红外镜头、机器视觉镜头、投影光机等,广泛应用于平安城市、智慧城市、物联网、车联网、智能制造等领域。核心客户包括海康威视、华为、博世、霍尼韦尔、大华股份等知名企业。

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从公司的财务数据来看,公司业务发展迅速,营业收入呈现扩大态势。2020-2022年,公司营业收入分别约为5.88亿元、6.75亿元和7.81亿元,归母净利润分别为0.51亿元、0.45亿元、0.29亿元。公司2022年整体营业收入较上年同期+15.76%,归母净利润较上年同期-35.05%,主要系公司对房屋建筑物及设备进行投入,导致本期固定资产折旧及长期资产摊销较上年同期增加2,965.06万元;公司人才激励致本期新增股份支付费用338.52万元及职工薪酬较上年同期增加1,097.99万元。2023Q3公司实现营业收入1.38亿元,同比-34.74%;归母净利润-0.33亿元,较去年同比-5.08%。

公司Q3营业收入出现较大下滑原因主要系市场出现周期性波动、客户生产计划延期与国际国内非定制光学镜头需求的减少。

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从公司的整体营收数据来看,2022年公司主营业务实现营业收入7.76亿元,同比增长16.37%,其中定制产品业务营收1.45亿元,较上年同比增加85.81%,占总营收18.67%,产品毛利率为43.76%。非定制光学镜头业务营收5.65亿元,较上年同比增加6.30%,占总营收72.83%,产品毛利率为16.01%。光学元件及其他业务营收0.66亿元,较上年同比增加15.34%,占总营收8.5%,产品毛利率为29.30%。

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公司依托于在光学镜头行业的技术研发积累,公司加工的球面镜片、非球面镜片、二元曲面、离轴面、不规则透镜和自由曲面形状误差可达0.1um,表面粗糙度可达 1nm,处于国内先进水平。镀膜技术方面,全介质高反膜<99%;漂移量<1nm,整炉均匀性<5nm。

据公司投资者关系活动记录表,公司精密及超精密加工实验中心建设项目于2022年3月结项,该项目可进行红外镜片加工、非球面玻璃镜片加工、非球面塑料镜片加工、球面镜片高精度加工、紫外镜片加工等超精密光学加工技术的突破,为高端装备(如光刻机)、国防、航空、航天等领域提供高精密光学镜头和光学系统。公司为航天级高端镜头以及军用光学核心供应商,公司研发光刻机等半导体设备镜头镜片等产品,并配合国内行业客户研发。

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4.4.炬光科技:稀缺激光元器件厂商,激光雷达+泛半导体+医美多产业布局

西安炬光科技股份有限公司成立于2007年9月,深耕激光行业十余年,在上游半导体激光元器件细分领域已具有一定技术优势和市场地位,公司正在向行业中游光子应用模块和系统及汽车应用激光雷达拓展。

汽车领域,公司已获得国内两家定点项目,并在积极推进与海外客户的定点落地,同时已与B客户达成解决协议;半导体应用领域,公司逻辑晶圆、功率半导体退火等实现了进口替代,叠加合肥募投项目有序推进,有望形成新增长点;医美领域, 海外Cyden 客户有望在2024 年完成临床试验,公司产品批量出货;2021年12月公司IPO成功,于科创板上市并募资17.7亿元用于微光学应用、激光雷达发射模组产业化等项目,炬光科技有望开启高速发展新阶段。炬光科技基于上游卡脖子的行业位置,积极布局中游光子应用解决方案。

目前炬光科技拥有半导体激光、激光光学、光学系统、汽车应用(激光雷达)四大业务,为固体激光器、光纤激光器生产企业和科研院所,医疗美容设备、工业制造设备、光刻机核心部件生产商,激光雷达整机企业,半导体和平板显示设备制造商等提供核心元器件及应用解决方案,产品逐步被应用于先进制造、医疗健康、科学研究、汽车应用、信息技术五大领域。公司的客户包括德国大陆集团、Velodyne LiDAR、Luminar、上海微电子、台积电、韩国LG电子等。

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从公司的财务数据来看,公司业务发展迅速,收入规模不断扩大,市场份额持续提升。

2020-2022年,公司营业收入分别约为3.60亿元、4.76亿元和5.52亿元,归母净利润分别为0.35亿元、0.68亿元、1.27亿元。公司2022年主营业务收入同比增长16.31%,销售净利率同比增加9.25pct;从公司的产品类别来看,报告期内,计算机、通信和其他电子设备制造业取得营业收入5.49亿元,为公司的主要收入来源,毛利率较上年减少0.08pct。

分产品来看,半导体激光元器件和原材料营业收入为2.28亿元,同比上年营收+30.93%,毛利率为48.45%;激光光学元器件营业收入2.29亿元,同比上年营收+2.96%,毛利率为60.23%;泛半导体制成解决方案营业收入0.61亿元,较上年同比+68.70%,毛利率为63.01%;汽车应用解决方案营业收入与医疗健康解决方案营业收入分别为0.29亿元和0.02亿元。

2023年Q3公司实现营业收入1.45亿元,同比+6.87%,环比+17.74%;归母净利润0.17亿元,较去年同比-56.13%,环比+48.78%。从盈利能力来看,2023Q3盈利能力有所修复,销售毛利率47.48%,环比+4.75pct。

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公司在投资者互动平台表示,公司为荷兰ASML核心供应商A公司提供光刻机用和半导体晶圆退火核心元器件,最终应用于全球高端光刻机生产商的核心设备;近年来光场匀化器产品也应用于国内主要光刻机研发项目和样机中。公司根据客户的不同型号需求,匹配不同波长的光场匀化器,目前产品已经用于KrF, ArF, ArF浸没式等DUV光刻机。

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4.5.晶方科技:晶圆级封装龙头,汽车摄像头、微型光学镜头、GaN器件打开成长空间

晶方科技成立于2005年,2006年就成立了国内首家晶圆级封装厂,2014年上市之初就是中国大陆首家、全球第二大能为影像传感芯片提供WLCSP量产服务的专业封测服务商。

公司作为晶圆级硅通孔(TSV)封装技术的领先者,重点聚焦以影像传感芯片为代表的智能传感器市场,封装的产品主要包括CIS芯片、TOF芯片、生物身份识别芯片、MEMS芯片等,广泛应用在智能手机、安防监控数码、汽车电子等市场领域。

公司在车载摄像头领域布局多年,公司子公司Anteryon、晶方光电具备全球领先的微型光学设计、研发与制造等核心能力,在半导体.汽车、工业自动化等诸多市场领域具有广阔应用前景。

随着公司技术的发展,一方面公司混合光学镜头领域的核心优势持续提升,并在欧美地区进一步拓展其在工业、汽车等优势应用领域的市场规模:另一方面微型光学镜头顺利获得海外TIE1客户认证,在汽车智能投射领域实现规模量产,并可在汽车大灯等车用智能交互系统提供客制化的微光学解决方案。公司为全球CIS芯片封测龙头,汽车领域布局深厚,深度绑定豪威、索尼等龙头厂商,未来有望持续受益汽车CIS市场高增长。

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从公司财务数据来看,2020-2022年,公司营业收入分别约为11.04亿元、14.11亿元和11.06亿元,归母净利润分别为3.82亿元、5.76亿元、2.28亿元。公司2022年营收下降主要系下游消费电子需求疲软与行业产能过剩库存高企导致影像传感器细分市场景气度疲软。

2023年Q3公司实现营业收入2.00亿元,同比-21.65%;归母净利润0.34亿元,较去年同比+14.22%。公司Q3业绩下滑主要系下游手机等消费电子需求疲软与行业产能过剩库存高导致公司整体封装业务营收出现下滑。

展望长期,随着下游消费市场逐渐复苏,公司在车载摄像头封装、微型光学器件制造等新领域的开发拓展,相应业务规模与生产能力持续增强,有望打开新的业绩成长点。

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分产品来看,芯片封装及测试22年营收8.57亿元,同比下降33.46%,主要系手机等消费类电子市场不景气影响,封装订单与出货量减少所致;光学器件22年营收2.39亿元,同比上升129.39%,主要是得益于半导体设备、智能制造、农业自动化市场需求的增加,混合镜头业务规模持续稳步增长,同时公司晶圆级微型光学器件(WLO)业务在车用智能交互领域的商业化应用规模显著提升所致。

从Q4单季度来看,2022年Q4实现营业收入2.31亿元,环比下降9.41%;实现归母净利润0.07亿元,环比下降76.67%,Q4业绩环比仍有所下降。2023年公司积极调整产品结构,持续发力车载摄像头封装、微型光学器件制造等新领域的开发拓展,相应业务规模与生产能力持续增强,有望打开新的业绩成长点。

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公司持续整合荷兰Anteryon、晶方光电微型光学器件的设计、研发与制造能力,扩大量产与商业化应用规模。Anteryon前身是飞利浦光学电子事业部,目前最大客户为荷兰ASML,其混合镜头、晶圆级微型光学镜头(WLO)主要应用于光刻机的光学镜头以及MLA方案下的汽车迎宾灯,和ams OSRAM并列是全球少数掌握MLA模组生产技术且量产的厂商。根据公司半年报,23H1晶方光电实现净利润180万元,Anteryon实现净利润1277万元。

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4.6.苏大维格:纳米压印光刻龙头,业务涉及半导体、无人驾驶、AR/VR检测等多领域

苏大维格成立于1999年,起初从光学零件加工事业部发家。于2003年进入检测市场,后于2006年和2009年分别进入安防市场及生物医疗市场。作为精密光学综合解决方案提供商,苏大维格产品集中在精密光学器件、光学镜头和光学系统的研发、设计、制造及销售,主要涉及半导体(包括光刻机及半导体检测装备)、生命科学(包括基因测序及口腔扫描等)、航空航天、无人驾驶、生物识别、AR/VR检测等应用领域。公司客户均为国内外知名企业,包括微软、华为、京东方、三星电子、戴尔、冠捷科技、中强光电等。

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2022年度,苏大维格实现营业收入17.2亿元,较上年同期下降1.21%;营业利润-3.2亿元,利润总额-3.3亿元,归属于上市公司股东的净利润-2.8亿元,亏损幅度收窄。

2022年,亏损主要原因为旗下华日升利润水平未及预期因此计提大额的减值准备2.6亿元,其二面板行业出现周期性收缩,导致新型印材及导光材料业务收入下降,南通工厂稼动率和产能利用率仍处于较低水平。

在高端智能设备方面,已开展光刻机及核心部件材料、光伏铜电镀图形化设备、AR-HUD投影屏等领域测试与验证工作。伴随下游需求回暖,该领域盈利能力有望增强。

光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进
光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

在公共安全和新型印材领域,苏大维格不仅作为公安部驾驶证、行驶证防伪膜唯一指定供应商,也为身份证视读防伪提供技术支持。新型光学印材主要应用于烟酒及化妆品、日化用品等消费品包装。随着绿色包装的兴起,其环保3D转移材料正逐步替换传统烟酒、化妆品、日化用品包装材料。

在消费电子新材料领域,主要包括导光材料和导电材料。导光材料主要应用于笔记本电脑、液晶电视等液晶显示背光模组。子公司维旺科技客户包括下游京东方、三星电子、LG Display、友达光电、佳世达、冠捷科技等厂商。

在导电材料领域子公司维业达主要量产透明导电膜及相关产品,应用于大屏/柔性显示触控、MiniLED 电极膜、5G天线和车载天线、光伏电池转印电极膜、彩色电子微杯型透明导电膜等领域。

光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

苏大维格是一家在高端智能装备领域表现突出的企业,产品线包括直写光刻、3D光刻、投影/扫描光刻、纳米压印光刻等。

该公司的直写光刻设备已经出口至日本、韩国和以色列等国家,并在国内科研光刻设备领域占有一定市场份额。除此之外,苏大维格在光伏铜电镀图形化设备、芯片掩模板以及IC载板等领域也有所涉猎,且运用直写光刻技术进行积极开发。

作为国内领先的微纳结构产品制造和技术服务商,苏大维格通过自主研发微纳光学关键制造设备——光刻机,建立了微纳光学研发与生产制造的基础技术平台体系。该公司致力于为客户提供不同用途的微纳光学产品的设计、开发与制造服务,并相继开发了多个覆盖纳米级和微米级的光刻机和压印设备。

通过自制微纳结构模具,苏大维格采用纳米压印方式在经过特殊处理的PET\PC薄膜等基材表面形成微纳结构。这种微纳结构具有不同量级和形貌,可以使材料产生各种特殊效果,如光变色图案、增亮扩散特性、透明导电特性、全息图像等。

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4.7.奥普光电:光刻机核心部件供应商,业务涵盖半导体、航空航天、医疗等多个领域

奥普光电成立于2001年6月,是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和广东风华高新科技股份有限公司等出资设立的高新技术企业。前身是中国科学院长春光机所试验工厂,并于2010年1月在深交所挂牌上市。

公司隶属中科院长春光机所,是国内光电测控仪器制造行业的重要企业。公司从事的主要业务为光电测控仪器设备、新型医疗仪器、光学材料、光栅编码器、高性能碳纤维复合材料制品等产品的研发、生产与销售,产品广泛应用于军工、医疗设备行业等领域。

公司拥有强大的研发团队和先进的制造设备,致力于为客户提供高质量、个性化的产品和服务。此外,奥普光电在光电检测领域拥有多项核心专利和技术,产品不断创新和升级,为全球客户提供优质的产品和服务。客户包括光机所、航天科工集团下属单位、华中数控、中国科学院微小卫星创新研究院等知名企事业单位。

光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

2022年度,奥普光电实现营业收入6.27亿元,较上年同期+14.67%;营业利润+1.02亿元,较上年同比增长90.79%;利润总额1.01亿元,较上年同比增长91.40%;归属于上市公司股东的净利润0.82亿元,比上年同期增长75.31%。2022年营收与归母净利润增速差距较大原因系公司2022年9月收购长光宇航,长光宇航主营业务为航空复合材料,产品结构变化导致公司毛利率大幅提高,从而净利润实现较大增速。

2023年Q3公司实现营业收入1.60亿元,同比+15.35%;净利润0.45亿元,较去年同比+19.79%。归母净利润0.26亿元,同比-21.75%。主要原因是去年三季度有笔较大的投资收益3120万,扣除投资收益的影响,公司三季度仍实现了明显的归母净利润增长。

光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

奥普光电是从事制造光机电一体化产品的高新技术企业,其大股东为中科院长春光机所,主要负责大陆国产光刻机光源、光学部分的研发工作,据工人日报,奥普光电研制的两大设备: 非球面超精密铣磨设备和多自由度快速研抛设备,可加工2.5米口径光学元件。

镜坏铣磨、研抛的数控示范基地生产线可服务于整个民用领域。此外,控股公司禹衡光学生产的高精度绝对式光栅尺和编码器,是保证光刻机工件台定位精度的先决条件。而工件台系统作为光刻机的核心分系统直接影响光刻机三大性能指标中的产率和套刻精度。

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4.8.波长光电:精密光学元件、组件主要生产商,主营业务营收稳步增长

波长光电成立于2008年,2023年08月23日在深圳证券交易所挂牌上市。

公司专注于工业激光加工和红外热成像领域,致力于提供各类光学设备、光学设计以及光学检测的整体解决方案,是中国精密光学元件、组件的主要生产商,多项自研核心技术指标达行业领先水平。

波长光电主要生产激光光学和红外光学的一系列元件和组件,以及提供光学设计与检测服务。产品种类包括激光光学中的扩束镜头、扫描镜头、聚焦镜和准直镜,以及红外热成像中的红外热成像镜片、近红外镜头、短波红外镜头、中波红外镜头及长波红外镜头。此外,波长光电还提供主流的光学设计软件ZEMAX以及光学检测设备。

公司产品可广泛应用于消费电子行业、标记行业、新能源动力电池等行业。公司的主要客户包括华工科技、高德红外、久之洋、美国 IPG 阿帕奇等知名大型企业。

光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

2020年至2022年,波长光电业务收入分别为26,650.16万元、30,941.71万元及34,191.50万元,归母净利润分别为4,405.34万元、5,443.17万元及6,150.73万元,均呈现增长趋势。

2023年1-9月,公司营业收入为26155.18万元,同比+4.41%;归属于母公司股东的净利润为4264.21万元,同比-9.69%;扣除非经常性损益后归属于母公司股东的净利润为4090.39万元,同比-8.03%。

光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

公司所处光学元器件行业为技术密集型行业,技术升级迭代较快,为提升研发投入收入转化率,行业内主要企业多以市场需求为导向进行研发。

2022年公司推出光刻机平行光源系统及 AR 近眼检镜头等产品,成功进入半导体及 AR/VR 领域。随着研发-生产-销售的良性循环,公司将继续增强科研成果转化能力,积极调配研发资源,持续的研发投入将进一步提升企业的创新实力和持续经营能力。

在半导体应用领域,公司已具备提供光刻机配套的大孔径光学镜头的能力。

公司成功开发的光刻机平行光源系统可用于国产光刻机领域配套,并已交付多套系统用于接近式掩膜芯片光刻工序。

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4.9.旭光电子:电真空+军工+电子陶瓷共同发力,发射管、氮化铝结构件打入半导体设备供应链

旭光电子成立于1965年,前身为国营旭光电子管厂,1994年公司实行股份制改造,2002年在上交所上市。

公司是国内唯一一家拥有从金属零件加工、精密陶瓷制造到成套电气装备的全产业链技术创新型高新技术企业,目前已形成了电真空器件、军工军品、电子陶瓷三位一体的产品布局。

电真空业务板块,公司的电子管广泛用于激光加工设备等众多细分领域,开关管公司现已拥有完整的真空开关管及固封极柱产业链、关键工艺技术、设备及检测装备,已成为国内品种最全、生产量最大的陶瓷真空灭弧室制造基地,广泛用于中高压电网配电领域;军工板块,子公司易格机械、西安睿控创和分别聚焦于高端精密机械零部件、自主可控嵌入式计算机系统;电子陶瓷板块,公司具备陶瓷金属化的核心技术,收购成都旭瓷实现电子陶瓷行业的横向拓展,产品主要包括氮化铝粉体、基板、结构件和HTCC等电子陶瓷材料。

光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

公司业务发展稳中向好,近三年收入及净利润持续增长。

2020-2022年,公司营业收入分别为9.02亿元、10.07亿元、11.41亿元,归母净利润分别为0.54亿元、0.58亿元、1.00亿元。2022年,公司毛利率同比增长4.63pct,销售净利率同比增长2.67pct。

按产品划分,公司开关管、精密结构件、嵌入式计算机、电子管、开关柜、智能电气、氮化铝产品营收占比分别为46.19%、13.67%、7.79%、5.96%、4.82%、2.55%、1.87%,毛利率分别为11.70%、40.23%、49.67%、61.07%、30.41%、23.27%、37.85%。

电真空业务板块,公司把握国家大力发展新型电力系统和电网建设加速机遇,通过产品结构的持续优化带动高附加值产品销售占比提升,较好实现销售稳步增长及盈利能力的进一步提高;军工板块,公司通过持续加大产品研发投入、优化生产工艺并紧抓项目落地,实现了“产能+效益”双提升;电子陶瓷板块,氮化铝产业作为公司的“头号工程”,取得了突破性进展,呈现出强劲的发展态势。

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公司作为国际先进的大功率发射管生产企业,研发能力强、产品系列齐全,产品种类达百余种,其产品工作频率范围在0.1MHZ-1000MHz之间、输出功率范围在1KW-1MW之间。

产品可应用于雷达、医疗、CO2激光设备、广播电视、半导体设备、可控核聚变等领域。

目前,公司用于光刻机、等离子清洗/抛光等半导体设备领域的发射管产品已经客户验证通过,并实现批量销售。

公司在已有氧化铝陶瓷技术基础上,通过控股成都旭瓷成功拓展至氮化铝领域。

截至2023年上半年,公司已实现国产首台套氮化铝粉体连续炉的顺利投产与规模化稳定量产,氮化铝粉体年化产能已达240吨、产品良率85%以上;

氮化铝基板已实现年化产能300万片、产品良率达80%以上,目前已在下游应用端的20多家企业进行了验证及实现供货,已成为国内氮化铝基板主要供应商;

氮化铝HTCC方面,公司完成了自主原材料配方及浆料体系的开发,小试产品通过了部分国内外客户认证,十余家客户已纳入合格供应商名单,预计年底前可实现批量出货,目前年化产能已达5万片;

氮化铝结构件方面,公司的大尺寸结构件已应用于半导体产业及泛半导体产业(含光伏产业)的光刻工艺、刻蚀工艺、薄膜工艺、离子注入等工艺中,目前已通过国内多家半导体(含光伏)设备企业的认证及实现供货销售,进入半导体设备的核心产业链。

此外,公司与中科院某研究所联合开展“半导体用高精密陶瓷部件”研制攻关,致力于加速半导体用静电卡盘与加热盘的国产化进程。

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4.10.腾景科技:精密光学元件主要提供商之一,半导体+AR有望打开成长空间

腾景科技成立于2013年10月,并于2021年3月在上海证券交易所科创板成功上市。

公司主营产品为光学元件和光纤器件,是光模块和各类光纤器件的基础,因此公司业务涵盖领域有非常强的拓展性,公司产品主要应用于光通信、光纤激光等领域,其他少量产品应用于量子信息科研、生物医疗、消费类光学等领域。

在主营业务之外,公司积极拓展布局生物医疗、AR、车载、半导体等新型应用场景。在半导体领域,公司的多波段合分束器可应用于光刻机光学系统;在车载领域,公司的激光雷达业务正处于送样或小批量验证阶段;在AR领域,公司的非球面透镜与棱镜组合等精密光学组件已应用于AR等新兴消费电子产品。

公司客户包含量子信息科研机构,光模块知名厂商Lumentum、Finisar,光纤激光厂商R客户、nLIGHT等。

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公司营业收入持续增加,目前已达到七连增。

2017-2022年,公司营业收入从0.83亿元增长至3.44亿元,年化增长率达到32.89%;归母净利润实现由负转正,基本保持增长态势。

根据公司2022年报,按产品划分,公司主营业务精密光学元组件业务实现收入27,947.54万元,同比增长19.76%,实现销量4,778.91万片(件),同比下降2.57%,光纤器件业务实现收入6,457.70万元,同比下降6.49%,实现销量188.49万件,同比增长4.41%,精密光学元组件产品收入增长受益于光通信产业景气度较高,应用于接入网光模块的非球管帽产品以及 WSS 元组件产品实现了较大幅度的增长。其他应用领域实现收入1,662.60万元,同比增长100.68%.

公司2023Q3实现营业收入0.80亿元,同比下降15.25%,实现归母净利润1080万元,同比下降40.00%,主要原因系主营业务中,光通信领域的电信市场较为疲软,个别产品需求放缓,光纤激光下游稳步复苏并伴随部分成熟产品主动降价提升份额策略,生产设施投入增加了折旧、摊销等固定成本支出等。

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公司开发的合分束器项目成功进入半导体微电子设备厂供应链。

主要用于光刻机的光学系统。未来投产后,将有效满足客户的需求,填补该领域的市场空白,实现国产设备的替代。

分束器作为一种衍射光学元件,能够将单个激光束分成多个光束,并保持每个光束的原始特性,即激光通过分束器后,光束直径和相位保持不变,而传播方向和能量会发生特定改变。这一独特的光学特性使得分束器在许多高精度光学应用中具有不可替代的作用。

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4.11.同飞股份:数控温控装备龙头,半导体器件制造设备专用温控设备供应商

同飞股份成立于2001年,并于2021年5月在深圳证券交易所上市。

公司主导产品分为液体恒温设备、电气箱恒温装臵、纯水冷却单元、特种换热器4个系列,主要包含:MCO油冷却机、MCW水冷却机、MCWL/TFLW激光器专用水冷却机、MCS切削液冷却机、MCA电气箱温湿度调节机、MEA电气箱热交换器、MWA空气/水热交换器、MEO液压油热交换器、工业洗涤换热器和水冷柜等产品。

涉及机床、电子、军工、航空航天、汽车、船舶、轨道交通、通讯、电力、新能源、工业洗涤等各行各业,产品销往德国、瑞士、捷克、日本等国家和中国台湾地区。

公司已成为国内工业温控领域具备业务规模和产品覆盖面的主要厂商之一,在各领域拓展了优秀、稳定的客户群体,公司客户包括德国埃马克、日本马扎克、德国通快、北京精雕、锐科激光等内外资巨头。

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公司发展速度较快,近六年营业收入持续增长,归母净利润也呈增长态势。

2020-2022年,公司营业收入分别为6.12亿元、8.29亿元、10.08亿元,归母净利润分别为1.25亿元、1.20亿元、1.28亿元。

2022年,公司销售毛利率为27.35%,同比增长0.38pct,销售净利率为12.69%。按产品划分,公司液体恒温设备、电气箱恒温装置、纯水冷却单元营收占比分别为53.52%、21.68%、17.97%,毛利率分别为25.16%、25.73%、36.46%。

公司产品与工业装备制造智能化发展方向、节能减排的国家战略紧密契合,实现了与下游战略性新兴产业融合发展,行业迎来广阔的市场空间。特别是储能行业及电力电子行业的快速增长,公司迎来前所未有的发展机遇。公司客户包括北方华创、芯碁微装、华海清科、上海微电子、特变电工等知名企业。

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根据投资者调研报告,国产替代和市场份额提升是大陆半导体制造领域企业的主要成长路径。

公司凭借良好的行业声誉和多项自主知识产权,已经逐渐拓展了与北方华创、芯碁微装等知名客户的合作。

半导体制造设备在晶体生切片、光刻、刻蚀、物理气相沉积 (PVD) /化学气相沉积 (CVD) 等芯片制作环节设备运行的电子元件能耗及发热量越来越大,必须引入温控设备以防止能量转化为热量引起器件的开温、发热,从而保证设备性能的充分发挥。而公司主要提供专业温控产品,有望为半导体制造提供设备。

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4.12.中瓷电子:电子陶瓷产品龙头,资源整合切入化合物半导体领域

中瓷电子成立于2009年,并于2021年在深圳证券交易所成功上市。

公司控股股东为中国电子科技集团有限公司,主要产品包括光通信器件外壳、无线功率器件外壳、红外探测器外壳、大功率激光器外壳、声表晶振类外壳、3D 光传感器模块外壳、5G 通信终端模块外壳、氮化铝陶瓷基板、陶瓷元件、集成式加热器等,广泛应用于光通信、无线通信、工业激光、消费电子、汽车电子等领域。

光通信器件外壳方面,目前公司已完成 800G 光通信器件外壳设计开发,与海外技术水平相当。消费电子方面,公司氮化铝薄膜基板和薄厚膜复合基板可配套公司光通信器件外壳,已实现批量供货;滤波器产品覆盖SAW、BAW等器件。

公司精密陶瓷零部件是采用氧化铝、氮化铝等先进陶瓷经精密加工后制备的半导体设备用核心零部件,具有高强度、耐腐蚀、高精度等优异性能,应用于刻蚀机、涂胶显影机、光刻机、离子注入机等半导体关键设备中。

公司消费电子客户涵盖国内一线品牌。公司消费电子陶瓷外壳及基板系列产品主要包括声表晶振类外壳、3D光传感器模块外壳、氮化铝陶瓷基板等,其中声表晶振类外壳主要用于晶体振荡器和声表滤波器封装,结构形式主要是SMD,在智能手机、AR/VR、智能手表、TWS等移动智能终端,以及无线通讯、汽车电子、医疗设备等消费电子领域应用广泛。

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公司始终专注于电子陶瓷领域,具备电子陶瓷和金属化体系关键核心材料、半导体外壳设计仿真技术、多层陶瓷高温共烧关键技术三大核心技术领域的自主知识产权,开创了大陆光通信器件陶瓷外壳产品领域打破了国外行业巨头的技术封锁和产品垄断,实现了光通信器件陶瓷外壳产品的进口替代。

2022年报披露,公司主打产品通信器件用外壳产品业务保持稳定增长,2022年实现收入94,577.06万元,同比增长30.49%:随着消费电子智能终端应用场景多元化,公司高端消费类外壳和基板市占率逐步提升,2022年消费电子陶瓷外壳及基板实现收入20,029.13万元,同比增长64.67%。

公司发布2023年三季度报告,2023 年前三季度,公司实现营业收入19.07亿元,同比+1.69%;归母净利润3.43亿元,同比-3.43%。

2023 年第三季度,公司实现营业收入6.45 亿元,同比+5.02%;归母净利润1.22亿元,同比-3.40%。

2023年初至Q3扣非净利润增长率大幅增长的原因系按照企业会计准则:(1)2023年合并口径扣非净利润包含2023年8-9月重组标的扣非净利润;(2)公司根据《企业会计准则第20号—企业合并》和《企业会计准则第33号—合并财务报表》,同一控制下企业合并抵销了包含上市公司本身在内的4个单位的未实现内部销售的利润;(3)根据《公开发行证券的公司信息披露解释性公告第1号——非经常性损益》,同一控制下企业合并产生的3个标的期初至合并日的当期净损益进行了扣除。

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公司精密陶瓷零部件是采用先进陶瓷材料经精密加工后制备的半导体设备核心零部件,如氧化铝、氮化铝等。

这些零部件具有高强度、耐腐蚀、高精度等优异性能,广泛应用于刻蚀机、涂胶显影机、光刻机、离子注入机等半导体关键设备中。其中,陶瓷加热盘具有温度均匀性好、控制精度高、尺寸精度高、耐腐蚀等优点,作为设备的关键零部件直接与晶圆接触,可实现晶圆表面温度高精度控制和快速升降温。

静电卡盘利用静电吸附原理夹持晶圆并保持其平坦度且不损伤,是一种适用于真空环境或等离子体环境的超洁净晶圆承载体。这些陶瓷零部件对于半导体设备的正常运行和生产过程的顺利进行至关重要。

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4.13.芯碁微装:国产直写光刻设备龙头,业务布局包括PCB、泛半导体与光伏域

芯碁微装成立于2015年,2021年4月成功在上海证券交易所上市,是国内直写光刻设备龙头企业。公司以微纳直写光刻技术为核心,研发、制造、销售及提供相应的维保服务。

主要产品包括PCB直接成像设备及自动线系统、泛半导体直写光刻设备及自动线系统等,覆盖微米到纳米的多领域光刻环节。

公司的PCB直接成像设备包括MAS、RTR、NEX、FAST、DILINE 等系列,PCB曝光设备也从低阶向高阶拓展,其中用于HDI/柔性板的MAS35T产能达480面/小时,性能大幅提升。芯碁微装的泛半导体直写光刻设备包括LDW、WLP、MLF、MLC、RTR、MAS、NEX等系列,产品应用在IC、MEMS、生物芯片、分立功率器件等制造、IC掩膜版制造、

先进封装、显示光刻等环节。在IC载板领域,MAS6系列最小线宽达6μm;在新型显示领域,公司实施以点带面策略,以NEX-W(白油)机型为重点,切入客户供应链,推动该领域内的市场销售放量;在引线框架领域,公司实行大客户战略,利用在WLP等半导体封装领域内的产品开发及客户资源积累,推动蚀刻工艺对传统冲压工艺的替代,从而拉动泛半导体领域收入上升。

公司客户包括生益电子、胜宏科技、定颖电子、沪电股份、鹏鼎控股等头部厂商。

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公司营收从2017年的0.22亿元增至2022年6.52亿元,年复合增速为197%;归母净利润从2017年的-685万元增至2022年1.37亿元;2023年前三季度实现营收5.24亿元,同比增长27.30%,归母净利润为1.18亿元,同比增长34.91%。

近年来业绩快速增长主要系公司收入基数较小,PCB直接成像设备销量快速增长,2022年公司PCB系列设备和泛半导体系列设备销量分别为174/26台,同比增长20.83%、52.94%,实现营收分别为5.27/0.96亿元,毛利率分别为37.9%与65.08%。

公司自2018年起毛利率始终保持在40%以上,净利率基本保持在20%以上,费用管控能力良好,规模效应下公司期间费用率也在逐年下降。

光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

2016年4月,芯碁微装开发了半导体直写光刻设备MLL-C900产品,成功实现了直写光刻技术的产业化应用,并在随后几年逐步开发了应用于IC掩膜版制版的LDW-X6产品、国产应用于OLED显示面板的直写光刻自动线系统LDW-D1产品以及晶元级封装WLP产品,成功与维信诺、佛智芯、沃格光电、矽迈微电子等业内知名企业达成合作,实现了泛半导体领域的国产替代。

2022年9月公司就已交付WLP2000晶圆级封装直写光刻机,WLP2000采用最先进的数字光刻技术,无需掩模板,可直接将版图信息转移到涂有光刻胶的衬底上,主要应用于8inch/12inch集成电路先进封装领域,包括Flip Chip、Fan-In WLP、Fan-Out WLP和2.5D/3D等先进封装形式,WLP2000是其在晶圆级封装领域自主研发的具有自动再布线(RDL)功能的光刻设备,各项性能指标已达国际先进水平。

光刻机实现突破:芯片制造核心瓶颈环节,光刻机国产替代加速推进

05 风险提示

5.1. 研发技术风险

光刻机技术要求高,研发和制造过程中需要解决许多技术难题,如光学系统设计、精密机械制造、控制系统开发等。技术不足可能导致设备性能不稳定、制造精度低等问题,影响芯片制造的质量和效率。

5.2. 运营资金风险

光刻机研发和制造需要大量资金投入,包括研发费用、制造成本、设备安装调试费用等。资金不足可能导致项目中断、资金链断裂等问题,影响企业的经营和发展。

5.3. 市场价格变动风险

光刻机市场受到半导体市场的影响,市场需求和竞争状况不断变化。市场变化可能导致设备销售不畅、价格波动等问题,影响企业的盈利能力和市场地位。

5.4. 供应链存在的风险

光刻机制造需要大量的原材料和零部件,如光学元件、机械部件、电子元件等。供应链出现问题,如供应商破产、物流中断等,可能导致企业无法正常生产或按时交付设备。

5.5. 政策风险

光刻机行业受到政府政策的影响,如税收政策、产业政策、科技政策等。政策变化可能导致企业面临不利影响,如税收增加、产业限制等。

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报告来自【远瞻智库】

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