摘要：半导体光刻机是芯片制造过程中最核心、最精密的设备，其工作原理基于光学投影成像技术，通过一系列复杂的光学系统将掩模版上的电路图案精确地转移到涂有光刻胶的晶圆表面。光刻机的基本工作流程主要包括五个关键步骤：涂胶、对准、曝光、显影和刻蚀 。
一、光刻机的技术原理与核心价值
1.1 光刻机的基本工作原理与技术架构
半导体光刻机是芯片制造过程中最核心、最精密的设备，其工作原理基于光学投影成像技术，通过一系列复杂的光学系统将掩模版上的电路图案精确地转移到涂有光刻胶的晶圆表面。光刻机的基本工作流程主要包括五个关键步骤：涂胶、对准、曝光、显影和刻蚀 。
涂胶环节是光刻工艺的起点，将光刻胶均匀地涂布在洁净的半导体晶圆表面，形成一层厚度均匀的光敏材料薄膜 。这一步骤的质量直接影响后续曝光的精度和图案转移的准确性。
对准步骤是确保光刻精度的关键，光刻机需要将掩模版上的电路图案与晶圆上已有的电路层精确对准，误差必须控制在纳米级别。这一过程通常采用激光干涉仪和高精度光栅编码器等精密测量设备来实现。
曝光过程是光刻机的核心功能，特定波长的光线穿过刻有电路图案的掩模版（光罩），透光部分的光线照射到下方光刻胶上，引发其化学反应（正胶会变得易溶，负胶会变得难溶），相当于把光罩图案"投影"到光刻胶上。这一过程需要极其稳定的光源和高精度的光学系统。
显影环节是将曝光后的晶圆浸入显影液中，未曝光的光刻胶被溶解或去除，留下所需的图案 。显影液的选择和显影时间的控制对最终图案的质量有重要影响。
刻蚀步骤则是将光刻胶图案转移到晶圆基底或薄膜层上，形成真正的电路结构 。这一步骤通常使用等离子体刻蚀或湿法刻蚀技术。
光刻机的技术架构主要由光源系统、光学系统、精密机械系统、对准系统和控制系统等几大部分组成。每个系统都包含了多项关键技术，共同确保光刻机能够实现纳米级别的图案转移精度。
1.2 光刻机的关键技术点解析
1.2.1 光源技术：光刻机的"心脏"
光源是光刻机的核心组成部分，决定了光刻的分辨率和效率。不同类型的光刻机使用不同的光源技术，主要包括以下几种：
紫外光源是当前主流光刻机采用的光源类型，主要包括：
- g线(436nm)、i线(365nm)：传统汞灯光源，用于低端光刻机，分辨率大于5μm
- KrF准分子激光(248nm)：波长更短，用于90nm-28nm制程
- ArF准分子激光(193nm)：通过浸没技术可实现28nm-7nm制程
**极紫外光源(EUV)**是目前最先进的光刻机光源技术：
- 波长为13.5nm，可实现7nm以下先进制程
- 产生原理：通过高功率激光轰击锡靶产生等离子体，发出极紫外光
- 技术挑战：光源功率低、稳定性差、真空要求高
光源技术的发展趋势是不断缩短波长、提高功率和稳定性。目前，ASML主要采用美国Cymer公司的二氧化碳激光器激发锡（Sn）等离子体产生13.5nm的极紫外光，能量转换效率达到了5.5% 。而中国在光源技术上也取得了重大突破，2025年4月，中国科学院上海光学精密机械研究所宣布基于固体激光器的LPP-EUV光源技术成功研发，其能量转换效率（CE）达到3.42%，超越荷兰与瑞士团队水平，并接近商用光源效率的一半 。
1.2.2 光学系统：光刻机的"眼睛"
光学系统是光刻机中将掩模版图案投影到晶圆上的关键组件，其精度直接影响光刻质量：
DUV光学系统：
- 主要采用折射式光学设计
- 由多组透镜组成，需要极高的光学加工精度
- 关键指标：数值孔径(NA)，目前最高可达1.35
EUV光学系统：
- 采用全反射式光学设计，避免材料吸收损失
- 由多层膜反射镜组成，反射率要求超过70%
- 关键指标：面形精度达到0.5nm RMS
光学系统的核心挑战在于如何在保持高透光率的同时，将光学误差控制在纳米级别。中国企业在这一领域也取得了显著进展，茂莱光学的28nm DUV光刻机物镜组面形精度已达0.5nm RMS，达到国际领先水平，国内市占率62% 。
1.2.3 精密机械与定位系统：光刻机的"手"
精密机械与定位系统负责精确控制掩模版和晶圆的相对位置，是光刻机实现高精度图案转移的基础：
精密工作台：
- 双工作台技术：实现曝光与准备并行操作，提高生产效率
- 磁悬浮驱动技术：无摩擦、高精度、高速度
- 精度要求：纳米级定位精度，亚纳米级重复定位精度
对准系统：
- 激光干涉仪：用于纳米级位移测量
- 光栅编码器：用于高精度位置反馈
- 对准精度：3σ
中国在精密机械领域也取得了突破，奥普光电为上海微电子提供纳米级干涉仪（定位精度达纳米级），参与EUV光学系统研发 。苏大维格的光刻机定位光栅良率提升至88%，独家供应SMEE光刻机对准系统 。
1.2.4 光刻胶与掩模版：光刻机的"画布"与"模板"
光刻胶和掩模版是光刻工艺中不可或缺的关键材料：
光刻胶：
- 正胶：曝光部分在显影液中被溶解
- 负胶：未曝光部分在显影液中被溶解
- EUV光刻胶要求：高分辨率、低线宽粗糙度、高灵敏度
掩模版：
- 光掩模：用于DUV光刻，由石英基板和不透光铬层组成
- 反射掩模：用于EUV光刻，采用多层膜结构
- 精度要求：图形精度达到设计尺寸的±5%以内
中国在光刻胶领域也有显著进展，彤程新材和南大光电是国内光刻胶领域的代表企业。彤程新材已实现ArF光刻胶出货指标对标国际大厂，具备量产能力 。而南大光电则是国内唯一实现ArF光刻胶(28nm制程)量产企业(2025年)，其电子束光刻胶通过8nm验证，高纯砷烷达到6N级别 。
1.3 光刻机的主要类型与技术演进
光刻机技术经历了从简单到复杂、从低精度到高精度的发展过程，主要包括以下几种类型：
1.3.1 接触/接近式光刻机
接触/接近式光刻机是最早的光刻机类型，目前已基本被淘汰：
- 工作原理：掩模版与晶圆直接接触或接近(约5-50μm)
- 分辨率：大于5μm
- 特点：结构简单、成本低，但掩模寿命短、分辨率低
1.3.2 投影式光刻机
投影式光刻机是目前主流的光刻机类型，分为以下几种：
步进重复光刻机：
- 工作原理：将掩模图案分区域依次投影到晶圆上
- 缩小比例：通常为5:1或4:1
- 特点：精度高、但效率相对较低
步进扫描光刻机：
- 工作原理：掩模和晶圆同步移动，实现连续曝光
- 特点：效率高、一致性好，是目前主流光刻机类型
- 应用范围：从KrF到EUV的多种光刻技术
浸没式光刻机：
- 工作原理：在物镜和晶圆之间填充高折射率液体(如水)
- 特点：有效缩短波长，提高分辨率
- 应用：193nm ArF光刻，可实现28nm-7nm制程
1.3.3 极紫外光刻机(EUV)
EUV光刻机是目前最先进的光刻机类型：
- 工作原理：采用13.5nm极紫外光源，全反射式光学系统
- 特点：分辨率高、但结构复杂、成本极高
- 应用：7nm以下先进制程，是当前芯片制造的核心装备
2025年，全球三大晶圆代工厂计划将High NA EUV技术应用于18埃米制程的量产，此决策关键在于比较单次高NA曝光与标准EUV双重曝光的成本效益，以实现更优的每片晶圆成本 。ASML公布的技术路线图显示，High NA EUV将推动关键尺寸向更小间距迈进，其最新设备已实现稳定曝光和较大焦深，为相关芯片提供支撑 。
1.4 光刻机技术发展趋势与挑战
1.4.1 提高分辨率的技术路径
为了实现更小的制程节点，光刻机技术正沿着以下方向发展：
- 提高数值孔径(NA)：从0.33提升至0.55甚至更高
- 改进光源：提高EUV光源功率，开发新型光源技术
- 多重曝光：通过多次曝光实现更小特征尺寸
- 计算光刻：通过软件算法优化光刻性能
中国在这一领域也取得了重大突破。2025年3月25日，中国科学院成功研发全固态激光深紫外（DUV）光源系统。这项技术不仅攻克了光刻机核心光源的"卡脖子"难题，更以颠覆性创新改写了半导体制造的游戏规则 。这项突破带来三重变革：彻底摆脱稀有气体依赖，设备维护成本直降30%；采用固态激光技术，光源稳定性提升40%；独创的"涡旋光束"技术赋予光刻机"刻写+检测"双功能，在晶圆表面同步完成0.1纳米精度的雕刻与缺陷扫描 。
1.4.2 新型光刻技术探索
除了传统光学光刻技术外，以下新型光刻技术也在探索中：
- 电子束光刻：分辨率高、但速度慢，适用于掩模制造和小批量生产
- 纳米压印光刻：成本低、但精度有限
- X射线光刻：分辨率高，但设备复杂
1.4.3 光刻机国产化的挑战与机遇
中国在光刻机国产化道路上仍面临诸多挑战：
- 技术壁垒高：光刻机涉及光学、机械、材料等多领域尖端技术
- 产业链不完善：核心零部件依赖进口，国产化率低
- 国际竞争激烈：ASML等国际巨头占据主导地位，技术封锁严密
然而，中国在光刻机国产化方面也迎来了重要机遇：
- 政策支持：国家大基金三期重点支持设备国产化
- 市场需求：国内晶圆厂扩产催生大量设备需求
- 技术突破：在光源、光学系统等关键领域取得重要进展
2025年，中国光刻机国产化率已从2020年的7%跃升至32% 。上海微电子的28nm浸没式光刻机已交付首台设备(SSA800/10i)，支持7nm多重曝光工艺，国产化率超70%，成本较ASML低30%，交付周期缩短至4个月，已获中芯国际、华虹宏力订单 。
二、中国光刻机产业链布局分析
2.1 光刻机整机制造环节分析
2.1.1 上海微电子：中国光刻机产业的领军者
上海微电子装备有限公司(SMEE)是中国光刻机领域的龙头企业，成立于2002年，是半导体装备领域的领军企业。经过多年的持续努力与技术积累，上海微电子在光刻机领域成果丰硕 ：
技术实力：
- 先进封装光刻机在全球市场占有率达37%，在中国大陆市场占据85%的主导地位
- LED系列光刻机的全球市场占有率达到55%
- 28nm浸没式光刻机在2025年5月实现量产，光源能量密度提升40%，镜头畸变率压至2nm以内，甚至可支持7nm芯片的多重曝光
产品布局：
- 90nm浸没式光刻机：国内唯一具备量产能力的企业，已实现批量供应
- 28nm DUV光刻机：2023年交付量产，光源能量密度提升40%，镜头畸变率控制在2纳米以内
- 65nm浸没式光刻机：2025年计划交付10台以上，正在加快技术突破
市场表现：
- 占据全球后道光刻机市场37%份额，国内市占率85%，覆盖长电科技、通富微电等封测巨头
- 前道光刻机领域28nm设备进入产线验证阶段
- 2025年上海微电子等中国企业的光刻机出货量预计将突破100台，占全球市场份额的5%左右
上市动态：
- 上海微电子原计划通过科创板IPO上市，但因科创板新规要求上市前三年核心管理层不得变动，而其核心团队刚经历技术攻坚期人事调整不符合要求，因此借壳上市成为最优解
- 市场普遍认为上海电气集团旗下百亿市值公司是最可能的壳资源，核心逻辑包括：同业归核、人事布局等
相关上市公司：
- 张江高科：参股国内唯一高端光刻机整机厂商上海微电子(持股10.78%)，直接受益于其28nm浸没式光刻机2025年量产交付(国产化率超70%)
- 海立股份：为上海微电子封装光刻机提供冷却系统，2025年上半年净利润预增625%-756%，新业务销售显著提升
2.1.2 其他光刻机整机制造企业
除上海微电子外，中国还有多家企业正在布局光刻机整机制造：
芯上微装：
- 专注于后道封装光刻机，全球市占率达到35%
- 2025年8月，第500台步进光刻机完成交付
- 主要客户：盛合晶微等封装企业
卓光芮科技：
- 成立于2025年3月，专注于投影式曝光机研发
- 投资方：联合化学，投资金额1.2亿元
- 技术团队：核心成员曾在ASML等国际光刻机企业任职
AMIES：
- 短短6个月内交付了500台光刻机，占据全球市场35%，国内市场90%份额
- 数据显示，AMIES的光刻机在全球市场占比达35%，在国内市场更是占据了90%的份额
Hyperion系列EUV光刻机：
- 中国自主研发的EUV光刻机将于2025年第三季度进入试生产阶段，采用更简单、更高效的设计方法
- 代号叫Hyperion，工程样机已于2025年投入产线测试，计划在2025年第三季度试产5-3纳米芯片
- 2026年将推出升级版Hyperion-2新技术，完全规避阿斯麦专利封锁
2.2 光刻机关键零部件环节分析
2.2.1 光学系统领域
茂莱光学：
- 核心产品：DUV光刻机曝光物镜系统，单台价值约5000万元
- 技术突破：28nm DUV光刻机物镜组面形精度达0.5nm RMS，国内市占率62%
- 市场地位：上海微电子核心供应商，ASML二线合作方
- 业绩表现：2025年一季度净利润同比增长288.7%，新增光刻机订单超3亿元
- 技术参数：深紫外DUV光学透镜透过率达99.8%，精度比肩蔡司，供货上海微电子单机价值量5000万元，中标ASML合作项目
福晶科技：
- 核心产品：激光晶体，用于光刻机光源系统
- 技术突破：全球唯一量产KBBF晶体(深紫外激光核心材料)，EUV光源用晶体进入中科院验证阶段
- 市场地位：全球LBO/BBO晶体市占率超60%，产品用于光刻机激光光源系统，参与中科院EUV光源研发
- 战略合作：获华为哈勃投资(持股5.2%)，联合研发超快激光模块
- 专利情况：2025年5月9日获得实用新型专利授权"一种波长可调的光隔离器"
波长光电：
- 核心产品：光刻机平行光源系统
- 技术指标：对标德国蔡司，已交付多套系统用于接近式掩膜光刻
- 技术能力：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，国产光刻机平行光源系统供应商，2024年上半年交付多套系统，支持65nm及以下分辨率光刻工艺
腾景科技：
- 核心产品：多波段合分束器
- 市场地位：进入上海微电子供应链，技术适配DUV/EUV光刻机
- 全球市场地位：成为全球光刻机合分束器的龙头企业
2.2.2 精密机械与控制系统领域
奥普光电：
- 核心产品：超精密光栅编码器，定位精度达0.08nm
- 应用领域：SMEE双工件台，替代荷兰ASML的RENISHAW编码器
- 技术突破：与清华大学合作研发光刻机双工作台技术
- 企业背景：中科院长春光机所控股(持股42.4%)，承担国家EUV光刻机光学系统研发，加工500mm口径镜片粗糙度优于0.5纳米，光栅编码器为光刻机运动控制关键，国产替代率超70%
华卓精科(拟上市)：
- 核心产品：光刻机双工作台
- 技术突破：精度达到1.5纳米，打破ASML垄断
- 合作模式：技术授权给新凯来等企业使用
苏大维格：
- 核心产品：光刻机定位光栅部件
- 技术突破：光刻机定位光栅良率提升至88%，独家供应SMEE光刻机对准系统
- 技术指标：定位误差≤1.5nm，打破ASML垄断
- 市场地位：国内唯一量产光刻机定位光栅的企业
新莱应材：
- 核心产品：高端真空与气体管路系统
- 技术突破：超高真空传输系统泄漏率控制达10⁻⁹ Pa·m³/s，国产化率从18%提升至45%
- 订单情况：2025年3月公告显示，光刻机相关订单同比增长120%
- 市场表现：国产光刻机量产预期(2025年测试，2027年量产)驱动需求
2.2.3 光源系统领域
英诺激光：
- 核心产品：激光器和激光解决方案
- 技术特点：覆盖从红外到深紫外的不同波段
- 市场应用：在半导体领域已应用于ABF载板超精密钻孔等市场
科益虹源：
- 核心产品：DUV光源系统
- 市场地位：为上海微电子提供DUV光源
- 技术突破：固态深紫外光源技术，为3纳米制程提供了有力支撑
2.2.4 涂胶显影设备领域
芯源微：
- 核心产品：涂胶显影设备
- 市场地位：国内唯一涂胶显影设备商
- 技术突破：打破国外垄断，填补国内空白
- 产业链地位：光刻前道关键环节，替代空间巨大
2.3.3 特种气体供应商
华特气体：
- 核心产品：光刻用电子级气体
- 技术突破：光刻气产品获ASML子公司Cymer认证
- 市场表现：国内市场占有率超60%，支撑KrF/ArF光源系统
- 产能规划：2025年产能提升至10万吨
凯美特气：
- 核心产品：光刻气
- 技术突破：产品获ASML子公司Cymer认证
- 市场拓展：电子特气国产替代加速
2.4 掩模版环节分析
清溢光电：
- 核心产品：掩模版
- 市场地位：中低端掩模版国产替代第二梯队
- 技术进展：积极向高端掩模版领域拓展
路维光电：
- 核心产品：掩模版
- 市场定位：国内高端掩模版主要供应商之一
- 技术突破：电子束光刻胶良率提升
2.5 其他关键材料领域
菲利华：
- 核心产品：光刻机石英腔体
- 市场地位：全球四大供应商之一
江丰电子：
- 核心产品：溅射靶材
- 市场地位：靶材龙头，客户包括台积电、中芯国际
- 业绩表现：2025年上半年净利润预增53.2%-65.7%
沪硅产业：
- 核心产品：12英寸硅片
- 技术突破：通过光刻验证，替代信越化学
- 市场拓展：积极布局半导体硅片市场
2.6 检测与量测设备领域
精测电子：
- 核心产品：电子束检测设备
- 技术突破：识别3nm缺陷，价格仅为KLA的60%
- 市场优势：性价比高，适用于国产光刻机配套
中微公司：
- 核心产品：刻蚀设备、检测设备
- 技术延伸：从刻蚀设备延伸至检测领域
- 产品替代：等离子去胶机替代Lam
华峰测控：
- 核心产品：半导体测试设备
- 市场地位：测试设备龙头，覆盖光刻工艺参数检测
2.7 辅助设备与服务领域
海立股份：
- 核心产品：冷却系统
- 技术突破：为上海微电子封装光刻机提供冷却系统
- 业绩表现：2025年上半年净利润预增625%-756%
美埃科技：
- 核心产品：半导体洁净室空气净化设备
- 技术壁垒：满足光刻机生产超净环境需求(颗粒物控制
- 市场空间：2025年国内洁净设备市场规模预计突破200亿元
东方嘉盛：
- 核心业务：光刻机保税维修
- 市场突破：国内首个光刻机保税维修中心
- 业绩表现：2024年维修业务营收增长217%
三、中国光刻机产业链对上下游的影响分析
光刻机国产化对先进制程发展具有重要意义：
- 28nm光刻机量产将填补国内成熟制程产能缺口
- 光刻机核心零部件国产化将降低先进制程研发门槛
- 国产EUV光刻机研发进展将为7nm以下工艺提供装备支持
2025年，中国自主研发的极紫外（EUV）光刻机Hyperion-1已迈入试产阶段。这款采用激光诱导放电等离子体（LDP）技术的光刻机，光源效率高达4.5%，远超国际同行ASML的2%水平，成本更是降低了30%。Hyperion-1支持5至3纳米制程，功率达到50W，而下一代产品Hyperion-2更是计划将功率提升至150W，预计于2026年面世 。
3.1.3 提高供应链安全性
光刻机产业链国产化对晶圆制造供应链安全的影响包括：
- 降低对ASML等国际厂商的依赖，减少贸易限制风险
- 国产光刻机配套材料供应体系逐步完善
- 本土设备维护和升级服务能力增强
中芯国际14nm产线已实现40%设备国产化，7nm制程验证量产率突破百分之九十。这背后是北方华创离子注入机、拓荆科技混合件和设备等本土装备的集体突破 。
3.2 对封装测试环节的影响
3.2.1 推动先进封装技术发展
光刻机技术对封装测试环节的影响主要体现在：
- 国产步进光刻机在先进封装领域的应用，促进2.5D/3D封装技术发展
- 光刻精度提升支持更精细的扇出型封装技术
- 国产光刻机降低封装企业设备成本，提高市场竞争力
上海微电子占据全球后道光刻机市场37%份额，国内市占率85%，覆盖长电科技、通富微电等封测巨头 。这将有力推动中国先进封装技术的发展。
3.2.2 优化封装测试产业链布局
光刻机国产化对封装测试产业链的影响包括：
- 芯上微装等企业在封装光刻机领域的突破，完善封装设备供应体系
- 国产光刻胶等材料在封装环节的应用，降低封装材料成本
- 国产检测设备在封装测试中的应用，提高测试效率和精度
3.3 对上游材料与设备供应商的影响
3.3.1 带动关键材料国产化
光刻机产业链布局对上游材料供应商的影响包括：
- 光刻胶材料：彤程新材、南大光电等企业加速国产替代
- 特种气体：华特气体、凯美特气等企业市场份额提升
- 石英材料：菲利华等企业迎来发展机遇
中国光刻胶市场预计要破100亿，全球到2030年更是要达到67亿美元 。在这一背景下，彤程新材和南大光电等企业将迎来巨大发展机遇。
3.3.2 促进关键设备国产化
光刻机产业链布局对上游设备供应商的影响包括：
- 光学系统：茂莱光学、福晶科技等企业技术水平提升
- 精密机械：奥普光电、苏大维格等企业订单增长
- 检测设备：精测电子、中微公司等企业业务拓展
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来源：菜鸟股市成长之路
