推动半导体产业延续基石——光刻机国产替代正加速

2026-03-20 09:19

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光刻机技术壁垒高，三巨头长期主导

光刻环节位于晶圆制造流程的核心位置，是实现电路图案转移的起点环节。在前段工艺中，晶圆需经过反复的沉积、光刻、刻蚀与离子注入等步骤，光刻负责将电路设计图案精确投射到硅片表面，并通过后续刻蚀形成纳米级器件结构。作为贯穿各制程的关键工序，光刻需多次重复，直接决定了器件尺寸、线宽与集成度。

根据观研报告网发布的《中国光刻机‌行业发展趋势研究与未来前景分析报告（2026-2033年）》显示，光刻是利用光化学反应原理，将掩模版上的电路图形转印到硅片衬底上的过程。该过程通常包括涂胶、曝光和显影三大环节：首先在硅片表面旋涂一层光刻胶，并过预烘提高附着力；随后在光刻机内将掩模图案与晶圆对准，光源经投影光学系统聚到光刻胶层，使曝光区域发生光化学反应并改变其溶解性能；最后在显影液作用下去除指定区域的光刻胶，形成所需的图案轮廓。所得光刻胶结构将作为抗蚀层，用于指导后刻蚀、离子注入等工序。

光刻工艺原理

<strong>光刻工艺原理</strong>

资料来源：bits-chips、观研天下数据中心整理

根据所使用的光源的方案，光刻机经历了5代产品的迭代，每次光源的改进都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。光刻技术的进步使得器件的特征尺寸不断减小，芯片的集成度和性能不断提高。在摩尔定律的引领下,光学光刻技术经历了接触/接近、等倍投影、缩小步进投影、步进扫描投影等曝光方式的变革。曝光光源的波长由436纳米（g线）,365纳米(i线),发展到248纳米(KrF)，再到193纳米(ArF)。技术节点从1978年的1.5微米、1微米、0.5微米、90纳米、45纳米，一直到目前持续推进。

光刻机迭代历史

代数	光源类型	波长(nm)	最小工艺节点(nm)	工艺原理
第一代	g-line	436	800-250	接触式光刻机
				接近式光刻机
第二代	i-line	365	800-250	接触式光刻机
				接近式光刻机
第三代	KrF	248	180-130	扫描投影式光刻机
第四代	ArF	193	130-65	步进扫描投影光刻机
			45-22	浸没式步进扫描投影光刻机
第五代	EUV	13.5	22-7	极紫外光刻机

资料来源：观研天下数据中心整理

光刻机技术等级和经济性的主要指标有分辨率、套刻精度、产率和焦深，其中，1）分辨率是指光刻能够将掩模版上的电路图形在衬底面光刻胶上转印的最小极限特征尺寸（CD）；2）套刻精度是描述在非理想情况下，前一层电路图案与当前层电路图案套准偏移的参数；3）产率是指光刻机单位时间处理的衬底片数，决定设备的经济性能；4）焦深是指光刻机能够清晰成像的范围。

ASML机型分辨率、曝光波长、数值孔径及工艺因子对应关系

分辨率R	年份	机型	曝光波长λ	数值孔径NA	工艺因子k1
1.4μm	1978	GCA4800	436nm	0.28	0.9
0.7μm	1987	PAS2500/40	365nm	0.4	0.77
250nm	1995	PAS5500/300	248nm	0.57	0.57
220nm	1997	PAS5500/500	248nm	0.63	0.56
100nm	2000	PAS5500/1100	193nm	0.75	0.39
58nm	2004	TWINSCANXT:1400	193nm	0.93	0.28
38nm	2007	TWINSCANXT1900i	193nm	1.35	0.27
27nm	2010	NXE3100	13.5nm	0.25	0.5
18nm	2012	NXE3300	13.5nm	0.33	0.44
13nm	2017	NXE3400	13.5nm	0.33	0.32
8nm	2020	NXEHighNA	13.5nm	0.55	0.32

资料来源：观研天下数据中心整理

光刻机被誉为“超精密装备的珠穆朗玛峰”，整机由数十个子系统、数以万计零部件协同运作，包括自动对准、调焦调平、传输搬运、环境控制及整机控制等模块。其中，曝光光源系统、光学系统与工件台是整机性能的三大核心部件，直接决定分辨率、成像精度与产能水平。

光刻机核心组成部分

核心组成部分		用途
光源系统		负责发出特定波长的光，以照射掩模并完成图案转移。光源是光刻机的“心脏”,其性能直接决定图案分辨率。目前主要有DUV和EUV两类光源
光学系统	照明系统	用于将光源发出的光均匀地照射到掩模上，确保图案转移的均匀性和一致性。它包括一系列透镜、反射镜和整形器件，可以控制光的角度、照度和相干性
	投影物镜系统	核心光学组件，用于将掩模图案按比例(如4:1或5:1)缩小后精确投影到硅片上，通常由十几片超高精度镜片构成，对像差、光斑尺寸、焦深等参数要求极其严格
掩模台		用于固定光罩，并与投影物镜保持稳定的光学对位。掩模上刻有芯片的图案，是图案来源的模板。掩模台需具备亚纳米级的平移和倾斜调整能力，确保图案准确投影
晶圆台(工作台)		用于固定并移动硅片，使其每一块芯片区域逐个接受曝光。晶圆台的运行精度要控制在几纳米甚至亚纳米级，移动速度要与曝光节奏高度同步
对准系统		用于确保掩模图案与硅片已有图案精确叠加(Overlay)。这套系统一般通过激光干涉仪、干涉测量镜头等实现精准坐标定位和实时校正
控制系统与软件平台		系统由多个嵌入式控制器、工业计算机、图像识别模块和AI算法组成，软件平台适配不同制程要求，协调管理包括运动控制、光强调整、曝光时间设定、图像对焦、自动校准等任务
环境控制系统		确保洁净室洁净度达10级甚至更高，包括温湿度控制系统(温度稳定在±0.01°C);振动隔离系统(避免亚纳米级的机械干扰);空气净化与正压保持系统(防止尘粒影响光学性能);EUV光刻中还需在真空环境下运行
其他辅助系统	动上下片系统	负责实现硅片的自动加载与卸载
	成像检测系统	负责实时监控图像质量与曝光一致性
	故障检测与报警系统	负责确保高可靠性运行

资料来源：观研天下数据中心整理

全球光刻机市场格局稳定，三巨头长期寡头主导。ASML、Canon与Nikon长期分列全球市场份额1至3名。2024年全球集成电路用光刻机合计出货约683台，其中ASML/Canon/Nikon分别为418/233/32台，对应市占率约61.2%/34.1%/4.7%。2025年ASML全年销量327台，相比2024年下滑21%。尼康与佳能暂未公布2025年光刻机准确出货数据，但从两家财报预测中可大致推算。其中，尼康2025年4-9月半导体光刻机销量为9台，低于去年同期的10台；同时，尼康将本年度销量目标从上调前的34台下修至29台，略高于2024年的28台。

资料来源：观研天下数据中心整理

中国大陆是全球产能扩张最积极的地区之一，2024年产能同比增长15%至月产885万片晶圆，增量主要来自18座新建晶圆厂投产，单一地区贡献了当年全球6%的产能扩张。虽然我国半导体产量规模较大，但半导体设备国产化较低，严重影响国内半导体产业发展。目前光刻机国产化率不足1%，是半导体设备中国产化程度最低的环节。

主要半导体设备海内外品牌及国产化率

类别	外资品牌	国产品牌	国产化率
去胶设备	日立先端(日)、拉姆研究(美)等	屹唐半导体、浙江宇谦、上海稷以等	≥80%
清洗设备	迪恩士、TEL(日)、拉姆研究(美)等	北方华创、中国电科、盛美上海、至纯科技、芯源微等	50%-60%
刻蚀设备	应用材料(美)、拉姆研究(美)、TEL(日)等	中微公司、北方华创、嘉芯半导体、屹唐半导体、中国电科、嘉芯闵扬等	55%-65%
热处理设备	ASM国际(荷兰)、应用材料(美)、拉姆研究(美)、TEL(日)等	北方华创、盛美上海、嘉芯半导体、嘉芯闵扬等	30%-40%
PVD设备	ASM国际(荷兰)、应用材料(美)、拉姆研究(美)、TEL(日)等	北方华创、嘉芯半导体等	10%-20%
CVDALD设备	ASM国际(荷兰)、应用材料(美)、拉姆研究(美)、TEL(日)等	北方华创、晶盛机电、中微公司、盛美上海、拓荆科技、嘉芯半导体等	5%-10%
CMP设备	DuPont(美)、ThomasWest(美)、JSR(日)等	盛美上海、华海清科、中国电科、鼎龙控股、烁科精微等	30%-40%
涂胶显影设备	Dow(美)、JSR(日)、TOKAmerica(美)等	盛美上海、芯源微等	5%-10%
离子注入设备	应用材料(美)、Axcelis(美)等	凯世通、中国电科、烁科中科信等	10%-20%
量测设备	KLA(美)、圣德科控股(日)等	上海微电子、中科飞测、精测电子等	1%-10%
光刻机	ASML(荷兰)、Canon(日)、Nikon(日)等	上海微电子、中国电科等	0%-1%

资料来源：观研天下数据中心整理

美日产业封锁，光刻机国产化替代越发迫切

全球先进半导体设备基本上被美国、日本和荷兰所垄断，特别是在光刻机领域，荷兰的ASML、日本的Nikon和Canon三家巨头基本统治了全球光刻机市场。而国内光刻机由于进度较为落后，高精尖设备主要依赖进口，而美国早在2018年就开始施压对华高端光刻机的出口，之后又陆续出台“1007新规”等针对政策，限制对中国出口先进制程芯片设备，同时联合日本荷兰制定相关出口条例共同对华进行产业封锁，在美日荷对中国芯片产业封锁不断升级的情况下，以光刻机为代表的卡脖子设备，其国产化替代越发迫切。

近年来海外对华半导体政策出台一系列限制措施

时间	国家	具体管制情况
2022年4月	美国	美国政府提议与韩国、日本、中国台湾地区建立“芯片四方联盟”(CHIP4),试图将中国大陆排除在全球半导体供应链联盟之外。
2022年7月	美国	美国商务部禁止ASML、应用材料等企业向中国出口14nm及以下先进制程设备，并限制美国公民参与中国芯片研发。
2023年1月	美日荷	美日荷秘密达成三方协议，限制向中国出口DUV光刻机及零部件。荷兰ASML随后停止向中国出口部分DUV设备。
2023年1月	日本	日本宣布自2023年7月起，对23种先进半导体制造设备实施出口管制，包括光掩模镀膜设备、光掩模检测设备、光刻步进器以及符合氩氟化物(ArF)DUV性能标准或更高水平的扫描仪设备等。
2024年9月	美国	美国商务部更新量子计算与半导体出口管制，限制中国获取先进光刻机。
2025年1月	美国	发布“全球AI管控新规”,将全球国家分为三级管控区，中国被列为最高风险等级，全面禁止Al芯片和模型对华出口。
2025年5月	美国	BIS向Synopsys、Cadence和西门子EDA这三家全球前三的EDA厂商发出通知，要求他们停止向中国提供服务。

资料来源：观研天下数据中心整理

1966年，中国成功制造出第一台接触式光刻机，90年代初期，国内光刻机设计制造一直停滞不前，国内的光刻机仍然主要依赖进口。2002年，光刻机被正式列入“863重大科技攻关计划”，同时上海微电子装备有限公司成立，并于2007年宣布研制出90nm工艺的分布式投影光刻机。2008年国家成立“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”（02专项），在02专项的支持下，一批相关企业和科研机构在曝光光学系统、双工件台、光刻胶等关键技术和零部件方面取得了突破。

我国光刻机国产化历程

年份	事件
1966	中科院109厂与上海光学仪器厂协作，研制成功我国第一台65型接触式光刻机，由上海无线电专用设备厂进行生产并向全国推广
1977	中国第一台GK-3型半自动接触式光刻机诞生，1980年JK-1型接近式光刻机完成所级鉴定，1981年完成第二阶段工艺试验，并进行模拟4K和16K动态随机贮器器件的工艺考核试验
1980	清华大学研制出分布式投影光刻机，精度3μm
1981	上海光学机械厂研制的JKG-3型光刻机通过鉴定与设计定型，是我国第一代半自动接近式光刻机
1985	中电科45所研制出g线1.5μm分步式投影光刻机
1985	中电科45所成功研制出BG-101分步光刻机，当年年底通过部级技术鉴定，该机的主要性能指标接近或达到美国GCA公司4800DSW系统的水平
1994	中电科45所研制出g线0.8μm分步式投影光刻机
1991	中科院光电所研制出分辨率1μm同步辐射X-射线光刻机等
2002	光刻机被列入“863重大科技攻关计划”,其中，上海微电子是攻关项目主体承担企业，中电科45所原分布式投影光刻机研发团队整体迁至上海参与其中
2002	在科技部和上海市政府牵头下，国内多家科技企业共同组建上海微电子(SMEE),承担“十五”光刻机攻关项目，其中重点研发的是100nm步进式扫描投影光刻机
2007	上海微电子成功研发365nm波长的DUV分布式投影光刻机，可用于90nm芯片制程的生产
2008	国家成立“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”(02专项),总体目标是开展集成电路制造装备、成套工艺和材料技术攻关，掌握核心技术，开发关键产品
2009	上海微电子首台先进封装光刻机产品SSB500/10A交付用户
2016	“光刻机双工件台系统样机研发”项目成功通过验收
	我国首套NA0.75光刻投影物镜实现交付
	上海微电子首台暨国内首台前道扫描光刻机交付用户
2017	上海微电子承担的02专项“浸没光刻机关键技术预研项目”通过正式验收
	我国首套NA0.75光刻照明系统实现交付
	国产90nmArF光刻机曝光光学系统(长春和上海的两个团队共同负责)首次曝光成功
	长春光机牵头的“极紫外光刻关键技术研究”项目通过验收
2018	上海微电子90nm光刻机项目通过正式验收
	北京科益虹源自主研发设计生产的首台高能准分子激光器顺利通过出厂验收
	国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收，该光刻机由中科院光电技术研究所研制，光刻分辨力达22nm,结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10nm级芯片，为光学超材料/超表面、第三代光学器件、传感芯片等纳米光学加工提供了全新的解决途径
2025	哈工大宣布，放电等离子体(DPP)EUV光源技术取得成功，并成功进入成果转化阶段