半導(dǎo)體光學(xué)系統(tǒng)行業(yè)專題報告：國產(chǎn)超精密光學(xué)未來可期
光學(xué)行業(yè)“掌上明珠”，國產(chǎn)替代空間廣闊
光學(xué)行業(yè)“掌上明珠”，考驗廠商結(jié)合制造能力
工業(yè)級精密光學(xué)元器件制造難度高，應(yīng)用于高科技行業(yè)的關(guān)鍵配套器件。參考茂萊光學(xué)招股說明書的定義，我們根據(jù)精度和用途的不同，可將光學(xué)元器件分為傳統(tǒng)光學(xué)元器件和精密光學(xué)元器件，其中精密光學(xué)元器件根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同可進一步細(xì)分為消費級精密光學(xué)元器件及工業(yè)級精密光學(xué)元器件。工業(yè)級精密光學(xué)元器件主要應(yīng)用于工業(yè)測量、半導(dǎo)體、生命科學(xué)、無人駕駛、生物識別、AR/VR檢測等高科技行業(yè)，對于工藝參數(shù)、技術(shù)性能、應(yīng)用環(huán)境、作用效果等方面要求較為苛刻，對精密加工制造提出了更高的要求。
超精密光學(xué)元件加工技術(shù)考驗制造與系統(tǒng)仿真的結(jié)合能力。生產(chǎn)制造高面形精度、高光潔度、低反射率的光學(xué)元件，廠商需要在光學(xué)設(shè)計、材料選擇、加工工藝和后處理方面具備優(yōu)秀的技術(shù)能力。光學(xué)設(shè)計需要將客戶的需求轉(zhuǎn)化為光學(xué)元件的幾何形狀和光學(xué)特性，并根據(jù)設(shè)計要求選擇適合的材料。在加工和后處理過程中，廠商需要將設(shè)計求轉(zhuǎn)化為加工和表面處理操作，從而達到面形精度、表面光潔度和反射率等技術(shù)參數(shù)。在原有的拋光技術(shù)、鍍膜技術(shù)、膠合技術(shù)和主動裝調(diào)技術(shù)等制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)蔡司官網(wǎng)信息，超精密光學(xué)加工還需要實現(xiàn)復(fù)雜儀器系統(tǒng)設(shè)計及仿真、高端鏡頭優(yōu)化設(shè)計及模擬分析、自動控制及信號采集系統(tǒng)設(shè)計及快速實施、圖像形態(tài)學(xué)/融合/超分辨/頻率域處理等圖像算法等計算機技術(shù)，從而實現(xiàn)超精密光學(xué)元件與系統(tǒng)的設(shè)計與制造。
國產(chǎn)替代空間廣闊，國內(nèi)廠商發(fā)力超精密光學(xué)領(lǐng)域
國內(nèi)超精密光學(xué)廠商設(shè)備依賴進口，不利于國產(chǎn)光學(xué)廠商加工能力長期提升。長期以來，我國超精密光學(xué)行業(yè)關(guān)鍵制造、檢測設(shè)備較依賴進口，國產(chǎn)相關(guān)設(shè)備可靠性較低。根據(jù)《關(guān)于南京茂萊光學(xué)科技股份有限公司首次公開發(fā)行股票并在科創(chuàng)板上市申請文件的審核問詢函之回復(fù)》披露，茂萊光學(xué)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中使用的關(guān)鍵進口設(shè)備包括鍍膜機、干涉儀、拋光機、研磨機、測量儀等，主要來源國家及地區(qū)包括德國、美國、日本、英國、新加坡、韓國、馬來西亞、泰國、中國香港及中國臺灣。雖然絕大多數(shù)制造、檢測設(shè)備已存在國產(chǎn)替代供應(yīng)商，但是部分鍍膜機、磁流變拋光機設(shè)備暫無國產(chǎn)替代選擇。短期看，進口設(shè)備訂單履約較為順利，國內(nèi)超精密光學(xué)廠商可使用進口設(shè)備進行工藝研發(fā)生產(chǎn)。長期看，如果國內(nèi)廠商逐步進入高端光學(xué)領(lǐng)域、國際貿(mào)易摩擦升級，若國內(nèi)不能在關(guān)鍵制造、檢測設(shè)備形成自主可控，或影響國產(chǎn)半導(dǎo)體、生命科學(xué)領(lǐng)域光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展。
國產(chǎn)超精密光學(xué)加工設(shè)備與海外仍有較大差距。我國高端光學(xué)元件超精密制造技術(shù)及裝備，相比國際前沿存在階段性差距，成為制約高端裝備制造業(yè)發(fā)展的重大短板。根據(jù)《高端光學(xué)元件超精密加工技術(shù)與裝備發(fā)展研究（2023）》（作者：蔣莊德，李常勝，孫林等），超精密光學(xué)元件制造的基礎(chǔ)為高端光學(xué)加工機床，目前我國雖初步形成了超精密加工機床自主研發(fā)能力，產(chǎn)品品種基本滿足重點領(lǐng)域需求，但以04專項實施完畢后的狀態(tài)來判斷，我國機床行業(yè)與國際先進水平仍有15年左右的差距，國內(nèi)光學(xué)廠商基本依賴進口超精密光學(xué)加工、檢測設(shè)備及核心零部件。
國內(nèi)已培育出一批在關(guān)鍵設(shè)備及加工領(lǐng)域具備巨大潛力的企業(yè)，我國有望逐步實現(xiàn)超精密光學(xué)元件自主可控。目前，包括4m及以上口徑光學(xué)元件毛坯制造基礎(chǔ)裝備、輕量化及超精密磨削裝備、亞納米級加工裝備、超大口徑光學(xué)元件超精密測量儀器在內(nèi)的高端裝備處于國外禁運狀態(tài)。國內(nèi)企業(yè)已在消費級、工業(yè)級光學(xué)元件領(lǐng)域成長為龍頭企業(yè)，正圍繞超精密光學(xué)元件領(lǐng)域?qū)で笸黄?。?dāng)前國內(nèi)已培育了一批在高端設(shè)備領(lǐng)域基礎(chǔ)良好的企業(yè)，正重點突破全頻譜納米/亞納米級精度創(chuàng)成、近無缺陷高表面完整性加工、超精密機床正向設(shè)計與數(shù)據(jù)資源建構(gòu)、超精密智能機床制造等共性關(guān)鍵技術(shù)，我國有望逐步實現(xiàn)國產(chǎn)光學(xué)元件超精密光學(xué)自主可控。
2026年全球工業(yè)級精密光學(xué)市場有望達到268億元
預(yù)計2026年全球工業(yè)級精密光學(xué)元器件市場規(guī)模達到268億元。根據(jù)弗若斯特沙利文數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)引自茂萊光學(xué)招股說明書），2022年全球工業(yè)級精密光學(xué)市場規(guī)模為159億元，預(yù)計2026年市場規(guī)模將達到268億元，對應(yīng)2022-2026年CAGR為14%。受益于生命科學(xué)、半導(dǎo)體、無人駕駛、生物識別、AR/VR檢測等下游領(lǐng)域的快速發(fā)展，下游客戶對于精密光學(xué)系統(tǒng)提出了更高要求，有望推動精密光學(xué)元器件向工業(yè)級迭代，工業(yè)級精密光學(xué)市場規(guī)模有望持續(xù)增長。
半導(dǎo)體設(shè)備及生命科學(xué)為全球工業(yè)級精密光學(xué)重要細(xì)分應(yīng)用。受益于科研及先進制造行業(yè)快速增長、半導(dǎo)體及生命科學(xué)領(lǐng)域不斷提高精度以及輕量化要求，我們認(rèn)為工業(yè)級精密光學(xué)元器件的重要性有望持續(xù)提升。根據(jù)弗若斯特沙利文數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)引自茂萊光學(xué)招股說明書），在生命科學(xué)領(lǐng)域，工業(yè)級精密光學(xué)產(chǎn)品主要應(yīng)用在基因測序儀、口腔醫(yī)療器械等設(shè)備，且預(yù)計2026年市場規(guī)模將達到53億元，對應(yīng)2022-2026年CAGR為11%；在半導(dǎo)體領(lǐng)域，工業(yè)級精密光學(xué)產(chǎn)品主要應(yīng)用在半導(dǎo)體檢測以及光刻機等高端設(shè)備，預(yù)計2026年市場規(guī)模將達到56億元，對應(yīng)2022-2026年CAGR為12%。
當(dāng)前德國及日本廠商主導(dǎo)工業(yè)級精密光學(xué)市場，2021年中國廠商在半導(dǎo)體市場份額為6%。憑借悠久的歷史傳承、完善的產(chǎn)業(yè)鏈體系以及領(lǐng)先的加工能力，德國及日本擁有一批享譽全球的光學(xué)元器件企業(yè)，包括蔡司、尼康、佳能、Jenoptik、徠卡、奧林巴斯等。作為光學(xué)元器件產(chǎn)業(yè)的“掌上明珠”，生產(chǎn)工業(yè)級精密光學(xué)元器件需要擁有最先進的制造設(shè)備并掌握超精密光學(xué)加工技術(shù)。根據(jù)弗若斯特沙利文數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)引自茂萊光學(xué)招股說明書），2021年蔡司、尼康、佳能、Newport、Jenoptik、徠卡、奧林巴斯等國際巨頭占據(jù)了超過70%的市場份額，在半導(dǎo)體及生命科學(xué)領(lǐng)域的市場份額分別達到80%和70%以上。近年來，隨著國際精密光學(xué)企業(yè)大量在中國設(shè)廠并與國內(nèi)光學(xué)加工企業(yè)建立外協(xié)關(guān)系，國內(nèi)精密光學(xué)企業(yè)抓住了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的機遇，在產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢測等關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)水平逐步縮小與國際廠商的差距，根據(jù)茂萊光學(xué)測算，2021年在半導(dǎo)體和生命科學(xué)領(lǐng)域市場份額分別達到了6%和12%。
貫穿半導(dǎo)體制造全流程，精密光學(xué)系統(tǒng)為“產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)”
半導(dǎo)體制程持續(xù)升級，制造工序及投資均大幅增長
半導(dǎo)體制程進步需開發(fā)更高集成密度工藝，實現(xiàn)難度持續(xù)增大。半個世紀(jì)以來，半導(dǎo)體器件性能的增長率遵循著名的摩爾定律，先進半導(dǎo)體制程已從平面結(jié)構(gòu)發(fā)展至3D結(jié)構(gòu)，晶體管面積不斷縮小，集成電路可容納的晶體管數(shù)目保持約18個月翻倍的規(guī)律。根據(jù)MKS萬機儀器手冊信息，我們可以看到3D NAND架構(gòu)將內(nèi)存單元堆疊以減少總體占用空間；FinFET晶體管使用3D方法制造以減少隧穿效應(yīng)。隨著半導(dǎo)體器件集成度提升，行業(yè)需要使用更為復(fù)雜的制造工藝，對于材料和設(shè)備均提出了更高的要求。
4nm及以下節(jié)點半導(dǎo)體制程工序已增至近千道，每道工序良率需超過99.99%才能保證整體良率達到95%。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)引自《中國集成電路檢測和測試產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新路線圖》（集成電路測試儀器與裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟）），工藝節(jié)點每縮減一代，工藝中產(chǎn)生的致命缺陷數(shù)量會增加50%，每一道工序的良率都要保持在非常高的水平才能保證最終的良品率。根據(jù)中科飛測公告，28nm工藝節(jié)點的工藝步驟有數(shù)百道工序，由于采用多層套刻技術(shù)，14nm及以下節(jié)點工藝步驟增加至近千道工序。當(dāng)工序超過500道時，只有保證每一道工序的良品率都超過99.99%，最終的良品率方可超過95%；當(dāng)單道工序的良品率下降至99.98%時，最終的總良品率會下降至約90%。因此，制造過程中對工藝窗口的挑戰(zhàn)要求幾乎“零缺陷”。
先進制程芯片流片成本快速提升，IBS數(shù)據(jù)顯示每5萬片3nm制程晶圓設(shè)備投資將達到215億元。在摩爾定律的推動下，元器件集成度的大幅提高要求集成電路線寬不斷縮小，導(dǎo)致生產(chǎn)技術(shù)與制造工序愈為復(fù)雜，制造成本呈指數(shù)級上升趨勢。根據(jù)IBS統(tǒng)計（轉(zhuǎn)引自中芯國際招股說明書），隨著技術(shù)節(jié)點的不斷縮小，集成電路制造的設(shè)備投入呈大幅上升的趨勢。以5nm技術(shù)節(jié)點為例，其投資成本高達156億美元，是14nm的兩倍以上，28nm的四倍左右。因此，芯片廠流片成本也出現(xiàn)較大幅度增加，根據(jù)The Information Network數(shù)據(jù)，12nm工藝的流片成本大約在300-500萬美元，5nm工藝流片的成本為4000-5000萬美元；采用2nm工藝流片的成本高達1億美元。
光學(xué)系統(tǒng)貫穿半導(dǎo)體制造全流程，光刻以及量/檢測為半導(dǎo)體設(shè)備重要組成
光刻機和半導(dǎo)體量/檢測為半導(dǎo)體設(shè)備重要組成，設(shè)備升級推動技術(shù)節(jié)點進步。半導(dǎo)體設(shè)備擁有十大類設(shè)備，光刻機和量/檢測設(shè)備為半導(dǎo)體制造重要設(shè)備。根據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，光刻機和半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備占半導(dǎo)體設(shè)備市場比例分別為17%和12%。當(dāng)技術(shù)節(jié)點向5nm及以下升級時，半導(dǎo)體制造工藝出現(xiàn)較大變化，微觀結(jié)構(gòu)及制造工序進一步復(fù)雜帶動工藝設(shè)備以及質(zhì)量控制設(shè)備持續(xù)升級。DUV光刻機受其波長限制，其精度已無法滿足工藝要求，晶圓廠需要采購更為昂貴的EUV光刻機，或采用多重模板工藝，重復(fù)多次薄膜沉積和刻蝕工序以實現(xiàn)更小的線寬，使得薄膜沉積和刻蝕次數(shù)顯著增加，對于良率控制也提出了更高要求。因此，我們認(rèn)為未來晶圓廠需投入更多、更先進的工藝設(shè)備及良率控制設(shè)備。
精密光學(xué)系統(tǒng)為光刻機以及量/檢測設(shè)備重要組成，覆蓋半導(dǎo)體制造全流程。在半導(dǎo)體制造過程中，生產(chǎn)一個合格器件需要數(shù)百道處理步驟，每道工序均需要使用相關(guān)設(shè)備進行制造以及良率控制。根據(jù)KLA（科天半導(dǎo)體），半導(dǎo)體量/檢測基本覆蓋半導(dǎo)體制造全流程，其中量/檢測設(shè)備原理以光學(xué)檢測為主，每道步驟都必須完美執(zhí)行，以避免產(chǎn)生致命缺陷產(chǎn)生。此外，對于半導(dǎo)體器件而言，光刻為結(jié)構(gòu)形成的重要環(huán)節(jié)，光刻系統(tǒng)作為光刻機關(guān)鍵組成直接影響制程、速度以及良率。因此，我們認(rèn)為精密光學(xué)系統(tǒng)對于制造工藝以及良率控制有重大影響，為半導(dǎo)體設(shè)備的核心系統(tǒng)。
光學(xué)系統(tǒng)為光刻機重要組成，蔡司為全球龍頭
半導(dǎo)體工業(yè)“皇冠”，光刻機已升級至EUV
光刻機為芯片生產(chǎn)的核心設(shè)備，直接影響制程工藝節(jié)點。芯片生產(chǎn)主要包括沉積、光刻、蝕刻等7個步驟，其中光刻為實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移功能的核心步驟：負(fù)責(zé)把芯片設(shè)計圖案通過光學(xué)顯影技術(shù)轉(zhuǎn)移到芯片表面，進而實現(xiàn)在半導(dǎo)體晶圓表面制造微小結(jié)構(gòu)。光刻機生產(chǎn)具備高技術(shù)門檻，需要高度精密的物理設(shè)備和嚴(yán)格的控制流程，以達到所需的制造精度。先進制程工藝需要先進的、高分辨率的光刻機進行適配，光刻機直接影響芯片的工藝制程與性能。
相同制程下，EUV較DUV可實現(xiàn)降本增效。EUV單臺價格較高，約為ArFi DUV價格的2倍。根據(jù)ASML公告，當(dāng)前EUV單臺設(shè)備價格約為1.5億美元，而ArFi DUV價格約為0.7億美元。當(dāng)制程進步至7nm以下時，EUV光刻機被引入半導(dǎo)體制造并簡化了一些工藝步驟，為半導(dǎo)體制造成本和效率帶來了較大提升。若使用DUV光刻機，晶圓廠需要使用DUV進行多次曝光才能完成7nm制程的圖形，而EUV僅需一次曝光即可完成，降低曝光次數(shù)可減少不可控畸變，提升芯片的一致性和良率。根據(jù)臺積電數(shù)據(jù)，臺積電首次使用EUV制造7nm芯片的工藝被命名為N7+，與初代N7工藝相比，電路密度可提升15%-20%；相同性能下，功耗可降低15%。
光學(xué)系統(tǒng)為光刻機核心組成，光刻機迭代帶動光學(xué)系統(tǒng)升級
曝光系統(tǒng)為光刻機核心，光學(xué)元件廣泛應(yīng)用于各光刻機系統(tǒng)。根據(jù)中國工程院（轉(zhuǎn)引自前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）信息，一臺EUV光刻機包含了超過10萬個零部件，主要包括照明系統(tǒng)、工作臺系統(tǒng)、曝光系統(tǒng)等，全球供應(yīng)商超過5000家。從光刻機結(jié)構(gòu)看，工業(yè)級超精密光學(xué)元件被反應(yīng)用于光刻機各類子系統(tǒng)，各類反射鏡、透鏡、光柵構(gòu)成了光刻機復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。其中，物鏡系統(tǒng)為光刻機核心組成，關(guān)系到光刻機分辨率以及良率。
回顧光刻機發(fā)展歷史，光學(xué)系統(tǒng)跟隨光源迭代不斷升級。光刻機自誕生以來，光源主要經(jīng)歷了六次升級，波長從436nm提升至13.5nm。蔡司作為全球超精密光學(xué)龍頭，不斷推出新光學(xué)系統(tǒng)以適配光刻機升級。根據(jù)瑞利公式，光刻機發(fā)展需要再降低波長的同時提升數(shù)值孔徑，光學(xué)系統(tǒng)升級為光刻機提升分辨率的重要途徑，與光源系統(tǒng)一同影響光刻技術(shù)的發(fā)展。在發(fā)展至EUV之前，光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑不斷增大，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的鏡片數(shù)量以及體積也持續(xù)增加。隨著光刻機發(fā)展至EUV，13.5nm的EUV光會被透鏡吸收的特點也導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)進入“反射”時代，光學(xué)系統(tǒng)仍為光刻機最重要的組成之一。
DUV光學(xué)系統(tǒng)為透鏡方案，紫外熔融二氧化硅或氟化鈣（CaF2）是DUV透射光學(xué)基板的首選材料。投影物鏡要將照明模組發(fā)射出的一階衍射光收進物鏡內(nèi)，再把掩膜版上的電路圖案縮小，聚焦成像在晶圓上，并且還要補償光學(xué)誤差，所以投影物鏡主要由多枚透鏡組成。由于材料的典型透射率曲線會在200nm以下透射率急劇下降,DUV透鏡系統(tǒng)需要使用特殊材料紫外熔融二氧化硅或氟化鈣（CaF2）涂覆。同時，與DUV波長兼容的拋光化合物和拋光工藝也需要被廣泛研究測試，一些拋光材料/化合物會吸收UV/DUV光，這會影響光學(xué)元件的可靠性和壽命；其他材料可能含有化合物，直接與DUV光反應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)損壞或故障。精密光學(xué)對表面拋光的要求更嚴(yán)格，光學(xué)加工是利用計算機數(shù)控（CNC）、磁流變計算（MRF）、傾斜度研磨（PL）和單點金剛石車削（SPDT）工藝完成。
EUV光學(xué)系統(tǒng)升級為反射系統(tǒng)，掩膜版及物鏡系統(tǒng)均由特殊布拉格反射器構(gòu)成。EUV波長為13.5nm，幾乎被一切材料（包括空氣）吸收，因此EUV光學(xué)系統(tǒng)必須在真空條件下運行，且照明系統(tǒng)和投影物鏡系統(tǒng)僅使用反射光學(xué)元件即可使光從中間焦點傳輸?shù)焦怅?。其中，反射鏡為布拉格反射器，是關(guān)鍵的系統(tǒng)組件，必須具有極低的表面粗糙度（幾個原子）和高精度平面度和曲率。EUV反射鏡表面鍍有Mo/Si多層膜結(jié)構(gòu)，最高有100層堆疊，通過多層膜實現(xiàn)更高的反射效率，ZEISS與Fraunhofer IOF研究所共同研發(fā)獨特的鍍膜系統(tǒng)，使反射率達到70%。由于沒有光學(xué)材料對EUV透明，EUV光刻機使用的掩膜版也必須為反射元件。
光學(xué)系統(tǒng)價值量提升，2025年光刻機光學(xué)系統(tǒng)市場規(guī)模將達到60億美元
光學(xué)系統(tǒng)迭代，EUV鏡片較DUV鏡片價格差距達到8倍。EUV光學(xué)系統(tǒng)由特殊布拉格反射鏡組成，制造工藝復(fù)雜，價格較高。根據(jù)Edmund信息，EUV鏡片相較DUV鏡片單價較高，同等規(guī)格的EUV和DUV鏡片的價格差距達到8倍。隨著先進制程進入3nm時代，EUV光刻機已被頭部晶圓廠大范圍使用，下一代High NA EUV光刻機有望在2025年推出，EUV光學(xué)系統(tǒng)成為趨勢或?qū)⑻嵘鈱W(xué)系統(tǒng)在光刻機當(dāng)中的重要程度。
ASML光刻機包含超過10萬個零部件，光學(xué)系統(tǒng)供應(yīng)商主要來自德國。根據(jù)中國工程院（轉(zhuǎn)引自前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）信息，一臺EUV光刻機包含了超過10萬個零部件，全球供應(yīng)商超過5000家。從光刻機的結(jié)構(gòu)分析來看，美國光源占27%，荷蘭腔體和英國真空占32%，日本材料占27%，德國光學(xué)系統(tǒng)占14%。
EUV升級帶動光刻機市場規(guī)模保持較快增長，2022年光刻機市場規(guī)模177億美元。光刻機市場前三大供應(yīng)商占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額，2017-2022年，三大供應(yīng)商的光刻機營收合計由80億美元增長至177億美元，對應(yīng)CAGR為17%。展望未來，根據(jù)ASML信息，近年來光刻機市場在半導(dǎo)體總市場中的占比持續(xù)提升，且未來該趨勢有望得以延續(xù)，主要考慮到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)近年來快速發(fā)展，先進制程擴產(chǎn)帶來晶圓廠資本開支爬升，設(shè)備支出占比提升有望為光刻機帶來持續(xù)增量，市場規(guī)模保持較快增長。
高端光刻機光學(xué)系統(tǒng)價值量高，2025年全球光刻機光學(xué)系統(tǒng)市場規(guī)模有望達到60億美元。隨著先進制程發(fā)展，EUV光刻機在全球范圍內(nèi)出貨量持續(xù)增加，且下一代High-NA EUV有望在2025年出貨，EUV光刻機市場占有率有望保持增長。由于EUV光學(xué)系統(tǒng)制造難度大，蔡司半導(dǎo)體事業(yè)部獨供的EUV光學(xué)系統(tǒng)價值量遠(yuǎn)超其他類型光刻機光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)重要性日益提升。根據(jù)我們對于全球光刻機出貨量、售價、光學(xué)系統(tǒng)價格占比等因素的預(yù)測，我們估算全球光刻機光學(xué)系統(tǒng)市場規(guī)模有望在2025年達到60億美元，對應(yīng)2022-2025年CAGR為25%。
1）2025年全球光刻機出貨量假設(shè)：根據(jù)ASML預(yù)測，2020-2030年全球半導(dǎo)體市場將保持穩(wěn)定增長，期間CAGR為9%，半導(dǎo)體行業(yè)保持增長將帶動晶圓需求增加，其中，先進制程和成熟制程年均復(fù)合增速較快，預(yù)計分別為12%和6%，晶圓廠需進行擴產(chǎn)以滿足需求增長。因此，我們假設(shè)用于生產(chǎn)先進制程的EUV光刻機以及輔助生產(chǎn)的ArF光刻機市場需求將快速增加，2025年出貨量有望分別達到80臺和280臺。
2）2025年光刻機售價假設(shè)：根據(jù)ASML數(shù)據(jù)，High-NA EUV價格有望達到3.5億美元；通過分析ASML各類型光刻機2018-2022年售價，除EUV光刻機售價保持小幅增長外，其他型號光刻機價格保持穩(wěn)定。我們認(rèn)為全球光刻機行業(yè)為寡頭壟斷市場，價格波動較小，預(yù)計2022-2025年EUV光刻機出貨量進入小幅增長區(qū)間，價格將保持穩(wěn)定，其他各類型光刻機售價將持續(xù)穩(wěn)定。
3）光學(xué)系統(tǒng)占光刻機售價比例假設(shè)：蔡司半導(dǎo)體事業(yè)部主要生產(chǎn)超精密半導(dǎo)體光學(xué)系統(tǒng)，其主要客戶為ASML。根據(jù)ASML以及蔡司公告，2015-2022年蔡司半導(dǎo)體事業(yè)部90%的營收來自ASML，而蔡司半導(dǎo)體事業(yè)部為ASML光刻機光學(xué)系統(tǒng)唯一供應(yīng)商。因此，通過對蔡司半導(dǎo)體事業(yè)部收入以及ASML各光刻機出貨量以及平均售價情況進行分析，我們估算得到各類型光刻機光學(xué)系統(tǒng)占光刻機售價比例的假設(shè)。
國產(chǎn)光刻機光學(xué)系統(tǒng)任重道遠(yuǎn)，蔡司為全球光刻機光學(xué)系統(tǒng)龍頭
蔡司為全球光刻機光學(xué)系統(tǒng)龍頭，2022年市場占有率達到90%。根據(jù)ASML公告，蔡司為ASML光刻機核心光學(xué)系統(tǒng)主要供應(yīng)商，尤其在EUV光刻機領(lǐng)域為唯一供應(yīng)商。2016年，ASML直接以10億歐元投資獲得了蔡司半導(dǎo)體子公司Zeiss SMT 24.9%的股份，與蔡司半導(dǎo)體更是達成了“兩家公司，一項業(yè)務(wù)”的合作原則，共同推動先進光刻機的開發(fā)。因此，在ASML成長為光刻機市場絕對龍頭后，蔡司也成為光刻機光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)先企業(yè)，基于ASML以及蔡司公告，2022年我們測算蔡司在全球市場占有率已達到90%。
國產(chǎn)光刻機光學(xué)元件參數(shù)與蔡司仍有較大差距，國產(chǎn)光刻機光學(xué)系統(tǒng)任重道遠(yuǎn)。我國在光學(xué)領(lǐng)域積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗，在消費級、激光以及光通信領(lǐng)域均具有良好的技術(shù)基礎(chǔ)，但在半導(dǎo)體等工業(yè)級超精密光學(xué)領(lǐng)域，我國距國際一流水平仍有較大差距。目前，長春光機所為國內(nèi)超精密光學(xué)領(lǐng)域的佼佼者，在DUV透鏡系統(tǒng)以及EUV反射鏡系統(tǒng)均取得了一定進展。根據(jù)蔡司、ASML、國科精密和長春光機所官網(wǎng)，國科精密推出的DUV光刻機光學(xué)系統(tǒng)已可滿足90nm工藝節(jié)點，與蔡司DUV光學(xué)系統(tǒng)仍有三代以上的差距；而長春光機所承擔(dān)的國家科技重大專項項目“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”研制的EUV光學(xué)系統(tǒng)面型精度與蔡司仍有較大差距。我國在光刻機光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域與海外仍有較大差距，但近年來國內(nèi)各企業(yè)、研究所已加大半導(dǎo)體光學(xué)研發(fā)力度，技術(shù)能力有望快速提升。
前道光學(xué)檢測設(shè)備為主流方案，光學(xué)系統(tǒng)為重要支撐
良率控制為芯片制造關(guān)鍵，檢/量測貫穿制造全過程
前道制程和先進封裝的質(zhì)量控制可劃分為檢測（Inspection）和量測（Metrology）環(huán)節(jié)。檢測指在晶圓表面上或電路結(jié)構(gòu)中，檢測其是否出現(xiàn)異質(zhì)情況，如顆粒污染、表面劃傷、開短路等對芯片工藝性能具有不良影響的特征性結(jié)構(gòu)缺陷；量測指對被觀測的晶圓電路上的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、關(guān)鍵尺寸、刻蝕深度、表面形貌等物理性參數(shù)的量測。根據(jù)檢測類型的不同，半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備可分為檢測設(shè)備和量測設(shè)備。
檢測+量測環(huán)節(jié)貫穿前道制程和先進封裝全過程，光刻和刻蝕等工藝均需至少7種類型量/檢測設(shè)備。量/檢測設(shè)備主要應(yīng)用于前道制程和先進封裝，基本覆蓋了各子環(huán)節(jié)，是保證芯片生產(chǎn)良率的關(guān)鍵要素之一。根據(jù)VLSI Research數(shù)據(jù)，檢測設(shè)備銷售占比較高，約為62.6%，其中納米圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備為銷售額占比最高的設(shè)備，2020年銷售額為18.9億美元；量測設(shè)備中關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備銷售額占比最高，2020年銷售額為7.8億美元。在前道以及先進封裝的具體工藝當(dāng)中，光刻、刻蝕以及CMP對于檢測和量測設(shè)備需求較高，均需至少7種不同類型的量/檢測設(shè)備。
量/檢測包括三大技術(shù)路線，光學(xué)檢測技術(shù)市場占比超75%
半導(dǎo)體量/檢測包括光學(xué)檢測、電子束檢測和X光量測等技術(shù)。光學(xué)檢測技術(shù)、電子束檢測技術(shù)和X光量測技術(shù)的差異包括檢測精度、檢測速度以及應(yīng)用場景等。光學(xué)檢測技術(shù)在檢測速度方面更具有優(yōu)勢，相同條件下速度可比電子束檢測技術(shù)快1000倍以上。因此，電子束檢測技術(shù)主要應(yīng)用在對吞吐量要求較低的場景，如納米量級尺度缺陷的復(fù)查，部分關(guān)鍵區(qū)域的表面尺度量測以及部分關(guān)鍵區(qū)域的抽檢等。與X光量測技術(shù)相比，光學(xué)檢測技術(shù)的適用范圍更廣，而X光量測技術(shù)主要應(yīng)用于特定金屬成分測量和超薄膜測量等特定的領(lǐng)域，適用場景相對較窄。
應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)的設(shè)備應(yīng)用場景廣泛，2020年市場占比超75%。應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)的設(shè)備可以較好實現(xiàn)精度與速度之間的平衡，并能夠滿足其他技術(shù)所不能實現(xiàn)的功能，如三維形貌測量、光刻套刻測量和多層膜厚測量等應(yīng)用。根據(jù)VLSI Research和QY Research數(shù)據(jù)，2020年全球半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備市場中，應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)、電子束檢測技術(shù)及X光量測技術(shù)的設(shè)備市場份額占比分別為75.2%、18.7%和2.2%，應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)的設(shè)備占比最大。
光學(xué)檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用在量/檢測環(huán)節(jié)，技術(shù)分類豐富。半導(dǎo)體光學(xué)量/檢測設(shè)備適用場景豐富，在半導(dǎo)體先進制程當(dāng)中應(yīng)用廣泛。在檢測環(huán)節(jié)，光學(xué)檢測技術(shù)可進一步分為無圖形晶圓激光掃描檢測技術(shù)、圖形晶圓成像檢測技術(shù)和光刻掩膜板成像檢測技術(shù)。在量測環(huán)節(jié)，光學(xué)檢測技術(shù)基于光的波動性和相干性實現(xiàn)測量遠(yuǎn)小于波長的光學(xué)尺度，集成電路制造和先進封裝環(huán)節(jié)中的量測主要包括三維形貌量測、薄膜膜厚量測、套刻精度量測、關(guān)鍵尺寸量測等。
半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備分辨率持續(xù)提升，2024年配套光學(xué)系統(tǒng)市場規(guī)模有望達到13億美元
半導(dǎo)體制程已向亞納米發(fā)展，推動量/檢測技術(shù)發(fā)展。頭部半導(dǎo)體制造商已將制程提升至3nm工藝，三維FinFET晶體管、3D NAND等新技術(shù)已成為行業(yè)內(nèi)主流工藝技術(shù)。為滿足檢測和量測技術(shù)向高速度、高靈敏度、高準(zhǔn)確度、高重復(fù)性、高性價比的發(fā)展趨勢和要求，行業(yè)內(nèi)通過提升分辨率、提升算法和軟件性能、以及提升設(shè)備吞吐量等方式進行改進，例如增強照明的光強、光譜范圍延展至DUV波段、提高光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑、增加照明和采集的光學(xué)模式、擴大光學(xué)算法和光學(xué)仿真在檢測和量測領(lǐng)域的應(yīng)用等。
光學(xué)系統(tǒng)為半導(dǎo)體光學(xué)檢測設(shè)備重要組成，需滿足高NA低像差。半導(dǎo)體光學(xué)檢測設(shè)備光路設(shè)計較為復(fù)雜，且對于光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量要求較高。以典型的明場光學(xué)缺陷檢測裝備為例，該設(shè)備采用柯勒照明光路將高亮寬譜等離子體光源光束調(diào)制成超均勻、特定光束截面形狀的偏振光束；之后利用高NA低像差的物鏡系統(tǒng)收集硅片結(jié)構(gòu)圖形缺陷引起的散射光，再通過折反混合透鏡組與變焦透鏡組相結(jié)合的成像光路將散射光成像至?xí)r間延遲積分（TDI）相機；最后利用基于片對片的圖像差分處理算法實現(xiàn)缺陷信號的準(zhǔn)確識別。
進入10nm制程以下時代，半導(dǎo)體光學(xué)檢測設(shè)備需升級光源至VUV光。目前，美國KLA公司所開發(fā)的高端K39XX系列和K29XX系列明場光學(xué)缺陷檢測裝備能夠?qū)崿F(xiàn)亞30nm的缺陷檢測靈敏度，并且產(chǎn)率能夠維持1WPH（Wafer Per Hour）36nm，適用于1X nm及以下節(jié)點工藝生產(chǎn)線上的硅片結(jié)構(gòu)圖形缺陷檢測。為了實現(xiàn)先進制程亞納米級缺陷檢測，行業(yè)內(nèi)需針對半導(dǎo)體材料的反射、透射特性對于光路系統(tǒng)進行特殊設(shè)計。根據(jù)KLA Workshop信息，KLA采用LSP光源技術(shù)以達到納米級缺陷檢測，其中光學(xué)系統(tǒng)與EUV光刻機類似，需使用超精密光學(xué)加工的反射鏡進行光路設(shè)計。因此，我們認(rèn)為隨著納米級缺陷檢測需求增加，設(shè)備需采用超精密光學(xué)加工技術(shù)的反射鏡替代部分透鏡，光路系統(tǒng)設(shè)計也將更為復(fù)雜，總體看光學(xué)系統(tǒng)價值量占比有望提升。
半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)價值量提升，我們預(yù)計2024年全球半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)市場規(guī)模有望達到13億美元。隨著先進制程發(fā)展，10nm以下制程節(jié)點快速發(fā)展，先進制程所需的半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備對于精度以及吞吐量有較高要求。以全球半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備龍頭KLA為例，KLA為了適應(yīng)10nm以下工藝節(jié)點缺陷推出了寬光譜DUV連續(xù)激光光學(xué)檢測系統(tǒng)，其對于光學(xué)系統(tǒng)提出了更高要求。根據(jù)我們對于全球半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備市場規(guī)模、光學(xué)系統(tǒng)價值量占比等因素的預(yù)測，我們認(rèn)為全球半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備配套的光學(xué)系統(tǒng)市場規(guī)模有望在2024年達到13億美元。
1）2023-2024年全球半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備市場規(guī)模假設(shè)：隨著制程越來越先進、工藝環(huán)節(jié)不斷增加，量/檢測設(shè)備市場規(guī)模有望穩(wěn)定增長。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2021年晶圓制造設(shè)備投資中量/檢測設(shè)備占比約為11%。根據(jù)Gartner以及SEMI預(yù)測數(shù)據(jù)，2024年全球晶圓制造設(shè)備市場規(guī)模將達到1000億美元。近年來，半導(dǎo)體制造所需的主要設(shè)備未發(fā)生重大變化，我們認(rèn)為半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備在半導(dǎo)體設(shè)備市場占比有望保持為11%，預(yù)計2024年全球半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備市場規(guī)模為125億美元。
2）2024年配套光學(xué)系統(tǒng)價值量占比假設(shè)：根據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，2018-2022年全球半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備市場規(guī)模保持穩(wěn)定增長，2022年市場規(guī)模高達135億美元。根據(jù)中科飛測招股說明書信息，2019-2021年中科飛測半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備光學(xué)類原材料平均每年為總采購成本的35.5%。其中，除激光光源、相機、鏡頭以及傳感器等零部件外，光學(xué)元器件占比約為光學(xué)類原材料的60%。通過以上數(shù)據(jù)，我們測算量/檢測設(shè)備配套光學(xué)系統(tǒng)約占設(shè)備價值量的10%。目前，國產(chǎn)半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備制造水平處于行業(yè)中游，設(shè)備成本拆分具備參考性，我們認(rèn)為10%的假設(shè)具有一定合理性。
半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備國產(chǎn)替代正當(dāng)時，光學(xué)元件替代空間廣闊
KLA市占率超50%，設(shè)備國產(chǎn)化率有望加速提升。根據(jù)VLSI Research和QY Research數(shù)據(jù)，全球半導(dǎo)體檢/量測設(shè)備市場集中度較高，2020年KLA占據(jù)全球50%以上的市場份額，其他檢/量測設(shè)備廠商還包括應(yīng)用材料、日立、雷泰光電等。2020年全球前五大廠商均來自美國和日本，占據(jù)了超過82%的市場份額；國內(nèi)市場也由美國和日本廠商壟斷，前五大廠商占據(jù)了超過78%的市場份額。目前，中國大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈處于高速發(fā)展期，從上游原材料到終端晶圓代工都有較大的技術(shù)突破。中國大陸檢/量測設(shè)備廠商在制程技術(shù)以及產(chǎn)品線均取得了一定突破，未來國產(chǎn)化率有望加速提升。
國內(nèi)供應(yīng)商一定具備供應(yīng)能力，茂萊光學(xué)半導(dǎo)體檢測光學(xué)營收快速增長。在半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備領(lǐng)域，以茂萊光學(xué)為代表的國內(nèi)頭部光學(xué)廠商已初步具備向行業(yè)頭部客戶供應(yīng)相關(guān)光學(xué)模組的能力。根據(jù)茂萊光學(xué)招股說明書信息，茂萊光學(xué)已為Camtek、KLA等全球知名半導(dǎo)體檢測裝備商研制半導(dǎo)體檢測光學(xué)模組，但目前相關(guān)市場仍被Newport、蔡司、Zygo、Jenoptik等海外光學(xué)廠商主導(dǎo)。我們認(rèn)為半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)加工難度較光刻機更小，國內(nèi)廠商在初步掌握工藝后有望較快提升份額，2019-22H1茂萊光學(xué)半導(dǎo)體量/檢測光學(xué)營收保持較快增長，2021年營收已達到8052萬元。
導(dǎo)體光學(xué)系統(tǒng)行業(yè)專題報告：國產(chǎn)超精密光學(xué)未來可期，傳統(tǒng)光學(xué)元器件和精密光學(xué)元器件
11-17-2023
