半導體光學係統行業專題報告：國產超精密光（guāng）學未來可期
　　光學行業“掌上明珠”，國產替代空間廣闊
　　光學行業“掌上明珠”，考驗廠商結合製造能力
　　工業級精密光學元器件製造難度高，應用於高（gāo）科技行業（yè）的關鍵配套器件（jiàn）。參考茂萊光（guāng）學招股說明書的（de）定義，我們根據精（jīng）度和用途的不同（tóng），可將光學元器（qì）件分為傳統光學元器件和精密光學元器件，其中精密光學元器件根據應（yīng）用領（lǐng）域的不同可進一步細分為消費級精密光學元（yuán）器件及工業級精密光學元器件。工業（yè）級精（jīng）密光學元器件主要應用於工業測量、半導體、生命科學（xué）、無人駕駛、生物（wù）識別、AR/VR檢測等高科（kē）技（jì）行業，對於工藝參數、技術性能、應用環境、作用效果等方麵要求較為苛刻，對精（jīng）密加工製造提出了（le）更高的要（yào）求。
　　超精密（mì）光學元件加工技術考驗製造與係統仿真的結合能力。生產製造高麵形精度、高光（guāng）潔度、低反射率的光學元件，廠商需要在光學設計、材料選擇、加工工藝和後處理方麵具備優秀的技術能力。光學設計需（xū）要將客戶（hù）的需求轉化為光學元件的幾何形狀和光學特性，並根據（jù）設計要求選擇適合的材料。在加工（gōng）和後處理過程中，廠商需要將設計求轉化為加工和（hé）表麵（miàn）處理操作，從而達到麵形精度、表（biǎo）麵光潔度和反射率等技術（shù）參數。在原有的拋光技術、鍍膜技（jì）術、膠合技術和主動裝調技（jì）術等製造技術的（de）基礎上，根據蔡司官網信息，超精密光學加工（gōng）還需要實現複雜儀器（qì）係統設計及仿真、高（gāo）端鏡頭優化設計及模擬分析、自動（dòng）控製及信號采集係統設計（jì）及（jí）快速實（shí）施、圖像形態學/融合/超分辨/頻率域（yù）處理等圖像算法等計算機技術，從而實現超精密（mì）光學元件與係統的設計與製造。
　　國（guó）產替代空間廣闊，國內廠商發力超精密光學領域
　　國內超精密光學廠商設備依賴進口，不利於國產光學廠商加（jiā）工（gōng）能力長期提升（shēng）。長期（qī）以來，我國超精密光（guāng）學（xué）行業關鍵製造、檢測設備較依賴（lài）進口，國產相關設備可靠性較低（dī）。根據《關於南京茂萊光學科技股份（fèn）有（yǒu）限公司首次（cì）公開發行股票並在科創板上市申請（qǐng）文件的審核問詢函之回複》披露，茂萊光學在生產環節中使用的關鍵進口設備包括鍍膜機、幹涉儀、拋光機、研磨機、測（cè）量儀等，主要來源國家及地區包括德國、美國、日本、英國、新加坡、韓國、馬來西亞、泰國、中國香港及中國台灣。雖然絕大多（duō）數製造、檢測設備已（yǐ）存在國產替代供應商，但是部分（fèn）鍍（dù）膜機、磁流變拋光機設備（bèi）暫無國產替代選擇。短（duǎn）期看，進口設備訂單履約較為（wéi）順利，國（guó）內（nèi）超精密光學廠（chǎng）商可使用進口設（shè）備進行工藝研發（fā）生產。長期看（kàn），如果國（guó）內廠商（shāng）逐步進入高端光學（xué）領域、國際貿易（yì）摩擦升級，若國內不能在關鍵製造、檢測（cè）設備形成自主可控，或（huò）影響國產半導體、生命科學領域光學係統發展。
　　國產超精密（mì）光學加工設備（bèi）與（yǔ）海外仍有較大差距。我國（guó）高端（duān）光學元件超精（jīng）密（mì）製造技術及裝備，相比國（guó）際前沿存在階（jiē）段性差距，成為製（zhì）約高端裝備（bèi）製造業發展的重大短板。根據《高端光學元件超精密加工技術與（yǔ）裝備發展研究（2023）》（作者：蔣莊德，李常勝，孫林等），超精密光學元件製造的基（jī）礎為高端光學加工機床，目前我國雖（suī）初步形成（chéng）了超精密（mì）加工機（jī）床自（zì）主研發能力（lì），產品品種基本滿足重點領域需求，但以04專項實施完畢後的狀態來判斷，我國機床（chuáng）行業與國際先進水平仍有15年左右的差距，國內光學廠商基本依賴進口超精密光學（xué）加工、檢測設備（bèi）及核心零部（bù）件。
　　國內已培育出一批（pī）在關鍵設備及（jí）加工領域具備巨大潛力的企業，我國有望逐步實現超精密光學元件（jiàn）自（zì）主可控。目前，包括4m及以（yǐ）上（shàng）口徑光（guāng）學元（yuán）件毛坯製造基（jī）礎（chǔ）裝（zhuāng）備、輕量化及超精密（mì）磨削（xuē）裝備、亞納米級加工裝備、超大口徑光學元件超精密測量儀器在內（nèi）的高端裝備處於國外禁運狀態。國（guó）內（nèi）企業已在消（xiāo）費級、工業級光學元件領域成長為龍頭企業（yè），正圍（wéi）繞超精密光學元件領域尋求突破。當前國內已培（péi）育了一批（pī）在高端設備領（lǐng）域基礎（chǔ）良好的企業，正重點突破全頻譜納米/亞納米級精（jīng）度創（chuàng）成、近無缺陷高表麵完整性加工、超精密機床正（zhèng）向設計與數據資源建構、超精密智能機床製造等共性關鍵技術，我國有望逐步實現國（guó）產光學元件超精（jīng）密光學（xué）自主可控。
　　2026年全球工（gōng）業級精密光學市場有望達到268億元
　　預計2026年全球工（gōng）業級精密光學元器件市場規模達（dá）到268億（yì）元。根據弗若斯特（tè）沙利文（wén）數據（轉引自茂萊光學招（zhāo）股說（shuō）明書），2022年全球工業級（jí）精密光學市場規模為159億元，預計2026年市（shì）場規模將達到268億元（yuán），對應2022-2026年（nián）CAGR為14%。受（shòu）益於生命科學、半導體、無人駕駛、生（shēng）物識別、AR/VR檢測等下遊領域的快速發展，下遊客戶對於精密光學係統提出了更高（gāo）要求，有望推動精密光學元器件（jiàn）向工業級迭代，工業級（jí）精密光學市場規模有望持續增長。
　　半導體設備及生命科學為全球工業級精密光學重要細（xì）分應用。受（shòu）益於科研及先（xiān）進（jìn）製造行業快速（sù）增（zēng）長、半導體及生命（mìng）科學領域不斷提高（gāo）精度以及輕量化要求，我們認為工業級精密光（guāng）學元器件的重要性有望持續提升。根據弗若斯（sī）特沙（shā）利文數據（jù）（轉引自茂萊光（guāng）學招股說明書），在生（shēng）命科學領域，工業級精密光學產品主要應用在基因測序儀、口（kǒu）腔醫療器（qì）械等設備（bèi），且預（yù）計2026年市場規模將達到（dào）53億（yì）元，對應2022-2026年CAGR為11%；在半導體領域，工業級精密光學產品主要應用在半導體檢（jiǎn）測以及光刻機（jī）等（děng）高端設（shè）備，預計2026年市場規模將（jiāng）達到56億元，對應2022-2026年CAGR為12%。
　　當前德國及（jí）日本廠商主導工（gōng）業（yè）級精密光（guāng）學市場，2021年中國廠商在半導體市（shì）場份額為6%。憑借悠久的曆史傳承、完善的產業鏈（liàn）體係以及領先的（de）加工能（néng）力，德國及日（rì）本擁有一批享譽全（quán）球的光學元（yuán）器件企業，包括蔡司、尼康、佳能、Jenoptik、徠卡、奧林巴斯（sī）等。作為光學元器件產（chǎn）業的“掌上明（míng）珠”，生（shēng）產工業級精密光學元器件需要（yào）擁有最先進的製造設備並掌握超精密（mì）光學加工技術。根（gēn）據弗若斯特沙利文（wén）數據（轉引自茂萊光學招股說明書），2021年蔡司、尼康、佳能、Newport、Jenoptik、徠卡（kǎ）、奧林巴斯等國際巨頭占據了超過70%的市場份額，在半導體及生命（mìng）科學領域的市（shì）場份額（é）分別達到80%和70%以上。近年來（lái），隨著國際精密光學企業（yè）大量在中國設廠並與國內光學加工企業建立（lì）外協關係，國內精密光學企業抓住了產業轉移的機遇，在產品設計、製造、檢（jiǎn）測等關鍵環節技術水平逐步（bù）縮小與國際廠商（shāng）的差距，根據茂萊光學測（cè）算，2021年在半導體（tǐ）和生命科學領域市場份額分別達到了6%和12%。
　　貫穿半導體製造全流程，精密光（guāng）學係統（tǒng）為（wéi）“產業基礎”
　　半導體製程持續（xù）升級，製造工序及投資均（jun1）大幅增長
　　半導體（tǐ）製程進步需開（kāi）發更高（gāo）集成密度工藝，實現難度持續增大。半個世紀以來，半導體器（qì）件性能的增長率遵循著名的（de）摩爾定律，先進（jìn）半導體製程已從平麵結（jié）構發展至3D結構，晶體管麵積（jī）不斷縮小，集成電（diàn）路可容納的晶體管數目保持約18個月翻倍的規律。根據MKS萬機儀（yí）器手冊信息，我們可以看到3D NAND架構將內存單元（yuán）堆疊以減少總體（tǐ）占用空間；FinFET晶（jīng）體管使（shǐ）用3D方法製造以減（jiǎn）少隧穿效（xiào）應。隨著半（bàn）導體（tǐ）器件集成度提升，行業需要使用（yòng）更為（wéi）複雜的製造工藝，對於材料和設備均提出（chū）了更高的要求。
　　4nm及（jí）以下節點（diǎn）半導體（tǐ）製程工序已增至近千道，每道工序良率需超過99.99%才能保（bǎo）證整體良率達到95%。根據Yole數據（轉引（yǐn）自《中國（guó）集成電路檢測和測（cè）試產業（yè）技術（shù）創新路線圖》（集成電路測試儀（yí）器（qì）與裝（zhuāng）備產業技術創新聯盟）），工藝節點每縮減一代，工藝中產生的致命缺陷數量會（huì）增加（jiā）50%，每一道工序（xù）的良率都要保持在非常高的水平（píng）才能保證最終的（de）良品率。根據中科飛測公告，28nm工藝節（jiē）點的工藝步驟有數百道工序，由於采用多層套刻技（jì）術，14nm及以下節點工藝步驟（zhòu）增加至（zhì）近千道工序。當工序超過（guò）500道時，隻有保證每一道工序的良品率都（dōu）超過99.99%，最終（zhōng）的良品（pǐn）率方可超過95%；當單道工序的良品（pǐn）率下降至99.98%時，最終的總良（liáng）品率（lǜ）會下降至約（yuē）90%。因此，製（zhì）造過程中對工藝窗口的挑戰（zhàn）要求幾乎“零缺陷”。
　　先（xiān）進製程芯片流片成（chéng）本快速提升，IBS數據顯示每5萬片3nm製程晶（jīng）圓設備投資將達到215億元。在摩爾定律（lǜ）的推動下，元器件集成（chéng）度的大幅提高要求集成電路線寬不（bú）斷縮小，導致生產技術與製造工序（xù）愈為複雜，製造成本呈指數級上升趨勢。根據IBS統計（轉引自中芯國際招股說明書），隨著技術節點的不斷縮小，集成電路製造的設備投入呈大幅上升的趨勢。以5nm技術（shù）節（jiē）點為例，其投資成本高達156億（yì）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較大幅（fú）度增加，根據The Information Network數據，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（měi）元。
　　光（guāng）學係統貫穿半導體製造全流程，光（guāng）刻（kè）以（yǐ）及量/檢測為半導體設備重（chóng）要組（zǔ）成
　　光刻機和半導體量/檢測為半導體設備重要組成，設備升級推動技術節點進步。半導（dǎo）體設備擁有十大類設備，光（guāng）刻機和量/檢測設備為半導體製（zhì）造重要（yào）設（shè）備。根據Gartner數據，光刻機和半導體量/檢測設備（bèi）占（zhàn）半導體設備（bèi）市場比例分別為（wéi）17%和12%。當技術節點向5nm及以下（xià）升級時，半導體製造工藝出現較大變化，微觀結構及製造（zào）工（gōng）序進一步複雜帶動（dòng）工藝設備以（yǐ）及質量控製設備持續升級。DUV光刻機（jī）受其波長限製，其精度已（yǐ）無法滿足工藝要求，晶圓廠需要采購更為昂貴的EUV光刻（kè）機，或采用多重模板工藝，重複多次（cì）薄膜沉積和刻蝕工序以實現更小的線寬，使得薄膜沉積和刻蝕次數顯著增加，對於良率控製也提出了更高要（yào）求。因此，我們認為未來晶圓廠需（xū）投（tóu）入更多（duō）、更先進的工藝（yì）設備及良率控製設備。
　　精（jīng）密光學係統為光刻機以及量/檢測設備（bèi）重（chóng）要組成，覆蓋半導體製造全流程。在半導體製造過程中，生產一個合格器件需要數百道處理步驟，每道（dào）工序均需要使用相關設備進行製造以及良率控製。根據KLA（科天半導體），半導體量/檢測基本覆蓋半導體製造全（quán）流程，其（qí）中量/檢測（cè）設備原理（lǐ）以光學檢測為主，每道步驟都必須完（wán）美執（zhí）行，以避免產（chǎn）生致命缺陷產生（shēng）。此外，對於半導體器件而言，光刻為結構形成的重要環節，光刻係統作為光刻機關鍵組成直接影響製程（chéng）、速度以及良率。因此，我們認為精密光學係統對於（yú）製造工藝以及良（liáng）率控製有重大影響，為半導體（tǐ）設備的核心係統。
　　光學係統為光刻機重（chóng）要組成，蔡司為全球龍頭
　　半導體工業“皇冠”，光刻機已升（shēng）級至EUV
　　光刻機為芯片（piàn）生產的核心設備，直接影響製程工藝節點。芯片生產主要包括沉積、光刻、蝕刻等（děng）7個步驟，其中光刻為實現圖形轉移功能的（de）核心步驟：負責把芯片（piàn）設計圖案通過光（guāng）學顯（xiǎn）影技術轉移到芯片表麵，進而（ér）實現在半導體晶圓表麵製造微小結構。光刻機生產具備高技術門檻，需要高度精密的物理設備和嚴格的控製流程，以達到所需的製造精（jīng）度。先進製程工藝需要先進的、高分辨率的光刻機（jī）進行適配，光（guāng）刻機直接影響芯片的工藝製程（chéng）與性能。
　　相同製程下，EUV較DUV可實現降本增效。EUV單台價格較高，約（yuē）為ArFi DUV價格的2倍。根據ASML公告，當前EUV單台設備價格（gé）約為1.5億美元，而ArFi DUV價格約為0.7億美（měi）元。當製程進步至7nm以下時，EUV光刻機（jī）被引（yǐn）入半導體製造並簡化了一些工藝步驟，為半導體製造成本和效（xiào）率帶來了（le）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製程的圖形，而EUV僅需一次曝光即（jí）可完成，降低曝光次數可減少不可控畸變，提升芯片的一致性和良率。根據台積電數據，台積電首次使用EUV製造7nm芯片的（de）工（gōng）藝被命名為N7+，與初代N7工藝相比，電路密度可（kě）提升15%-20%；相（xiàng）同性能下，功耗可降低（dī）15%。
　　光學係統為光刻機核心組成，光刻機迭代帶動光學係統升級
　　曝光係統為（wéi）光（guāng）刻機核心，光學元件廣泛應用於各光刻機係統。根據中國工（gōng）程院（轉引自前瞻產業研究院）信息，一台EUV光刻機包含了超（chāo）過10萬個零部件，主要（yào）包（bāo）括照明係統、工作台係統、曝光係統等，全球供（gòng）應商超過5000家。從光刻機結構看（kàn），工業級（jí）超精密光學元件（jiàn）被反應用於光刻機各類子係統，各類反射鏡（jìng）、透鏡、光柵構成了光刻機複雜的光學係統。其中，物鏡係統為光（guāng）刻機核（hé）心（xīn）組成，關係到光刻機分辨率以及良率。
　　回顧光刻機發展曆史（shǐ），光學係統跟隨（suí）光源迭代不斷升級。光刻機（jī）自（zì）誕生以來，光源主要經曆了六次升級，波長從436nm提升至13.5nm。蔡司作（zuò）為全球超精密光學龍頭，不斷推出新光學係統以適配光刻機升級。根據瑞利公式，光刻機發展需要再（zài）降低波長的同（tóng）時（shí）提升數值孔徑，光學（xué）係統升級為光刻機提升分辨率（lǜ）的重要途徑，與光源係統一同影響光刻技術的發（fā）展。在發展至（zhì）EUV之前，光學（xué）係統的數值孔徑不斷增大，導致光學係統的鏡片數量以及體積也持續增加。隨著光刻機（jī）發展至EUV，13.5nm的EUV光會被透鏡吸收的特點也導致（zhì）光學係統進入“反射”時代，光學係統仍（réng）為光刻機最重要的組成之一。
　　DUV光學係統為透鏡方案，紫外熔融二氧（yǎng）化矽或氟化鈣（CaF2）是DUV透射光學基板的首（shǒu）選材料。投影物鏡要將照明模組發射出的一階衍射光收進物（wù）鏡內，再把掩（yǎn）膜版上的電路圖案縮（suō）小，聚焦成像在晶圓上，並且還要補償光學誤差，所以投影物（wù）鏡主要由多枚透鏡組成。由於材（cái）料的（de）典型透射率曲線（xiàn）會在200nm以下透射率急劇下降,DUV透鏡（jìng）係統需要（yào）使用（yòng）特殊材料紫外熔融二（èr）氧化矽（guī）或氟化（huà）鈣（CaF2）塗覆。同時，與DUV波長兼容的拋（pāo）光化合物和拋光工藝也需（xū）要被（bèi）廣泛研究測試，一些拋光材料/化合物會吸收（shōu）UV/DUV光，這會影響光學元件的可（kě）靠性和壽命；其他材料可能含有化合物，直接與DUV光反應，導致係統損壞或故（gù）障。精密光學對（duì）表麵拋光的要求（qiú）更嚴格，光學加工是（shì）利用計算機數（shù）控（CNC）、磁流變（biàn）計算（suàn）（MRF）、傾斜度研（yán）磨（PL）和單點金剛石車削（SPDT）工藝完成。
　　EUV光學係統升級為反射係統，掩膜版及物鏡（jìng）係統均由特殊布（bù）拉格反射器構成。EUV波長為13.5nm，幾乎被一切材（cái）料（包括空氣）吸（xī）收，因此EUV光學係統必須在真空條件下運行，且照明（míng）係統和投（tóu）影物鏡係統僅使（shǐ）用反射光學元件（jiàn）即可使光從中間焦點傳輸到光陣（zhèn）。其中，反射（shè）鏡為布拉格反射器（qì），是關鍵的係統（tǒng）組件，必須具有極低的表（biǎo）麵粗糙（cāo）度（幾個原子）和高精度平麵度和曲率。EUV反射鏡表麵鍍有Mo/Si多層膜結構（gòu），最高有100層堆（duī）疊，通過（guò）多層（céng）膜實現更高的反射效率，ZEISS與Fraunhofer IOF研究（jiū）所共同研（yán）發獨特的鍍（dù）膜係統，使反射率達到（dào）70%。由於（yú）沒有光學材料（liào）對EUV透明，EUV光刻機使用的掩膜版也必須為反射元（yuán）件。
　　光（guāng）學係統價值量提升，2025年光刻機光學係統市場規模將達到60億美元
　　光學係（xì）統（tǒng）迭代，EUV鏡片較DUV鏡片價格差距達到8倍（bèi）。EUV光學係統由特殊布拉（lā）格反射鏡組成，製造工藝複（fù）雜，價格較高。根據Edmund信息，EUV鏡（jìng）片相較DUV鏡片單價較高，同等規格的EUV和DUV鏡片（piàn）的價格差距達到8倍。隨著先進製程進（jìn）入3nm時代，EUV光刻（kè）機已被頭部晶（jīng）圓廠大範圍使用，下一代High NA EUV光刻機（jī）有望在2025年推出，EUV光學（xué）係統成為趨勢或將提升光學係統在光刻機當中的重要程度。
　　ASML光刻機包含超過（guò）10萬個零部件，光學係統供應商主要來自德國。根據中國工程院（轉引自前瞻產業研究院）信息（xī），一台EUV光刻機包含了超過10萬個（gè）零部（bù）件，全球供應商超過5000家。從光刻機的結構分析來看，美國光源占27%，荷蘭腔體和英國真空占32%，日本材料占27%，德國光學係統占（zhàn）14%。
　　EUV升級帶動光刻機市場規模（mó）保持較（jiào）快增長，2022年光刻機市（shì）場規模177億美元。光刻（kè）機市場前（qián）三大供應商占據（jù）了（le）絕大多數市場份（fèn）額，2017-2022年，三大供應商的光刻機營收合計由（yóu）80億美元增長至177億美元，對應CAGR為17%。展望未來，根據ASML信息（xī），近年來光刻機市場在半導體總市場中的占比持續提（tí）升，且未來該趨（qū）勢（shì）有望得以延續，主要（yào）考慮到半導體產業近年來快速發展，先進製程（chéng）擴產帶來晶圓（yuán）廠資（zī）本開支爬升，設備（bèi）支出（chū）占比提升有望為光刻機帶來持續（xù）增量，市場規模保持較快增（zēng）長。
　　高端（duān）光刻機光學係統價（jià）值量高（gāo），2025年全球光刻機光學係統市場規模有望達到60億美元。隨著先進（jìn）製程發展，EUV光（guāng）刻機在全球範圍內出貨量持續增加，且下一代High-NA EUV有望在2025年出貨，EUV光刻機市場占有率（lǜ）有（yǒu）望（wàng）保持增長。由於EUV光學係統製造難度大，蔡司半導體事業部獨供的EUV光學係統價值量遠超其他類型光刻機光學係統，光學係統重要性日益提升。根據我們對於全球光刻機出貨量、售價、光學係統價格占（zhàn）比等因素的預測，我們估（gū）算全球光刻機光（guāng）學係統市場規模有望在2025年達到（dào）60億美元（yuán），對應2022-2025年CAGR為25%。
　　1）2025年全球光刻機出貨（huò）量假設：根據ASML預測，2020-2030年全球半導體市場將保持（chí）穩定增長，期間CAGR為9%，半導體行（háng）業保持增長（zhǎng）將帶動晶圓需求增加，其中，先進製程和成熟（shú）製程年均複合增速較快，預計分別（bié）為12%和6%，晶圓廠需進行擴產（chǎn）以（yǐ）滿足需（xū）求增長。因此，我們假設用（yòng）於生（shēng）產先進製程的EUV光刻機以及（jí）輔助生產的ArF光刻機市場需求將快（kuài）速增加，2025年（nián）出貨量有望分別達到80台和280台。
　　2）2025年光刻機售價假設：根據ASML數據，High-NA EUV價（jià）格有望達到3.5億美元；通過分析ASML各類型（xíng）光刻機2018-2022年售價（jià），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定。我們認為全（quán）球光刻機行業為寡（guǎ）頭壟斷市場，價格波動較小，預計2022-2025年EUV光刻機出貨量進入小（xiǎo）幅（fú）增長區間，價格將保持穩定，其他（tā）各類型光刻機售價將持續穩定。
　　3）光學係（xì）統（tǒng）占光刻機售價比例假設：蔡司半導體事業部主要生產超（chāo）精密（mì）半導（dǎo）體光學係統，其主要客戶為ASML。根據（jù）ASML以及蔡司公告（gào），2015-2022年蔡司半導體事業部90%的營（yíng）收來自ASML，而蔡司半導體事業部為ASML光刻機光學係統唯一供應商。因此，通過對蔡司半導體事業部收入以及ASML各光刻機出貨量（liàng）以及平均售價情況進行分析，我們估算得到（dào）各（gè）類型光刻機光學係統（tǒng）占光刻機售（shòu）價比例的假設。
　　國產光刻機光學係統任（rèn）重道遠，蔡司為全球光刻機光（guāng）學係統龍頭
　　蔡司為全球光刻機光學（xué）係統龍（lóng）頭，2022年市（shì）場（chǎng）占有率達（dá）到90%。根據ASML公告，蔡司為ASML光刻機核心光學係統主（zhǔ）要供應商，尤其在EUV光刻機領（lǐng）域為唯一供應商。2016年，ASML直接以10億（yì）歐元投資獲得了蔡司半導體子公司Zeiss SMT 24.9%的股份（fèn），與蔡司半導體更是達成了“兩家公司，一項業務”的（de）合作原則，共同推動先進光刻機（jī）的開發。因此，在ASML成（chéng）長（zhǎng）為光刻（kè）機市場絕對龍頭後，蔡司也成為光刻機光學係統領先企業，基於ASML以及蔡司公告，2022年（nián）我們測算（suàn）蔡司在全球市場占有率（lǜ）已達到90%。
　　國產光刻機光學元件參（cān）數與蔡司仍有較大差距，國產光刻機光學係統任重道遠（yuǎn）。我（wǒ）國在光學領域積累（lèi）了豐富的技術經驗，在消費級、激光以及光通信領域均具有良好的技術基礎，但在半導體等工業級超精密光（guāng）學領域，我國距國際一流水平仍有較大差（chà）距。目前，長春光機所為國內超精密光學領域的佼佼者，在DUV透鏡係統以及（jí）EUV反射鏡係統均取（qǔ）得（dé）了一定進（jìn）展。根據蔡司、ASML、國科精密和長春（chūn）光機所官網，國科（kē）精（jīng）密推出的DUV光刻機光學（xué）係統已可滿足90nm工藝節點（diǎn），與蔡司DUV光（guāng）學係統仍有三代以上的差距（jù）；而長春光機所承擔的國家（jiā）科技重大（dà）專（zhuān）項項目“極紫外光刻關鍵技術研（yán）究”研製的EUV光學係統麵型精度與蔡司仍有較大差距。我國在光刻機光學係統領域與海外（wài）仍有較大差距，但近年來國（guó）內各企業、研究所已加大半導體光學研發力度，技術能力有望快速提升。
　　前道光學檢測設備（bèi）為（wéi）主流方（fāng）案，光學係統為重要支撐
　　良率控（kòng）製為芯片製造關（guān）鍵，檢/量測貫（guàn）穿製造全過程
　　前道製程和先（xiān）進封裝的質（zhì）量控製（zhì）可劃分為檢測（Inspection）和量測（cè）（Metrology）環節。檢測指在晶圓表麵上或電路結構中，檢測其是（shì）否（fǒu）出現異質情況，如（rú）顆粒（lì）汙染、表麵劃傷、開短路等對芯片（piàn）工藝性能具有不良（liáng）影響的特征性結構缺陷；量測指對被觀測的晶圓電路上的結構尺寸和材料特（tè）性做出的量化描述，如薄膜厚度、關鍵尺寸、刻蝕深度、表麵形貌等物理性參數的量測（cè）。根據檢測類（lèi）型的不同，半導（dǎo）體質量控製設備可分為（wéi）檢測設備和（hé）量測設備。
　　檢測（cè）+量測（cè）環（huán）節貫穿前道製程和先進封裝（zhuāng）全過程，光刻和刻蝕等工（gōng）藝均需至少7種類型量/檢測設備。量/檢測設備主要應用於前（qián）道製程和先進封裝，基本覆蓋了各子環節，是保證芯片生產良（liáng）率的關鍵（jiàn）要素（sù）之（zhī）一。根據VLSI Research數據，檢測設備銷售占比較高，約為62.6%，其中納米圖形（xíng）晶圓（yuán）缺陷檢測設備為銷售額占比最高的設備，2020年銷（xiāo）售額為18.9億美元；量測設備中關鍵尺寸量測設備銷售額占（zhàn）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對於檢測和量測設備需求較高，均需至少7種不同類型的量/檢測設備。
　　量（liàng）/檢測包括三大技（jì）術路線，光學檢測技術市場占比超（chāo）75%
　　半導體量/檢測包括光學檢測、電子（zǐ）束檢測和X光量測等技術。光（guāng）學檢測技術、電子束檢測技術和X光量（liàng）測技術的差（chà）異包括檢測精度、檢測速度（dù）以及應用場景等。光學檢（jiǎn）測（cè）技術在檢測速度（dù）方麵更具有優（yōu）勢，相同條件下速度可比電子束檢測技（jì）術快1000倍以上。因此，電子束檢（jiǎn）測技術主要應用在對吞吐量要求較低的場（chǎng）景，如納米（mǐ）量級尺度缺陷的複查，部分關鍵區域的表麵尺度（dù）量測以及部分關（guān）鍵區域的（de）抽（chōu）檢等。與（yǔ）X光量（liàng）測技術（shù）相比，光學檢測技術的適用範圍更廣，而X光量測技（jì）術主要應用於特定金屬成分測量（liàng）和超薄膜測量等特定的（de）領域，適（shì）用場景相對較窄。
　　應用光學檢測技術的設備應用（yòng）場景廣泛，2020年市（shì）場占比超75%。應用光學檢測技術的設備可以（yǐ）較好實現精度與速度之間的平衡，並能夠滿足其他技術所不能（néng）實現的功能，如三維形貌測量、光刻套刻（kè）測量和多層膜厚測量等應用。根據VLSI Research和QY Research數據，2020年全球半導體檢測和量測設備市場中，應用光學檢測技術、電子束檢測技術（shù）及（jí）X光量測（cè）技術的設備市場份額占比分別為75.2%、18.7%和2.2%，應用光學檢測技（jì）術的設（shè）備占（zhàn）比最大。
　　光學檢測技術被廣泛應用在量/檢測環（huán）節，技術分類豐富。半導（dǎo）體光學量/檢測設備適用場景豐富，在半導體先進製程當中應用廣泛。在檢測（cè）環節，光學檢測技術可進一步分為無（wú）圖形晶圓激光掃（sǎo）描檢測技術、圖形晶（jīng）圓成像檢測技術和光刻掩膜板成像檢測技術。在量測環節，光學檢測技術（shù）基於光的波動性和（hé）相幹性實現測量遠小於波長的光學尺度，集成電（diàn）路（lù）製造和先進（jìn）封裝環節（jiē）中的量測（cè）主（zhǔ）要包（bāo）括三維形貌量測、薄膜膜厚量（liàng）測、套刻精度量測、關（guān）鍵尺（chǐ）寸量測等。
　　半導體量（liàng）/檢（jiǎn）測設備分辨率持續提升，2024年配套光（guāng）學（xué）係統市（shì）場規模（mó）有望達到13億美元
　　半導體製程已向亞納米發展（zhǎn），推動量（liàng）/檢（jiǎn）測技術發展。頭部半導體製造（zào）商已將製程提升至3nm工藝，三維FinFET晶體管、3D NAND等新技術已成為行業內（nèi）主流工藝（yì）技術。為滿足（zú）檢測和量測技術向高速度、高（gāo）靈敏度、高準確度、高重複性、高（gāo）性價比的發展趨（qū）勢和（hé）要求，行業內通過提（tí）升分辨率、提升算法和軟件（jiàn）性能、以及提升設備吞吐量等方式進行改（gǎi）進（jìn），例如增強照明的光強、光譜範（fàn）圍延展至DUV波段、提高光學係統的（de）數（shù）值孔徑、增（zēng）加照明和采集的光學模式、擴大光學算法和光學仿真在檢測和（hé）量測領域的應用等。
　　光學係統為半導體光學檢測設備重要組（zǔ）成（chéng），需滿足高NA低（dī）像差。半導體光學檢測設備光路設計較為複雜，且對（duì）於光學係統（tǒng）質量要求較高（gāo）。以典（diǎn）型（xíng）的（de）明場光學缺陷檢（jiǎn）測裝備為例，該設備采用（yòng）柯勒照（zhào）明光路將高亮寬譜等離子體光源光束調製成超均（jun1）勻、特定光束截麵形狀的（de）偏振光束；之後利用（yòng）高NA低像差的物鏡係統收集矽（guī）片結構圖形缺陷引起的散射光，再通過（guò）折反（fǎn）混合透鏡組與變焦透鏡組相結（jié）合的成像光（guāng）路將散射光成像至時間延遲積分（TDI）相機；最後利用基（jī）於片對片的圖像差分處理算法（fǎ）實現缺陷信號的準確識別。
　　進入10nm製程以下時代，半導體光學檢測（cè）設備需升級光源至VUV光。目前，美國KLA公司所開（kāi）發（fā）的高端K39XX係列和K29XX係（xì）列明（míng）場光（guāng）學缺陷檢測裝備能夠實現亞（yà）30nm的缺（quē）陷檢測靈敏度，並且產率能夠維（wéi）持1WPH（Wafer Per Hour）36nm，適用於（yú）1X nm及以下節（jiē）點工（gōng）藝生產線上的矽片結構圖形缺陷（xiàn）檢測（cè）。為了實現先進製程亞納米（mǐ）級缺陷檢測，行業內需針對（duì）半導（dǎo）體材料的反射、透射特性對於光路係（xì）統進行特殊設計。根據KLA Workshop信（xìn）息，KLA采用LSP光源技術以達到納米級（jí）缺陷（xiàn）檢測（cè），其中光學係統與EUV光刻機類似，需使用超精密光學加工的反射鏡進行光路（lù）設計。因此，我們認為隨著納米級缺陷檢（jiǎn）測需求增加，設備需采用超精密光學加工技術（shù）的反射鏡替代（dài）部分透鏡，光路係統設計也將更為複雜（zá），總（zǒng）體看光學係統價值量占比有望提升。
　　半導體量/檢測設（shè）備光學係統價值量提升，我們預計2024年全球半導體量/檢測設備光學係統市場規模有望達到13億美元。隨著（zhe）先進製程發展，10nm以下（xià）製（zhì）程節點快速發展（zhǎn），先進製程所需的半導體量/檢測設備對於精度以及吞（tūn）吐量有較高要求。以全球半導體量/檢測設（shè）備龍頭KLA為例，KLA為了適應10nm以下工藝節點缺陷推出了寬光譜DUV連續激光光學檢測（cè）係統，其對於光（guāng）學係統提出了更（gèng）高要求。根據我們對於全球半導體量/檢測設備市場規模、光學係統價值量占比等因素的預測，我（wǒ）們認為全球半導體量/檢測設備配套的（de）光學係統市場規模有望在2024年達到13億美元。
　　1）2023-2024年全球半導體量/檢測設備（bèi）市（shì）場規模假設：隨著製程越來越先進、工藝環節不斷增加，量/檢測設備市場規模有望穩定增長。根據華經產業（yè）研究院數據顯示，2021年晶圓製造設備投資中量/檢測設備占比約為11%。根據Gartner以及SEMI預測數據，2024年全球晶（jīng）圓製造設備市場規模將達（dá）到1000億美元。近年來，半導體製造所需的主要設備未發生重（chóng）大變化，我們認為半導體量/檢測設備（bèi）在半導體設備市場占比有望保（bǎo）持為11%，預計2024年全球半導體量/檢測設備市場規模為125億美元。
　　2）2024年配套（tào）光學係統價值量（liàng）占比假設：根據Gartner數據，2018-2022年全球半導體量/檢測設（shè）備市場規模保（bǎo）持穩定增長，2022年（nián）市場規模高（gāo）達135億美元。根據中科飛測（cè）招股說明書信（xìn）息，2019-2021年中科飛測半導體量/檢測設備光學類（lèi）原材料平均每年為總采購成本的35.5%。其中，除激光光源、相（xiàng）機、鏡頭以及傳感器等零部件外，光學元器件占比約為光學類原材料的60%。通過以上數據，我們測算量/檢測設備配套光（guāng）學（xué）係統（tǒng）約占設備價值量的10%。目前，國產半導體量/檢測設備製造水（shuǐ）平處於行業中遊，設備成本拆（chāi）分具備參考性，我們認為10%的假設具有一定合理性。
　　半導體量/檢測設備國產替代正當時（shí），光學元（yuán）件替代空間廣闊
　　KLA市占率超（chāo）50%，設備國產化率有望加速提升（shēng）。根（gēn）據VLSI Research和QY Research數據，全球半導體（tǐ）檢/量測設備市場集中度較高，2020年KLA占據全球50%以上的市場份額，其他檢/量測（cè）設備廠商（shāng）還包括應用材料、日立、雷泰光電等（děng）。2020年全球前（qián）五大廠商均來自（zì）美（měi）國和（hé）日本，占據了超過82%的市場份額；國（guó）內市場（chǎng）也由美國和日本廠商壟（lǒng）斷，前五大廠商占據了超過78%的市場份額。目前，中國大陸半導體產業鏈（liàn）處於高速發展期，從上遊原材（cái）料到終端（duān）晶圓代工（gōng）都有較大的（de）技（jì）術突破。中國大陸檢/量測設備廠商在製程技術以及產品線均（jun1）取得了（le）一定突破，未來國產（chǎn）化率（lǜ）有（yǒu）望加速提升。
　　國（guó）內供應商一定具備供應能力，茂萊光學半導（dǎo）體檢測光學營收（shōu）快速增長。在半導體量/檢測（cè）設備領域，以茂（mào）萊光學為代表的國內頭部光學廠商已初（chū）步具備向行業頭部客戶供應相關光學模組的能力。根據茂萊光學招（zhāo）股（gǔ）說明（míng）書信息，茂萊光（guāng）學已為Camtek、KLA等全球知名半導體檢測裝（zhuāng）備商研製半導（dǎo）體檢測光學模組，但目前相關市場仍被Newport、蔡司、Zygo、Jenoptik等海外光學廠商主導（dǎo）。我們認為半導體量/檢測設備光學係統加工難度（dù）較光刻機更小（xiǎo），國內廠商在初步掌握工藝後有望較（jiào）快提升份額（é），2019-22H1茂萊光學半（bàn）導體（tǐ）量/檢測光學營收保持（chí）較快增長，2021年營收已達到8052萬元。