半导体光学系统行业专题报告：国产超精密光学未来可期.docx

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1、半导体光学系统行业专题报告：国产超精密光学未来可期光学行业“掌上明珠国产替代空间广阔光学行业“掌上明珠”，考验厂商结合制造能力工业级精密光学元器件制造难度高，应用于高科技行业的关键配套器件。参考茂莱光学招股说明书的定义，我们根据精度和用途的不同，可将光学元器件分为传统光学元器件和精密光学元器件，其中精密光学元器件根据应用领域的不同可进一步细分为消费级精密光学元器件及工业级精密光学元器件。工业级精密光学元器件主要应用于工业测量、半导体、生命科学、无人驾驶、生物识别、AR/VR检测等高科技行业，对于工艺参数、技术性能、应用环境、作用效果等方面要求较为苛刻，对制造提出了更高的要求。超精密光学元件加工

2、技术考验制造与系统仿真的结合能力。生产制造高面形精度、高光洁度、低反射率的光学元件，厂商需要在光学设计、材料选择、加工工艺和后处理方面具备优秀的技术能力。光学设计需要将客户的需求转化为光学元件的几何形状和光学特性，并根据设计要求选择适合的材料。在加工和后处理过程中，厂商需要将设计求转化为加工和表面处理操作，从而达到面形精度、表面光洁度和反射率等技术参数。在原有的抛光技术、镀膜技术、胶合技术和主动装调技术等制造技术的基础上，根据蔡司官网信息，超精密光学加工还需要实现复杂仪器系统设计及仿真、高端镜头优化设计及模拟分析、自动控制及信号采集系统设计及快速实施、图像形态学/融合/超分辨/频率域处理等图像

3、算法等计算机技术，从而实现超精密光学元件与系统的设计与制造。国产替代空间广阔，国内厂商发力超精密光学领域国内超精密光学厂商设备依赖进口，不利于国产光学厂商加工能力长期提升。长期以来，我国超精密光学行业关键制造、检测设备较依赖进口，国产相关设备可靠性较低。根据关于南京茂莱光学科技股份有限公司首次公开发行股票并在科创板上市申请文件的审核问询函之回复披露，茂莱光学在生产环节中使用的关键进口设备包括镀膜机、干涉仪、抛光机、研磨机、测量仪等，主要来源国家及地区包括德国、美国、日本、英国、新加坡、韩国、马来西亚、泰国、中国香港及中国台湾。虽然绝大多数制造、检测设备已存在国产替代供应商，但是部分镀膜机、磁流

4、变抛光机设备暂无国产替代选择。短期看，进口设备订单履约较为顺利，国内超精密光学厂商可使用进口设备进行工艺研发生产。长期看，如果国内厂商逐步进入高端光学领域、国际贸易摩擦升级，若国内不能在关键制造、检测设备形成自主可控，或影响国产半导体、生命科学领域光学系统发展。国产超精密光学加工设备与海外仍有较大差距。我国高端光学元件超精密制造技术及装备，相比国际前沿存在阶段性差距，成为制约高端装备制造业发展的重大短板。根据高端光学元件超精密加工技术与装备发展研究（2023）（作者：蒋庄德，李常胜，孙林等），超精密光学元件制造的基础为高端光学加工机床，目前我国虽初步形成了超精密加工机床自主研发能力，产品品种基

5、本满足重点领域需求，但以04专项实施完毕后的状态来判断，我国机床行业与国际先进水平仍有15年左右的差距，国内光学厂商基本依赖进口超精密光学加工、检测设备及核心零部件。国内已培育出一批在关键设备及加工领域具备巨大潜力的企业，我国有望逐步实现超精密光学元件自主可控。目前，包括4m及以上口径光学元件毛坯制造基础装备、轻量化及超精密磨削装备、亚纳米级加工装备、超大口径光学元件超精密测量仪器在内的高端装备处于国外禁运状态。国内企业已在消费级、工业级光学元件领域成长为龙头企业，正围绕超精密光学元件领域寻求突破。当前国内已培育了一批在高端设备领域基础良好的企业，正重点突破全频谱纳米/亚纳米级精度创成、近无缺

6、陷高表面完整性加工、超精密机床正向设计与数据资源建构、超精密智能机床制造等共性关键技术，我国有望逐步实现国产光学元件超精密光学自主可控。2026年全球工业级精密光学市场有望达到268亿元预计2026年全球工业级精密光学元器件市场规模达到268亿元。根据弗若斯特沙利文数据（转引自茂莱光学招股说明书），2022年全球工业级精密光学市场规模为159亿元，预计2026年市场规模将达到268亿元，对应2022-2026年CAGR为14%0受益于生命科学、半导体、无人驾驶、生物识别、AR/VR检测等下游领域的快速发展，下游客户对于精密光学系统提出了更高要求，有望推动精密光学元器件向工业级迭代，工业级精密光

7、学市场规模有望持续增长。半导体设备及生命科学为全球工业级精密光学重要细分应用。受益于科研及先进制造行业快速增长、半导体及生命科学领域不断提高精度以及轻量化要求，我们认为工业级精密光学元器件的重要性有望持续提升。根据弗若斯特沙利文数据（转引自茂莱光学招股说明书），在生命科学领域，工业级精密光学产品主要应用在基因测序仪、口腔医疗器械等设备,且预计2026年市场规模将达到53亿元，对应2022-2026年CAGR为11%;在半导体领域，工业级精密光学产品主要应用在半导体检测以及光刻机等高端设备，预计2026年市场规模将达到56亿元，对应2022-2026年CAGR为12%0当前德国及日本厂商主导工业

8、级精密光学市场，2021年中国厂商在半导体市场份额为6%。凭借悠久的历史传承、完善的产业链体系以及领先的加工能力，德国及日本拥有一批享誉全球的光学元器件企业包括蔡司、尼康、佳能、JenoPtik、徒卡、奥林巴斯等。作为光学元器件产业的掌上明珠，生产工业级精密光学元器件需要拥有最先进的制造设备并掌握超精密光学加工技术。根据弗若斯特沙利文数据（转引自茂莱光学招股说明书），2021年蔡司、尼康、佳能、Newport.Jenoptikx徐卡、奥林巴斯等国际巨头占据了超过70%的市场份额，在半导体及生命科学领域的市场份额分别达到80%和70%以上。近年来，随着国际精密光学企业大量在中国设厂并与国内光学加

9、工企业建立外协关系，国内精密光学企业抓住了产业转移的机遇，在产品设计、制造、检测等关键环节技术水平逐步缩小与国际厂商的差距，根据茂莱光学测算，2021年在半导体和生命科学领域市场份额分别达到了6%和12%贯穿半导体制造全流程，精密光学系统为产业基础”半导体制程持续升级，制造工序及投资均大幅增长半导体制程进步需开发更高集成密度工艺，实现难度持续增大。半个世纪以来，半导体器件性能的增长率遵循著名的摩尔定律，先进半导体制程已从平面结构发展至3D结构，晶体管面积不断缩小，集成电路可容纳的晶体管数目保持约18个月翻倍的规律。根据MKS万机仪器手册信息，我们可以看到3DNAND架构将内存单元堆叠以减少总体

10、占用空间；FinFET晶体管使用3D方法制造以减少隧穿效应。随着半导体器件集成度提升，行业需要使用更为复杂的制造工艺，对于材料和设备均提出了更高的要求。4nm及以下节点半导体制程工序已增至近千道，每道工序良率需超过99.99%才能保证整体良率达到95%0根据Yole数据（转引自中国集成电路检测和测试产业技术创新路线图（集成电路测试仪器与装备产业技术创新联盟），工艺节点每缩减一代，工艺中产生的致命缺陷数量会增加50%,每一道工序的良率都要保持在非常高的水平才能保证最终的良品率。根据中科飞测公告，28nm工艺节点的工艺步骤有数百道工序，由于采用多层套刻技术，14nm及以下节点工艺步骤增加至近干道工

11、序。当工序超过500道时，只有保证每一道工序的良品率都超过99.99%,最终的良品率方可超过95%;当单道工序的良品率下降至99.98%时，最终的总良品率会下降至约90%o因此，制造过程中对工艺窗的挑战要求几乎零缺陷。先进制程芯片流片成本快速提升，IBS数据显示每5万片3nm制程晶圆设备投资将达到215亿元。在摩尔定律的推动下，元器件集成度的大幅提高要求集成电路线宽不断缩小，导致生产技术与制造工序愈为复杂，制造成本呈指数级上升趋势。根据IBS统计（转引自中芯国际招股说明书），随着技术节点的不断缩小，集成电路制造的设备投入呈大幅上升的趋势。以5nm技术节点为例，其投资成本高达156亿美元，是14

12、nm的两倍以上，28nm的四倍左右。因此，芯片厂流片成本也出现较大幅度增加，根据TheInformationNetwork数据，12nm工艺的流片成本大约在300-500万美元，5nm工艺流片的成本为4000-5000万美元；采用2nm工艺流片的成本高达1亿美元。光学系统贯穿半导体制造全流程，光刻以及量/检测为半导体设备重要组成光刻机和半导体量/检测为半导体设备重要组成，设备升级推动技术节点进步。半导体设备拥有十大类设备，光刻机和量/检测设备为半导体制造重要设备。根据Gartner数据，光刻机和半导体量/检测设备占半导体设备市场比例分别为17%和12%0当技术节点向5nm及以下升级时，半导体制

13、造工艺出现较大变化，微观结构及制造工序进一步复杂带动工艺设备以及质量控制设备持续升级。DUV光刻机受其波长限制，其精度已无法满足工艺要求，晶圆厂需要采购更为昂贵的EUV光刻机，或采用多重模板工艺，重复多次薄膜沉积和刻蚀工序以实现更小的线宽，使得薄膜沉积和刻蚀次数显著增加，对于良率控制也提出了更高要求。因此，我们认为未来晶圆厂需投入更多、更先进的工艺设备及良率控制设备。精密光学系统为光刻机以及量/检测设备重要组成，覆盖半导体制造全流程。在半导体制造过程中，生产一个合格器件需要数百道处理步骤，每道工序均需要使用相关设备进行制造以及良率控制。根据KLA（科天半导体），半导体量/检测基本覆盖半导体制造

14、全流程，其中量/检测设备原理以光学检测为主，每道步骤都必须完美执行，以避免产生致命缺陷产生。此外，对于半导体器件而言，光刻为结构形成的重要环节，光刻系统作为光刻机关键组成直接影响制程、速度以及良率。因此，我们认为精密光学系统对于制造工艺以及良率控制有重大影响，为半导体设备的核心系统。光学系统为光刻机重要组成，蔡司为全球龙头半导体工业皇冠，光刻机已升级至EUV光刻机为芯片生产的核心设备，直接影响制程工艺节点。芯片生产主要包括沉积、光亥I、蚀刻等7个步骤，其中光刻为实现图形转移功能的核心步骤：负责把芯片设计图案通过光学显影技术转移到芯片表面，进而实现在半导体晶圆表面制造微小结构。光刻机生产具备高技

15、术门槛，需要高度精密的物理设备和严格的控制流程，以达到所需的制造精度。先进制程工艺需要先进的、高分辨率的光刻机进行适配，光刻机直接影响芯片的工艺制程与性能。相同制程下，EUV较DUV可实现降本增效。EUV单台价格较高,约为ArFiDUV价格的2倍。根据ASML公告，当前EUV单台设备价格约为1.5亿美元，而ArFiDUV价格约为0.7亿美元。当制程进步至7nm以下时，EUV光刻机被引入半导体制造并简化了一些工艺步骤，为半导体制造成本和效率带来了较大提升。若使用DUV光刻机，晶圆厂需要使用DUV进行多次曝光才能完成7nm制程的图形，而EUV仅需一次曝光即可完成，降低曝光次数可减少不可控畸变，提升

16、芯片的一致性和良率。根据台积电数据，台积电首次使用EUV制造7nm芯片的工艺被命名为N7+,与初代N7工艺相比，电路密度可提升15%-20%;相同性能下，功耗可降低15%0光学系统为光刻机核心组成，光刻机迭代带动光学系统升级曝光系统为光刻机核心，光学元件广泛应用于各光刻机系统。根据中国工程院（转引自前瞻产业研究院）信息，一台EUV光刻机包含了超过10万个零部件，主要包括照明系统、工作台系统、曝光系统等，全球供应商超过5000家。从光刻机结构看，工业级超精密光学元件被反应用于光刻机各类子系统，各类反射镜、透镜、光栅构成了光刻机复杂的光学系统。其中，物镜系统为光刻机核心组成，关系到光刻机分辨率以及良率。图18：曝光系统工作原理回顾光刻机发展历史，光学系统跟随光源迭代不断升级。光刻机自诞生以来，光源主要经历了六次升级，波长从436nm提升至13.5nm.蔡司作为全球超精密光学龙头，不断推出新光学系统以