先進(jìn)制程半導(dǎo)體設(shè)備仍為“卡脖子”環(huán)節(jié)，其中光刻機(jī)以及高端半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備國產(chǎn)化率不足10%。受到國際政治博弈加劇等不利因素影響，我國亟需在先進(jìn)制程光刻機(jī)以及半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備尋求國產(chǎn)替代。

該類設(shè)備設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，零部件技術(shù)指標(biāo)要求較高，產(chǎn)業(yè)鏈涉及較廣，其中光學(xué)系統(tǒng)作為最重要的組成之一，分別占光刻機(jī)以及半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備成本的30%/10%。我國在光刻機(jī)以及半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備自主可控需核心光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到國際一流水平，目前我國頭部光學(xué)廠商已具備一定工業(yè)級(jí)超精密光學(xué)加工能力，隨著國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展、設(shè)備自主可控比例提升，半導(dǎo)體設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)具有巨大的國產(chǎn)替代空間。

半導(dǎo)體光學(xué)檢測設(shè)備為主流方案

光刻機(jī)為芯片生產(chǎn)的核心設(shè)備，直接影響制程工藝節(jié)點(diǎn)。根據(jù)中國工程院（轉(zhuǎn)引自前瞻產(chǎn)業(yè)研究院），一臺(tái)EUV光刻機(jī)包含了超過10萬個(gè)零部件，主要包括照明系統(tǒng)、工作臺(tái)系統(tǒng)、曝光系統(tǒng)等，全球供應(yīng)商超過5000家。光學(xué)系統(tǒng)為光刻機(jī)重要組成，直接影響光刻機(jī)分辨率和良率，大約占光刻機(jī)成本的30%。

應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)的半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備使用場景較廣，根據(jù)VLSI Research和QY Research數(shù)據(jù)，2020年全球應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)設(shè)備市場份額為75.2%。隨著半導(dǎo)體制程已向亞納米發(fā)展，半導(dǎo)體量/檢測設(shè)備通過提升分辨率、提升算法和軟件性能、以及提升設(shè)備吞吐量等方式進(jìn)行改進(jìn)，相關(guān)設(shè)備對于光學(xué)系統(tǒng)要求達(dá)到超精密光學(xué)等級(jí)，價(jià)值量不斷提升。根據(jù)Gartner、SEMI以及中科飛測公告信息，我們預(yù)計(jì)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(dá)到13億美元，而目前市場仍被Newport、蔡司、Zygo、Jenoptik等海外光學(xué)廠商主導(dǎo)。


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(jìn)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(jìn)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(jìn)口設(shè)備包括鍍膜機(jī)、干涉儀、 拋光機(jī)、研磨機(jī)、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(tái)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(jī)、磁流變拋光機(jī)設(shè)備暫無國產(chǎn)替代選擇。短期看，進(jìn)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(jìn)口設(shè)備進(jìn)行工藝研發(fā)生產(chǎn)。長期看，如 果國內(nèi)廠商逐步進(jìn)入高端光學(xué)領(lǐng)域、國際貿(mào)易摩擦升級(jí)，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(jī)床，目前我國雖初步形成了超精密加工機(jī)床 自主研發(fā)能力，產(chǎn)品品種基本滿足重點(diǎn)領(lǐng)域需求，但以 04 專項(xiàng)實(shí)施完畢后的狀態(tài)來判斷， 我國機(jī)床行業(yè)與國際先進(jìn)水平仍有 15 年左右的差距，國內(nèi)光學(xué)廠商基本依賴進(jìn)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(shí)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(jí)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(yùn)狀態(tài)。國內(nèi)企業(yè)已在消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)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)で笸黄啤．?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(diǎn)突破全頻譜納米/亞納米級(jí)精度創(chuàng)成、近無缺陷高表面完整性加工、超精密機(jī)床正向 設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)資源建構(gòu)、超精密智能機(jī)床制造等共性關(guān)鍵技術(shù)，我國有望逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)光學(xué) 元件超精密光學(xué)自主可控。

光學(xué)檢測或許取代電子束檢測

與電子束檢測技術(shù)相比，光學(xué)檢測技術(shù)在精度相同的條件下，檢測速度更具有優(yōu)勢。光學(xué)檢測技術(shù)是指基于光學(xué)原理，通過對光信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析以獲得晶圓表面的檢測結(jié)果；電子束檢測技術(shù)是指通過聚焦電子束至某一探測點(diǎn)，逐點(diǎn)掃描晶圓表面產(chǎn)生圖像以獲得檢測結(jié)果。光與電子束的主要區(qū)別在于波長的長短，電子束的波長遠(yuǎn)短于光的波長，而波長越短，精度越高。在相同條件下，光學(xué)技術(shù)的檢測速度比電子束檢測技術(shù)快，速度可以較電子束檢測技術(shù)快1,000倍以上。因此，電子束檢測技術(shù)的相對低速度導(dǎo)致其應(yīng)用場景主要在對吞吐量要求較低的環(huán)節(jié)，如納米量級(jí)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。

半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備是集成電路生產(chǎn)過程中核心設(shè)備之一，涉及對集成電路制造的生產(chǎn)過程進(jìn)行全面質(zhì)量控制和工藝檢測，對設(shè)備的靈敏度、速度均有較高的要求。結(jié)合三類技術(shù)路線的特點(diǎn)，應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)的設(shè)備可以相對較好實(shí)現(xiàn)有高精度和高速度的均衡，并且能夠滿足其他技術(shù)所不能實(shí)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，進(jìn)而使得采用光學(xué)檢測技術(shù)設(shè)備占多數(shù)。

根據(jù)VLSIResearch和QYResearch的報(bào)告，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%及2.2%，應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)的設(shè)備占比具有領(lǐng)先優(yōu)勢，電子束檢測技術(shù)亦具有一定的市場份額。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)檢測技術(shù)與電子束檢測技術(shù)存在一定的潛在競爭可能，但光學(xué)檢測技術(shù)面臨技術(shù)迭代的風(fēng)險(xiǎn)較小，主要理由有以下方面：


①光學(xué)檢測技術(shù)與電子束技術(shù)之間存在優(yōu)勢互補(bǔ)的情況。

受限于檢測速度，電子束無法滿足規(guī)模化生產(chǎn)的速度要求，導(dǎo)致其應(yīng)用場景主要在對吞吐量要求較低的環(huán)節(jié)。同時(shí)，光學(xué)檢測技術(shù)可以滿足規(guī)模化生產(chǎn)的速度要求，但是比電子束檢測在檢測精度上存在一定劣勢。因此，在實(shí)際應(yīng)用場景中，往往會(huì)同時(shí)考慮光學(xué)檢測技術(shù)與電子束檢測技術(shù)特性，即當(dāng)光學(xué)技術(shù)檢測到缺陷后，用電子束重訪已檢測到的缺陷，對部分關(guān)鍵區(qū)域表面尺度量測的抽檢和復(fù)查，確保設(shè)備檢測的精度和速度。兩種技術(shù)之間存在優(yōu)勢互補(bǔ)的情況。


②當(dāng)前半導(dǎo)體質(zhì)量控制主要依賴光學(xué)檢測技術(shù)。

鑒于電子束檢測通常接收的是入射電子激發(fā)的二次電子，無法區(qū)分具有三維特征的深度信息，因而部分測量無法用電子束技術(shù)進(jìn)行檢測，主要通過光學(xué)檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如三維形貌測量、光刻套刻測量和多層膜厚測量等應(yīng)用。以國際巨頭科磊半導(dǎo)體為例，其在1998年通過收購AmrayInc公司獲得電子束檢測技術(shù)，開始開發(fā)電子束缺陷檢測設(shè)備和電子束缺陷復(fù)查設(shè)備。截至目前，科磊半導(dǎo)體官網(wǎng)顯示的電子束相關(guān)設(shè)備依然為電子束缺陷檢測設(shè)備和電子束缺陷復(fù)查設(shè)備，未進(jìn)一步拓展基于電子束技術(shù)的其他檢測及量測設(shè)備。

同時(shí)，電子束檢測技術(shù)在檢測速度上存在制約。科磊半導(dǎo)體的總裁 RickWallace（任職2008年至今）曾直接提及光學(xué)技術(shù)的檢測速度可以較電子束檢測技術(shù)快1,000倍以上，電子的物理特性使得電子束技術(shù)難以在檢測速度方面取得重大突破。相比而言，光學(xué)檢測是最經(jīng)濟(jì)、最快的選擇。

此外，根據(jù)VLSIResearch，2016年度至2020年度期間所有電子束檢測設(shè)備在全球半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備市場中的占比分別為 19.3%、20.4%、21.0%、17.4%和18.7%，其中，電子束缺陷檢測設(shè)備和電子束缺陷復(fù)查設(shè)備兩種設(shè)備占比分別為9.3%、10.8%、11.5%、9.2%和10.6%，電子束檢測設(shè)備及部分細(xì)分產(chǎn)品市場占有率總體保持平穩(wěn)，未見大幅增長的原因主要系受集成電路制程中的大部分質(zhì)量控制環(huán)節(jié)無法通過電子束檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)或設(shè)備無法達(dá)到檢測速度要求。


③光學(xué)檢測技術(shù)仍然為國家重點(diǎn)支持的領(lǐng)域。

根據(jù)《國家自然科學(xué)基金“十三五”發(fā)展規(guī)劃》等政策，超高分辨、高靈敏光學(xué)檢測方法與技術(shù)為國家自然科學(xué)基金委信息科學(xué)部“十三五”優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，其主要研究方向?yàn)橥黄蒲苌錁O限的光學(xué)遠(yuǎn)場成像方法與技術(shù)；多參數(shù)光學(xué)表征和跨層次信息整合以及單分子成像與動(dòng)態(tài)檢測；亞納米級(jí)精度光學(xué)表面檢測，包括三維空間信息精確

獲取與精密檢測、高靈敏度精細(xì)光譜實(shí)時(shí)檢測技術(shù)。國家自然科學(xué)基金致力于通過超前部署，全面推進(jìn)基礎(chǔ)研究繁榮發(fā)展，為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展提供持久動(dòng)力，信息科學(xué)部優(yōu)先發(fā)展光學(xué)檢測技術(shù)一定程度反映了光學(xué)檢測技術(shù)的重要性。

綜上所述，光學(xué)檢測技術(shù)和電子束檢測技術(shù)未來均有不斷發(fā)展的空間，光學(xué)檢測技術(shù)可以通過持續(xù)提高光學(xué)分辨率，并結(jié)合圖像信號(hào)處理算法等實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與突破，進(jìn)一步提升并增強(qiáng)技術(shù)優(yōu)勢，帶來設(shè)備應(yīng)用比例的增加，從而進(jìn)一步帶動(dòng)設(shè)備市場份額的提升。