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

該類設備設計較為復雜，零部件技術指標要求較高，產業(yè)鏈涉及較廣，其中光學系統(tǒng)作為最重要的組成之一，分別占光刻機以及半導體量/檢測設備成本的30%/10%。我國在光刻機以及半導體量/檢測設備自主可控需核心光學系統(tǒng)達到國際一流水平，目前我國頭部光學廠商已具備一定工業(yè)級超精密光學加工能力，隨著國內半導體行業(yè)快速發(fā)展、設備自主可控比例提升，半導體設備光學系統(tǒng)具有巨大的國產替代空間。

半導體光學檢測設備為主流方案

光刻機為芯片生產的核心設備，直接影響制程工藝節(jié)點。根據中國工程院（轉引自前瞻產業(yè)研究院），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，全球供應商超過5000家。光學系統(tǒng)為光刻機重要組成，直接影響光刻機分辨率和良率，大約占光刻機成本的30%。

應用光學檢測技術的半導體量/檢測設備使用場景較廣，根據VLSI Research和QY Research數(shù)據，2020年全球應用光學檢測技術設備市場份額為75.2%。隨著半導體制程已向亞納米發(fā)展，半導體量/檢測設備通過提升分辨率、提升算法和軟件性能、以及提升設備吞吐量等方式進行改進，相關設備對于光學系統(tǒng)要求達到超精密光學等級，價值量不斷提升。根據Gartner、SEMI以及中科飛測公告信息，我們預計2024年全球半導體量/檢測設備光學系統(tǒng)市場規(guī)模有望達到13億美元，而目前市場仍被Newport、蔡司、Zygo、Jenoptik等海外光學廠商主導。


國產替代空間廣闊，國內廠商發(fā)力超精密光學領域

國內超精密光學廠商設備依賴進口，不利于國產光學廠商加工能力長期提升。長期以 來，我國超精密光學行業(yè)關鍵制造、檢測設備較依賴進口，國產相關設備可靠性較低。根 據《關于南京茂萊光學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》披露，茂萊光學在生產環(huán)節(jié)中使用的關鍵進口設備包括鍍膜機、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、檢測設備已存在國產 替代供應商，但是部分鍍膜機、磁流變拋光機設備暫無國產替代選擇。短期看，進口設備 訂單履約較為順利，國內超精密光學廠商可使用進口設備進行工藝研發(fā)生產。長期看，如 果國內廠商逐步進入高端光學領域、國際貿易摩擦升級，若國內不能在關鍵制造、檢測設 備形成自主可控，或影響國產半導體、生命科學領域光學系統(tǒng)發(fā)展。

國產超精密光學加工設備與海外仍有較大差距。我國高端光學元件超精密制造技術及 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《高 端光學元件超精密加工技術與裝備發(fā)展研究（2023）》（作者：蔣莊德，李常勝，孫林等）， 超精密光學元件制造的基礎為高端光學加工機床，目前我國雖初步形成了超精密加工機床 自主研發(fā)能力，產品品種基本滿足重點領域需求，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，國內光學廠商基本依賴進口超精密 光學加工、檢測設備及核心零部件。

國內已培育出一批在關鍵設備及加工領域具備巨大潛力的企業(yè)，我國有望逐步實現(xiàn)超 精密光學元件自主可控。目前，包括 4m 及以上口徑光學元件毛坯制造基礎裝備、輕量化 及超精密磨削裝備、亞納米級加工裝備、超大口徑光學元件超精密測量儀器在內的高端裝 備處于國外禁運狀態(tài)。國內企業(yè)已在消費級、工業(yè)級光學元件領域成長為龍頭企業(yè)，正圍繞超精密光學元件領域尋求突破。當前國內已培育了一批在高端設備領域基礎良好的企業(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 設計與數(shù)據資源建構、超精密智能機床制造等共性關鍵技術，我國有望逐步實現(xiàn)國產光學 元件超精密光學自主可控。

光學檢測或許取代電子束檢測

與電子束檢測技術相比，光學檢測技術在精度相同的條件下，檢測速度更具有優(yōu)勢。光學檢測技術是指基于光學原理，通過對光信號進行計算分析以獲得晶圓表面的檢測結果；電子束檢測技術是指通過聚焦電子束至某一探測點，逐點掃描晶圓表面產生圖像以獲得檢測結果。光與電子束的主要區(qū)別在于波長的長短，電子束的波長遠短于光的波長，而波長越短，精度越高。在相同條件下，光學技術的檢測速度比電子束檢測技術快，速度可以較電子束檢測技術快1,000倍以上。因此，電子束檢測技術的相對低速度導致其應用場景主要在對吞吐量要求較低的環(huán)節(jié)，如納米量級尺度缺陷的復查，部分關鍵區(qū)域的表面尺度量測以及部分關鍵區(qū)域的抽檢等。

與X光量測技術相比，光學檢測技術的適用范圍更廣，而X光量測技術主要應用于特定金屬成分測量和超薄膜測量等特定的領域，適用場景相對較窄。

半導體質量控制設備是集成電路生產過程中核心設備之一，涉及對集成電路制造的生產過程進行全面質量控制和工藝檢測，對設備的靈敏度、速度均有較高的要求。結合三類技術路線的特點，應用光學檢測技術的設備可以相對較好實現(xiàn)有高精度和高速度的均衡，并且能夠滿足其他技術所不能實現(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用，進而使得采用光學檢測技術設備占多數(shù)。

根據VLSIResearch和QYResearch的報告，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、電子束檢測技術及X光量測技術的設備市場份額占比分別為75.2%、18.7%及2.2%，應用光學檢測技術的設備占比具有領先優(yōu)勢，電子束檢測技術亦具有一定的市場份額。

隨著技術的不斷發(fā)展，光學檢測技術與電子束檢測技術存在一定的潛在競爭可能，但光學檢測技術面臨技術迭代的風險較小，主要理由有以下方面：


①光學檢測技術與電子束技術之間存在優(yōu)勢互補的情況。

受限于檢測速度，電子束無法滿足規(guī)?；a的速度要求，導致其應用場景主要在對吞吐量要求較低的環(huán)節(jié)。同時，光學檢測技術可以滿足規(guī)?；a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，在實際應用場景中，往往會同時考慮光學檢測技術與電子束檢測技術特性，即當光學技術檢測到缺陷后，用電子束重訪已檢測到的缺陷，對部分關鍵區(qū)域表面尺度量測的抽檢和復查，確保設備檢測的精度和速度。兩種技術之間存在優(yōu)勢互補的情況。


②當前半導體質量控制主要依賴光學檢測技術。

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進行檢測，主要通過光學檢測技術實現(xiàn)，如三維形貌測量、光刻套刻測量和多層膜厚測量等應用。以國際巨頭科磊半導體為例，其在1998年通過收購AmrayInc公司獲得電子束檢測技術，開始開發(fā)電子束缺陷檢測設備和電子束缺陷復查設備。截至目前，科磊半導體官網顯示的電子束相關設備依然為電子束缺陷檢測設備和電子束缺陷復查設備，未進一步拓展基于電子束技術的其他檢測及量測設備。

同時，電子束檢測技術在檢測速度上存在制約?？评诎雽w的總裁 RickWallace（任職2008年至今）曾直接提及光學技術的檢測速度可以較電子束檢測技術快1,000倍以上，電子的物理特性使得電子束技術難以在檢測速度方面取得重大突破。相比而言，光學檢測是最經濟、最快的選擇。

此外，根據VLSIResearch，2016年度至2020年度期間所有電子束檢測設備在全球半導體檢測和量測設備市場中的占比分別為 19.3%、20.4%、21.0%、17.4%和18.7%，其中，電子束缺陷檢測設備和電子束缺陷復查設備兩種設備占比分別為9.3%、10.8%、11.5%、9.2%和10.6%，電子束檢測設備及部分細分產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量控制環(huán)節(jié)無法通過電子束檢測技術實現(xiàn)或設備無法達到檢測速度要求。


③光學檢測技術仍然為國家重點支持的領域。

根據《國家自然科學基金“十三五”發(fā)展規(guī)劃》等政策，超高分辨、高靈敏光學檢測方法與技術為國家自然科學基金委信息科學部“十三五”優(yōu)先發(fā)展領域，其主要研究方向為突破衍射極限的光學遠場成像方法與技術；多參數(shù)光學表征和跨層次信息整合以及單分子成像與動態(tài)檢測；亞納米級精度光學表面檢測，包括三維空間信息精確

獲取與精密檢測、高靈敏度精細光譜實時檢測技術。國家自然科學基金致力于通過超前部署，全面推進基礎研究繁榮發(fā)展，為創(chuàng)新驅動發(fā)展提供持久動力，信息科學部優(yōu)先發(fā)展光學檢測技術一定程度反映了光學檢測技術的重要性。

綜上所述，光學檢測技術和電子束檢測技術未來均有不斷發(fā)展的空間，光學檢測技術可以通過持續(xù)提高光學分辨率，并結合圖像信號處理算法等實現(xiàn)技術創(chuàng)新與突破，進一步提升并增強技術優(yōu)勢，帶來設備應用比例的增加，從而進一步帶動設備市場份額的提升。