光刻機光學市場分析

光刻機光學市場概述

一、光刻機光學系統主要光學部件【物鏡、反射鏡、偏振器等】

二、全球光刻機光學部件市場規模

光刻機光學部件指直接參與光的傳輸和處理過程精密零部件。一臺光刻機主要由以下系統組成：光學系統、曝光光源系統、雙工作臺、浸沒系統、微電子系統、計算機系統、精密機械系統和控制系統等。其中光學系統主要組成部分為光刻機的物鏡系統，一般由15-20個直徑為200～300mm的透鏡組成，用以補償光源通過掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面時產生的光學誤差，除此之外光學系統還包括反射鏡、偏振器、濾光片、光闌等。光學系統是光刻機的核心，光刻機的最小工藝節點越小，對光學系統的精度要求越高，同時價格更加昂貴，推高了第五代光刻機EUV的造價與售價。2023年全球光刻機光學部件市場規模為35億美元。

三、中國境內光刻機光學部件市場規模

2023年中國光刻機光學部件市場規模為5億美元。蔡司僅向ASML供應半導體光學部件，且ASML為其光刻機光學單一客戶。

四、光刻機光學部件主要競爭市場分析

光刻機光學的主要供應商有蔡司、尼康、佳能，蔡司為絕對市場龍頭。1)ASML的光刻機光學部件主要由CarlZeissSMTGmbH供應，且單位光學價值最高的EUV光學部件僅有蔡司有供應能力;2)尼康在光學制造上從原材料到成品全流程生產，鏡片、鏡頭、反光鏡均自行研發，此外，還獨自開發了組裝微調試技術以確保穩定的光學性能。3)佳能和尼康業務模式較為類似，都憑相機與鏡頭發家，并逐漸涉足光刻設備領域，其光學組件主要自行供應。4)由于蔡司為ASM的光刻機光學獨供，ASM占有約82%的市場份額，估算蔡司在光刻機光學的市場份額也在80%以上，為絕對龍頭。

五、國產化率情況

光學部件是光刻機的核心組成部分之一，對于光刻機的性能和質量具有決定性的影響。然而，由于國內在光學材料、光學設計、光學加工等方面的技術水平和生產能力相對較弱，導致光刻機光學部件的國產化率較低。

投影物鏡介紹

一、物鏡系統為最主要光學部件

投影物鏡系統被比作光刻機的“心臟”，是典型的超精密光學系統。投影物鏡系統的功能是至少將穿過掩模版圖案產生的1階衍射光收進物鏡內，并以一定比例縮小聚焦到預涂光刻膠的晶圓上，主要由各類光學元件組成，其性能的高低直接決定了光刻機的分辨率及套刻精度。為了實現更大NA、減少像差，投影物鏡要求：1)物鏡直徑大;2)更多的透鏡組合;3)精密光學加工、鍍膜和測量工藝制作。如今，ASML的先進DUV設備，投影物鏡高度>1m，直徑>0.4m，物鏡內各種鏡片的數量>15片，典型的投影物鏡包含近30塊鏡片，60個光學表面，最大直徑達0.8m。

二、投影物鏡成像問題

光學鏡片投影過程中存在因透鏡結構、光線波長等因素造成的球差、彗差、散焦、場曲、色差等問題。隨著光刻機的數值孔徑增大，分辨率下降，為了能刻蝕盡可能精細的線條，在物鏡實際工作過程中，全視場的波前像差均方根至少要小于0.07入，像面彎曲要求小于幾十納米，畸變也不能超過幾納米。基于不同的像差、色差等問題，光刻工藝對投影物鏡的制作提出更高的要求。

三、投影物鏡像差補償

由于單片投影物鏡存在球差、色差等問題，因此在實際應用中，需要通過組合投影物鏡進行糾正。隨著數值孔徑的增加，分辨率達到衍射極限，所以對于像差的精準度也相應提高，包括了對環境控制，冷鏡頭/熱鏡頭的像差補償，鏡頭表面平整度等的極致要求。

四、投影物鏡縮小像差的措施

采用非球面元件、浸沒式裝置、引入反射元件。193nmDUV投影物鏡的發展經歷了三次技術飛躍：1)采用非球面元件，起初為全球面結構，NA<0.8，引入非球面后，在不改變物鏡口徑的情況下，NA提升至0.9;2)引入浸沒式系統，使NA達到1.07;3)引入反射鏡，采用折反式光學系統，配合浸沒式，將NA提升到1.3以上。此外，研究新的光學材料和浸沒液可以進一步提高NA，但材料對深紫外光的吸收嚴重，可用作透鏡的材料有限，主要有融石英和CaF2，融石英技術成熟且熱膨脹系數低，是DUV的首選，CaF2加工難度大，成本昂貴，但會在鏡頭特定位置添加CaF2校正系統色差。

投影物鏡市場概述

一、投影物鏡加工壁壘極高

投影物鏡加工壁壘極高，僅極少數國際頂級光學公司掌握，ZEISS是ASML關鍵光學元件的獨家供應商。頂級單反相機鏡頭加工產生的像差在200nm以上，而ASML的ArFDUV投影物鏡像差在2nm內。高端光刻機鏡頭的價值量接近0.6億美元，成本占比大。

二、投影物鏡最新研究進展

High-NA接力支撐邏輯制程演進，降本增效。UV光源發展到13.5nm的極紫外后，光學光刻已接近極限，下一代光源演進只能向X射線發展，ASML早在2015年前就開始研發高數值孔徑(0.55NA)的EUV平臺。相較于0.33NA的光刻機，High-NA光刻機可以將分辨率提高70%，支撐3nm及以下節點的繼續發展，將工藝步驟數簡化33%，圖形化成本降低42%。與此同時，最后一面反射鏡的直徑擴大到1.2m，質量也明顯增加。ASML的High-NAEUV產品計劃于2024年交付。

三、EUV物鏡系統現狀

EUV物鏡系統為全反射結構，拋光和鍍膜為關鍵工藝。EUV光波長13.5nm，極易被材料(包括空氣)吸收，必須在真空條件下運行，且照明系統和投影物鏡系統均為全反射鏡片。其中EUV物鏡系統由6片布拉格反射鏡組成，重約2噸，共2萬個parts。反射鏡表面鍍有Mo/Si多層膜結構，最高有100層堆疊，通過多層膜實現更高的反射效率，ZEISS與FraunhoferlOF研究所共同研發獨特的鍍膜系統，使反射率達到70%。嚴苛的光學精度要求，ZEISS遙遙領先，國內茂萊光學正在發力。由于全反射系統設計要求光束相互避讓，誤差容忍度低，對光學元件加工的要求非常高。新一代EUV光刻機的反射鏡的面形精度為PV<0.12nm，表面粗糙度<30pm，原子級別的光潔度，全球僅ZEISS能達到。國內茂萊光學PV<30nm，表面面形RMS<5nm，表面粗糙度<0.5nm，供貨上海微電子，應用于l線光刻機物鏡中。

投影物鏡市場現狀

一、蔡司一家獨大

光刻機光學部件指直接參與光的傳輸和處理過程精密零部件。一臺光刻機主要由以下系統組成：光學系統、曝光光源系統、雙工作臺、浸沒系統、微電子系統、計算機系統、精密機械系統和控制系統等。其中光學系統主要組成部分為光刻機的物鏡系統，一般由15-20個直徑為200-300mm的透鏡組成，用以補償光源通過掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面時產生的光學誤差，除此之外光學系統還包括反射鏡、偏振器、濾光片、光闌等。光學系統是光刻機的核心，光刻機的最小工藝節點越小，對光學系統的精度要求越高，同時價格更加昂貴，推高了第五代光刻機EUV的造價與售價。

光刻機光學的主要供應商有蔡司、尼康、佳能，蔡司為絕對市場龍頭。1)ASML的光刻機光學部件主要由CarlZeissSMTGmbH供應，且單位光學價值最高的EUV光學部件僅有蔡司有供應能力;2)尼康在光學制造上從原材料到成品全流程生產，鏡片、鏡頭、反光鏡均自行研發，此外，還獨自開發了組裝微調試技術以確保穩定的光學性能。3)佳能和尼康業務模式較為類似，都憑相機與鏡頭發家，并逐漸涉足光刻設備領域，其光學組件主要自行供應。4)由于蔡司為ASM的光刻機光學獨供，ASM占有約82%的市場份額，我們估算蔡司在光刻機光學的市場份額也在80%以上，為絕對龍頭。

二、國產化任重道遠

光刻機技術的一大難點是實現精確成像。光學投影式光刻的原理是將掩模版上的圖案經過光學系統投影后縮小再曝光到硅片上。精確成像即使得硅片上的成像盡可能地與實際成像的差距相近，由于單個透鏡本身的光學特性會導致原始圖像的失真，故而要靠不同透鏡的組合來修正圖像的形變。對于ASML光刻機的投影物鏡來說，也同樣需要以各種透鏡組合來修正成像質量。DUV光刻機的投影物鏡的高度超過1米，直徑大于40厘米，物鏡內各種鏡片的數量超過15片。目前市面上最高級的單反相機加工產生的像差在200nm以上，而ASML的DUV高端投影物鏡的像差則被控制在2nm內。最高級別的單反鏡頭可支持全畫幅6千萬像素分辨率，而ASML的投影物鏡的分辨率則可支持1千6百億畫素。四大途徑縮小像差，設計、材料、工藝、組裝缺一不可：1)需采用折射率不同的材料組成復合透鏡：復合透鏡由兩個或多個折射率不同的材料組成，一般而言，必須使用大尺寸的正透鏡和小尺寸的負透鏡以滿足佩茨瓦爾條件，即投影物鏡各光學表面的佩茨瓦爾數為零。透鏡尺寸的增加將消耗更多的透鏡材料，大大提高物鏡的成本;而小尺寸的負透鏡使控制像差。故而選擇合適的材料和設計透鏡的形狀和曲率是光刻機光學供應商的制造難點之一。2)選擇合適且高質量的涂層材料：光學涂層可以調節鏡頭表面的反射和透射特性，從而減小反射和散射，降低像差。由于較短的波長和更高的能量，光學涂層的要求非常嚴格，需要具有高透射率和低散射率，涂層通常由幾十層不同材料的薄膜堆積而成，每層膜的厚度和折射率都被精確地控制，以實現所需的光學性能。選擇合適且高質量的涂層材料是光刻機光學供應商的制造難點之一。3)通過采用多片可動鏡片：即自適應光學技術，可根據需要動態地調整鏡頭的形狀和曲率，來消除鏡頭組裝及光刻生產等過程中所產生的各種像差。4)要求更高的投影物鏡的偏振控制性能：在引入偏振光照明后，在數值孔徑不斷增大的情況，保持視場大小及偏振控制性能，并嚴格控制像差和雜散光，是設計投影物鏡面臨的難題。這要求投影物鏡由更高質量的光學材料制成，具有高精度的制造和安裝要求。此外，還需要更精密的光學設計和測試，對光刻機的環境和參數進行精確的控制和調節。

超精密光學部件國產化任重道遠。1)鏡片面形精度是描述鏡片表面形狀偏差的一種參數。PV表示“Peak-to-Valley”的縮寫，即峰一谷值，通過測量鏡片表面的最高點與最低點之間的距離來計算，反映了鏡片表面的波動情況，PV值越小，則表示表面形狀越接近理想形狀，鏡片的成像質量也會越好。2)表面光潔度指標表示光學元件表面疵病，用于描述允許接受的劃痕、點子、氣泡等瑕疵在表面上的大小和數量。20/10表示表面允許存在直徑為20微米的瑕疵不超過10個。3)國產的物鏡系統已實現了工藝上的突破，如茂萊光學生產的超精密物鏡系統用光學器件已實現搭載在i-line光刻機上，但其工藝相比蔡司供給ASML的EUV光學物鏡系統在面型精度、表面光潔度指標等方便仍有較大差距，超精密光學部件國產化任重道遠。

光學加工技術體現了光刻機光學企業底層競爭力與核心能力。1)要生產制造高面形精度、高光潔度、低反射率的光學部件，在光學設計、材料選擇、加工工藝和后處理方面都十分關鍵。具體而言，光學設計確定光學元件的幾何形狀和光學特性，材料選擇根據設計要求選擇適合的材料，加工工藝與后處理將設計要求轉化為實際的加工和表面處理操作，以獲得所需的面形精度、表面光潔度和反射率。2)現有的先進光學制造技術已不再是簡單的光學加工，在原有的拋光技術、鍍膜技術、膠合技術和主動裝調技術等精密光學制造技術的基礎上，還需要輔有復雜儀器系統設計及仿真、高端鏡頭優化設計及模擬分析、自動控制及信號采集系統設計及快速實施、圖像形態學/融合/超分辨/頻率域處理等圖像算法等計算機技術，從而不斷突破各類加工和檢測技術，實現光學部件與系統的設計與制造。總之，精密光學制造行業有一定的進入壁壘，擁有更為先進的精密加工技術的企業護城河高筑。

三、全球及中國境內投影物鏡市場空間

2021-2023年全球投影物鏡市場規模由7.2億美元上升到9.3億美元，中國境內投影物鏡市場規模由1.3億美元上升到1.8億美元。