（报告作者：财通**，张一民）。
1.1、半导体光学企业：立足传统业务，深度绑定龙头设备企业
半导体光学产业应运而生，与光刻和数量检测设备密切相关的集成电路产业。 早期，芯片生产规模小，集成电路线宽粗大; 光刻和数量检测设备的使用相对有限，技术设计相对简单，因此对半导体光学元件的需求量较小。 目前，半导体光学尚未形成独立的产业链。
随着半导体产业的不断发展，集成电路的线宽正在缩小; 光刻和批量检测等光学设备的出货量正在迅速增长，设计也变得越来越复杂和精密。 光学设备用半导体光学元件市场规模迅速扩大，生产门槛大幅提升，逐步形成独立的半导体光学产业链，主要产品包括：光源、工业相机传感器、精密光学加工元件、光学元件、其他光学元件、光学软件等。 光学元件设计和超精密加工技术的进步需要长期的经验。 18世纪初，光学工业主要分布在法国和英国; 在第二次工业革命中，以耶拿为摇篮的德国光学工业从后面走来，催生了现代光学工业。 二战后，日本的民用光学工业逐渐发展起来，确立了日本在半导体光学工业中的地位。 同时，美国凭借其技术和经济优势，也聚集了一批领先的光学企业。 因此，世界领先的半导体光学公司分为三大集群：美国、欧洲和日本。
高端光学玻璃原材料的主要海外制造商包括美国的康宁、德国的肖特、日本的大原等。 半导体光源的海外厂商有美国的相干公司、美国的Cymer、美国的Newport、德国的Trumpf、德国的Toptica、荷兰的**antes、日本的Gigaphoton、日本的Hamamatsu和日本的Oxide。 光学设备运动平台的海外制造商包括美国的Aerotech、美国的Newport、德国的PI等。半导体行业相机（传感器）的主要制造商是荷兰的**antes和日本的滨松。 在光学元件方面，美国的EDMUND、Materion、Thorlabs，德国的蔡司和徕卡，日本的尼康、佳能、奥林巴斯等都参加了此次活动。
据SEMI统计，2021年，光学元件占比为167%，市场规模为82亿美元。 富创精密估计，光学元件的原材料成本约占光刻设备等光半导体设备的55%。 2023年，ASML营收276亿欧元，首次位居全球第一。 另一家主要光学制造商KLA预计营收为96亿美元，可以从上述公司的营收中估算出2023年的半导体光学元件市场。 德国卡尔蔡司（Zeiss）是ASML在荷兰的主要供应商，营收为35它拥有55亿欧元，是全球最大的半导体元件供应商。
2.1 光学元件参数决定了半导体光学器件的性能
以光刻机和明场检测设备为代表的半导体光学设备是集成电路生产线中精度最高的设备。 典型的蚀刻和薄膜沉积设备通常使用化学气体或液体作为反应原料，通过力学、电磁学、热力学、流体学等原理对反应（生产）过程进行微调，有时借助光谱仪等测量仪器来监测工艺条件。 然而，由于气体和液体的物理性质，绝大多数蚀刻或薄膜沉积设备在单独工作时精度有限。 相比之下，使用短波长光源的光学器件具有极高的精度。 任何光电场的完整物理量包括频率、振幅、相位和极化态。 以光学数量检测为例，晶圆缺陷检测一般在最先进的光学系统中进行，频率通常不变; 然而，由于光的波粒二象性，其振幅、相位和偏振态都会发生变化。
与光刻机工作时直接成像的光学原理不同，光学量检测设备广泛采用间接成像原理。 量检测设备由多个入射通道（不同波长、入射角、照度模式等）和多个信号采集通道（散射光、衍射光、反射光等，宽窄等）组成，组合成不同的工作模式。 通过监测不同模式下的光谱信息，然后使用算法对晶圆表面进行反向成像，可以发现晶圆表面的缺陷或测量参数。 间接成像方法受光波长衍射极限的限制较小然而，对检测波段、光束偏振状态、照明光束截面形状、物镜NA值、探测器灵敏度等都有极高的要求。 在高级工艺的数量测试过程中，要测量的参数数量的增加带来了额外的挑战。 光刻机内置的覆盖误差测量组件在精度的不断提高中也遇到了类似的问题。 半导体光学产业的发展和上述挑战对光源、摄像头传感器、运动平台、算法等光学元件提出了更高的要求。
2.2 激光器：光学设备的电源
光源（半导体激光器）提供光刻和测量检测设备操作所需的激光器，也用于晶圆切割、去键合和打标领域。 光源主要由泵浦源、增益介质、谐振器等组成。 泵浦源是激光器的激发源，谐振器是泵浦光源与增益介质之间的回路，增益介质是指可以放大光的工作物质。 在工作状态下，增益介质吸收泵浦源提供的能量，通过谐振器振荡模式选择输出特定类型的激光。
光刻机中使用的光源包括波长为436 365 nm的汞光源、波长为248 193 nm的深紫外准分子光源（KR气体和氟气体在高压强电场环境中结合分解释放光子）和13波长为5nm的极紫外光源（CO2激光两次轰击锡滴产生135nm波长的光线路）。光源的关键技术参数包括脉冲频率、持续时间、单脉冲能量及其稳定性、输出功率等;其中，功率决定了光刻机的容量，最新的光源已经达到了120W。 使用短波长光源设计的设备通常可实现高分辨率。
定量检测设备与光刻机使用的光源性能存在很大差异，主要原因有：激光在光刻过程中直接照射掩模和光刻胶，而掩模检测在定量检测过程中会照射掩模，而其他测量的激光照射对象通常是硅， 硅化物、金属等，其光学性能差异很大;其次，工作目的不同，光刻工艺直接改变了光刻胶的理化性质; 量检测需要尽可能避免集成电路结构的变化或损坏，因此激光能量一般低于光刻中使用的准分子激光器。 掩模测定使用 135nm 193nm波长激光器（与光刻准分子激光器波长相同），532 355 266 213nm波长紫外或深紫外光广泛用于其他量检测。
光刻机使用气体准分子激光器，数量检测设备通常使用全固态激光器。 全固态激光器具有线宽窄、体积小、稳定性高、光束优等优点。 以266nm深紫外全固态激光器为例，其产生方法如下：掺钕钇晶体产生波长为1064nm的近红外激光器，然后通过BBO、LBO、KBBF等晶体频率之和或加倍，将波长缩短到原来的1 4，最终得到波长为266nm的激光器。 在类似的原理中，近红外激光将 1064nm 波长的频率除以 3 的三倍，得到 355nm 波长的激光器。
晶圆表面缺陷尺寸小，缺陷物质种类繁多，检测率高要求检测光源同时具有高亮度、宽光谱范围的特点。 为了满足上述需求，激光维护等离子体（LSP）光源应运而生，广泛应用于明场缺陷检测设备中。 LSP光源采用进口的外部激光器和曲面聚焦集光镜，形成外部激光辐射场。 激光与高压XE灯中电离气体相互作用产生的等离子体吸收来自聚焦在等离子体区域的外部激光辐射场的能量，并保持接近热力学平衡的状态。 等离子体在内部的电子跃迁过程中发射等离子体激光。 LSP光源体积小，能量沉积效率高，发光强度高，寿命长，在相同功率下光源寿命更长。
激光器广泛应用于多个行业，全球激光器市场规模已从2016年的107家增长5 亿美元，2020 年高达 160 美元1亿美元，复合年增长率为1047%。光刻用激光器市场规模为1275亿美元。 随着EUV光刻机全球出货量的快速增长，对DUV光刻机的需求旺盛，用于产生EUV光的CO2光源和用于DUV的准分子光源有望推动光刻激光器市场规模的不断扩大。 预计用于大规模检测设备的激光器需求也将同步增长。
2.3 相机：半导体光学器件的吸睛之眼
在晶圆缺陷检测过程中，所需的光信号采集主要由时域延迟积分（TDI）相机完成。 TDI 相机以“线”单元进行图像采集。 TDI相机的原型单线扫描相机只有一行敏感像素，随着检测速度的提高，相机的首次时间不断缩短，多线灵敏TDI线扫描相机逐渐成为主流。 新型TDI线扫描相机具有多达256步的步长，将每条线的图像数据组合在一起，以获得灵敏度高达256倍的图像，从而满足了在弱光条件下，特别是在暗场中检测量的过程。 使用TDI相机还可以改善恶劣环境条件和低信噪比造成的不利因素。 此外，采集速度高达90 180 fps的高速、大面积工业相机也用于高端半导体3D测量。
TDI相机属于工业相机的分支，市场规模在2左右5亿美元，主要制造商包括日本滨松光学、德国Vieworks、加拿大Teledyne等。 CIS芯片是TDI芯片的核心部件。 据Yole统计，2021年军用航天（含科学仪器）CIS芯片市场规模约为4亿美元，行业前六位分别为Teledyne（41家）。5%）、安森美（安森美 15%）、安森美 15%。46%）、bae fairchild（8.46%），滨松（滨松6.）。78%）、索尼（索尼 649%）、长光新辰（624%）。
目前，TDI线阵相机图像传感器的输出分辨率已达到24K，面阵相机的分辨率已达到2亿像素以上，数据位宽已从最初的8BI逐步发展到10bit甚至16bit。 搭载FPGA和DRAM芯片的工业相机，前端嵌入式计算能力进一步增强，摄像头侧可实现更复杂的计算。 借助像素位移技术和超分辨率算法，相机可以实现 4 倍或更高分辨率的图像合成：例如在 1在5亿个图像传感器的基础上，实现6亿分辨率的图像输出。 除光学量检测设备外：先进封装和三维集成电路技术对穿透力强、无损能力强的X射线检测设备有着强烈的需求。 与面阵相机相比，TDI相机可以大大提高X射线检测的效率，部分避免了照射角度造成的图像畸变，还可以在弱信号环境下捕捉高信噪比的图像。 TDI相机在X射线检测方面具有明显优势，需求规模有望进一步增加。
TDI相机的应用也有一些局限性：其成像原理对镜头和光源要求很高，增加了系统开发的难度和成本; TDI相机需要运动控制和反馈系统的支持，被检测物体在扫描过程中需要匀速移动，否则可能会降低图像精度，最终影响量检测的精度。 TDI相机的运动精度和速度要求需要通过先进的运动平台系统来满足。
2.4 运动平台系统和组件：精确运动定位的关键
光刻过程中的精确定位和位移以及数量检测是通过高精度运动台（光刻机称为双工件工作台）系统实现的。 运动平台系统具有工装夹紧、传递、定位等功能，也可用于晶圆键合、晶圆切割等工艺。 以光刻机的工件阶段为例，它负责第一道工序的晶圆运动，具有高速、大行程、六自由度的纳米级超精密运动能力。 光刻机的工件台由ASML、尼康、佳能等公司制造，测量检测设备的运动平台由德国Aerotech、Newport、PI等第三方供应商制造。
在光刻工件的情况下，运动台采用了多种特殊设计，以满足半导体光学的工艺要求。 高轻量化：为了降低运动惯量，减轻电机负载，提高运动效率，运动平台一般采用轻量化结构设计，轻量化可达90%; 高几何精度：为了实现高精度的运动和定位，运动台结构具有极高的几何精度; 尺寸稳定性高：运动台的结构件不易因温度或强度而变形; 清洁无污染：运动台摩擦系数极低，动能损失低，无研磨颗粒污染。 上述特殊设计需要激光干涉平面光栅测量、特殊光学元件加工、先进材料、多层压电驱动器等多项关键技术支撑。
激光干涉仪基于激光的波长，具有很高的精度和可追溯性。 为了测量运动平台的多自由度位移，需要使用多个激光干涉仪来构建多自由度测量系统。 Keysight（前身为 Agilent Inc.）和 Zygo 是光刻用干涉仪的重要供应商。 激光干涉仪的缺点是光路较长，环境造成的纳米级误差正在被光栅干涉测量法部分取代。 光栅干涉仪以光栅的光栅距离为参考，利用光栅的衍射效应，实现工件工作台的单点多自由度测量。 由于光栅光程短，环境适应性强，可满足3-5nm工艺光刻机超精密定位的需要。 ASML采用Heidenhain的四光栅四读数头技术。
光刻台的方镜用于承载晶圆，也是多轴激光干涉仪的目标镜，对于精确定位至关重要。 方镜对反射面的表面形状精度、位置精度、整体刚度要求极高，对其参数的测量需要通用和专用测量仪器20多种。 在原材料方面，工件台体常采用铝合金或碳化硅（碳化硅性能优于铝合金）; Indysteel作为测量系统的基础; 肖特微晶玻璃具有优异的机械和热性能，用于制造方形镜子。 微晶玻璃在EUV光刻中容易破损，导致精度下降; 需要在保持刚度的同时增加厚度，无法实现重量; 堇青石或碳化硅陶瓷有望成为未来的替代材料。
多层压电驱动是另一项关键技术：在压电陶瓷上施加电压产生位移变形，具有纳米级位移分辨率，具有响应快、体积小、扭矩大、无电磁干扰等优点。 多层电驱动用于镜头微调、遮罩或运动台位置调整、主动减振等。 德国PI公司的压电执行器可以实现亚纳米级位移精度，微秒级响应时间，以及出色的分辨率和稳定性。 其他供应商包括 Thorlabs、NEC TDK 等。
与 DUV 光刻机的 300 片晶圆（每小时晶圆）的 WPH（晶圆/小时）相比。 国产2xnm节点无图案晶圆缺陷检测设备的WPH约为25;单腔膜厚装置的WPH约为80; 暗场图案化晶圆缺陷检测设备的wph为每小时几十片; 电子束器件对于明场图案缺陷检测器件具有较低的 WPH。 由于生产能力较小，相同精度水平下测量检测设备移动平台的位移和测量工作量较小，技术难度相对较小。
3.1 精密光学制造：半导体光学器件核心部件的发源地
精密光学制造占据了半导体光学产业链的核心地位，支撑着几乎所有半导体光学元件的生产。 除了应用于半导体领域外，工业级精密光学制造主要服务于航空航天、生命科学和医疗、无人驾驶、生物识别、AR VR检测设备等行业。 在半导体领域，极紫外光刻正在成为集成电路制造的核心技术，要求光学元件表面精度达到200，表面粗糙度小于01nm，这些指标达到或超过目前精密光学加工技术的极限，属于超精密水平。 德国、日本、美国占据了超精密光学制造技术的制高点，德国蔡司是半导体全球光学的代表企业。 超精密光学制造由超精密光学加工、超精密光学镀膜、超精密光学检测、超精密组装组成。
超精密光学加工是光学元件的成型工艺，其技术路线分为触摸和非接触两大类。 在接触制造技术中，最具代表性的方法有CNC研磨抛光（CCP）、单点金刚石切割和磁流变抛光（MRF）。 在非接触式制造中，主要方法包括磨料喷射抛光、等离子成型和离子束抛光等技术。 CNC加工技术、计算机辅助设计等新技术正逐步应用于超精密光学加工领域，大大提高了生产效率和质量保证能力，经典的抛光工艺正在逐步被取代。
超精密光学加工中的低频误差（33mm空间周期长度）会影响光学系统的聚焦能力，并引入波像差降低系统分辨率。 IF误差（空间周期长度0.）。12-33mm）会引入小角度散射，降低峰值强度并显着增加光斑尺寸，降低图像的清晰度;高频误差（空间周期长度小于0.）。12mm）会降低系统的信噪比，导致图像质量下降。因此，超精密光学加工对精度的要求极高。
超精密光学表面镀膜工艺可以提高光学元件透射、反射、偏振、抵抗强激光的能力。 精密光学元件正朝着功能集成和高精度的方向发展，其偏振和分光、减少反射、光谱波长（纳米级）的精确定位等性能只能通过镀膜来实现。 主要镀膜方式有：等离子镀膜、离子束镀膜、激光束镀膜、化学气相薄膜沉积等。 集成电路制造中使用的原子层沉积等涂层技术也逐渐被采用，对提高效率、良率和降低成本有明显效果。
超精密光学组装是另一项核心技术，负责将光学元件组装到光学系统中。 完整的组装过程包括精密光学系统的组装、测试和图像质量补偿过程。 以光刻机物镜为例，光学元件的装配间隔误差和偏心率误差应控制在1 m以内。 通过计算机辅助组装调整和系统级元件细化，波像差、畸变等图像质量指标满足要求。 组装和调整过程需要测试设备的支持，包括传递函数测试、激光光谱测试、透镜厚度测试、透镜位置测试、物镜系统波像差测试等。 高精度中心偏差测试仪、高精度车削立式车床、透镜定位仪是超精密光学标定的关键设备。
超精密光学检测测量技术是另一个挑战。 通过信号采集和软件分析，自动检测设备无需接触即可自动判断表面形状和加工精度，精度高。 传统的光学样品接触检测（接触污染和部件表面损坏）和个体判断的主观判断测试方法很快被取代。 光学加工检测设备主要包括平面干涉仪、球面干涉仪、高精度分光光度计、拼接干预测量仪等。 其中，表面形状检测主要使用轮廓仪和裂变干涉仪，粗糙度检测主要使用原子力显微镜和白光干涉仪。 在保证光学元件质量的同时，超精密光学检测为CNC加工系统提供大量光学元件的实时数据参数，并协助指导抛光、镀膜、成型等工艺。 因此，光学检测精度在一定程度上决定了加工精度。
3.2 光学设备及材料：微纳雕雕刀及精华
以蔡司为例，早期半导体光学制造的主要方式是“金手指”模式：手工体验判断+手工打磨。 然而，随着半导体光学行业对镜头精度要求的不断提高，传统的手工生产方式效率低下，加工精度和稳定性不可控，人员培训越来越困难。 手工抛光的缺点导致蔡司在1980年代为美国GCA生产的G-line镜片出现大量质量问题，严重损害了GCA和蔡司的声誉，蔡司也陷入了业务危机。 1990年代，蔡司正式推出抛光机器人+干涉仪相结合的生产方式，帮助公司发展逐渐走上正轨; 这种生产方法也成为半导体超精密光学制造的主流方法。
磁流变抛光机是1980年代研制的数控高端光学制造设备。 美国QED公司的磁流变抛光机在海外受到严格的出口限制。 原理如下：磁流变液进入抛光区后，在磁场作用下成为粘塑性介质，作为“柔性抛光头”; 当它与光学零件的表面接触时，它会产生很大的剪切力，从而能够稳定地去除待抛光的材料。 与CNC铣削（低精度）、CNC小磨头抛光（抛光功能不稳定）、应力盘抛光（大尺寸）相比，磁流变抛光技术具有适用范围广、次表面损伤小、加工精度高、表面形状收敛效率高等特点，广泛应用于半导体超精密光学透镜的生产。
离子束修边抛光机是另一种先进的光学加工设备，主要用于光学表面的纠错。 离子束改性可以在原子尺度上无应力、非接触地抛光，其原理是：在真空状态下，利用离子源发出离子束轰击光学表面，光学表面的原子在获得足够的能量后，将摆脱摆面的束缚， 导致物理溅射，原子级材料的原子被去除。离子束抛光具有很高的确定性和稳定性，没有边缘效应以及表面和次表面损坏，但去除效率低。 德国NTG公司是离子束抛光设备的重要供应商。 光学镀膜设备种类繁多，包括化学气相沉积、离子束等离子体溅射、原子层沉积等子分类。 德国布勒莱宝、日本广驰和日本新科隆是重要的涂装设备供应商。
超精密光学检测设备主要包括三坐标测量仪（用于铣削阶段，测量精度通常在10m左右）; 激光跟踪仪和接触式轮廓测量仪（用于磨削阶段，误差约1m）; Schak-Hartmann 传感器（用于亚微米级误差的初始抛光阶段）等。 菲索干涉仪是一种双光束干涉仪，它利用参考光束和测试光束产生干涉条纹，然后利用相位恢复算法从干涉条纹中推导出被测表面的表面形状误差。 Fiso干涉仪测量精度高，可达纳米级，采样点丰富，测量周期短，广泛应用于光学零件的高精度检测过程。 QED 和 Zygo 是重要的干涉仪供应商。
微晶玻璃是光刻机中透镜的主要原材料。 在光刻过程中，透镜吸收光的能量并产生热像差。 微晶玻璃具有热膨胀小的特点，可以最大限度地减少透镜变形，保证光学成像精度; 它还可以制成各种尺寸和形状，甚至最大为 4 码25米大光学镜头。 氟化钙晶体具有紫外透过率高、平均折射率和局部折射率恒定、理化性能稳定等特点，是光刻机光学系统中的核心光学材料之一。 氟化钙原本有望成为157nm光刻机透镜的主要原料，但由于放弃了157nm光刻解决方案，最终没有实现。 我国深紫外光刻级CaF2晶体目前高度依赖进口。
我国半导体光学产业链起步较晚，但在“超大型集成电路制造”等重大项目、激光核聚变、航天望远镜等国家大型光学项目以及民用领域市场需求的共同带动下，我国半导体光学产业取得了快速发展。 在覆盖90-65纳米的光刻和明场检测设备的基础上，28纳米工艺设备稳步推进，下一代新原理半导体光学设备的预研也已启动。
科益宏源已经拥有248台用于光刻机的193nm准分子激光器; Innova Laser推出266nm激光进行探测; Jeput和Han's Laser的激光器已应用于退火、切割和光电检测领域; 富景科技生产激光器用晶体元件; 爱科SAIBO参与同步辐射光源的建设，这是光刻机的潜在技术路线。 Echo Optoelectronics、凌云光、长光辰芯、Opt生产工业相机或CIS芯片，可用于半导电体积检测领域的科学仪器。 Echo Optoelectronics 的工业相机产品已在半导体测试领域出货。
华卓精科干式ARF光刻机工件工作台已经开发出货，更先进的工件工作台正在开发中。 华卓精科也是中科飞行测量第一运动平台的领先供应商。 其他国内体育平台公司包括上海银冠半导体、无锡星威科技、天津三盈精控、无锡地心科技、深圳克罗诺斯等。 SUDVIG 生产精度等级为 28 nm 或更高的载物台定位编码器。 在光学制造方面，国望光学和国科精密承担光刻机光学系统的研发制造任务，已成功研发出90个110nm节点投影物镜，是中国半导体超精密光学制造的龙头企业。 茂来光学、波长光电、炬光科技、富光股份、富光科技、富景科技、腾晶科技、光电子等具有一定的超精密光学元件加工能力。
在光学设备方面，国内科研机构和大专院校在磁流变抛光机、离子束抛光机等一些专用设备方面取得了突破。 但是，从国家在04专项实施完成后的情况来看，我国机床工具行业与国际先进水平还有15年左右的差距。 光学原材料方面：成都光明等四川企业是国内高端光学玻璃原材料的主要生产企业，在半导体光学领域不断取得突破。
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