光刻機(jī)光學(xué)市場(chǎng)概述

一、光刻機(jī)光學(xué)系統(tǒng)主要光學(xué)部件【物鏡、反射鏡、偏振器等】

二、全球光刻機(jī)光學(xué)部件市場(chǎng)規(guī)模

光刻機(jī)光學(xué)部件指直接參與光的傳輸和處理過(guò)程精密零部件。一臺(tái)光刻機(jī)主要由以下系統(tǒng)組成：光學(xué)系統(tǒng)、曝光光源系統(tǒng)、雙工作臺(tái)、浸沒(méi)系統(tǒng)、微電子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、精密機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。其中光學(xué)系統(tǒng)主要組成部分為光刻機(jī)的物鏡系統(tǒng)，一般由15-20個(gè)直徑為200～300mm的透鏡組成，用以補(bǔ)償光源通過(guò)掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面時(shí)產(chǎn)生的光學(xué)誤差，除此之外光學(xué)系統(tǒng)還包括反射鏡、偏振器、濾光片、光闌等。光學(xué)系統(tǒng)是光刻機(jī)的核心，光刻機(jī)的最小工藝節(jié)點(diǎn)越小，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的精度要求越高，同時(shí)價(jià)格更加昂貴，推高了第五代光刻機(jī)EUV的造價(jià)與售價(jià)。2023年全球光刻機(jī)光學(xué)部件市場(chǎng)規(guī)模為35億美元。

三、中國(guó)境內(nèi)光刻機(jī)光學(xué)部件市場(chǎng)規(guī)模

2023年中國(guó)光刻機(jī)光學(xué)部件市場(chǎng)規(guī)模為5億美元。蔡司僅向ASML供應(yīng)半導(dǎo)體光學(xué)部件，且ASML為其光刻機(jī)光學(xué)單一客戶(hù)。

四、光刻機(jī)光學(xué)部件主要競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)分析

光刻機(jī)光學(xué)的主要供應(yīng)商有蔡司、尼康、佳能，蔡司為絕對(duì)市場(chǎng)龍頭。1)ASML的光刻機(jī)光學(xué)部件主要由CarlZeissSMTGmbH供應(yīng)，且單位光學(xué)價(jià)值最高的EUV光學(xué)部件僅有蔡司有供應(yīng)能力;2)尼康在光學(xué)制造上從原材料到成品全流程生產(chǎn)，鏡片、鏡頭、反光鏡均自行研發(fā)，此外，還獨(dú)自開(kāi)發(fā)了組裝微調(diào)試技術(shù)以確保穩(wěn)定的光學(xué)性能。3)佳能和尼康業(yè)務(wù)模式較為類(lèi)似，都憑相機(jī)與鏡頭發(fā)家，并逐漸涉足光刻設(shè)備領(lǐng)域，其光學(xué)組件主要自行供應(yīng)。4)由于蔡司為ASM的光刻機(jī)光學(xué)獨(dú)供，ASM占有約82%的市場(chǎng)份額，估算蔡司在光刻機(jī)光學(xué)的市場(chǎng)份額也在80%以上，為絕對(duì)龍頭。

五、國(guó)產(chǎn)化率情況

光學(xué)部件是光刻機(jī)的核心組成部分之一，對(duì)于光刻機(jī)的性能和質(zhì)量具有決定性的影響。然而，由于國(guó)內(nèi)在光學(xué)材料、光學(xué)設(shè)計(jì)、光學(xué)加工等方面的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力相對(duì)較弱，導(dǎo)致光刻機(jī)光學(xué)部件的國(guó)產(chǎn)化率較低。

投影物鏡介紹

一、物鏡系統(tǒng)為最主要光學(xué)部件

投影物鏡系統(tǒng)被比作光刻機(jī)的“心臟”，是典型的超精密光學(xué)系統(tǒng)。投影物鏡系統(tǒng)的功能是至少將穿過(guò)掩模版圖案產(chǎn)生的1階衍射光收進(jìn)物鏡內(nèi)，并以一定比例縮小聚焦到預(yù)涂光刻膠的晶圓上，主要由各類(lèi)光學(xué)元件組成，其性能的高低直接決定了光刻機(jī)的分辨率及套刻精度。為了實(shí)現(xiàn)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(xué)加工、鍍膜和測(cè)量工藝制作。如今，ASML的先進(jìn)DUV設(shè)備，投影物鏡高度>1m，直徑>0.4m，物鏡內(nèi)各種鏡片的數(shù)量>15片，典型的投影物鏡包含近30塊鏡片，60個(gè)光學(xué)表面，最大直徑達(dá)0.8m。

二、投影物鏡成像問(wèn)題

光學(xué)鏡片投影過(guò)程中存在因透鏡結(jié)構(gòu)、光線(xiàn)波長(zhǎng)等因素造成的球差、彗差、散焦、場(chǎng)曲、色差等問(wèn)題。隨著光刻機(jī)的數(shù)值孔徑增大，分辨率下降，為了能刻蝕盡可能精細(xì)的線(xiàn)條，在物鏡實(shí)際工作過(guò)程中，全視場(chǎng)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(guò)幾納米?；诓煌南癫?、色差等問(wèn)題，光刻工藝對(duì)投影物鏡的制作提出更高的要求。

三、投影物鏡像差補(bǔ)償

由于單片投影物鏡存在球差、色差等問(wèn)題，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過(guò)組合投影物鏡進(jìn)行糾正。隨著數(shù)值孔徑的增加，分辨率達(dá)到衍射極限，所以對(duì)于像差的精準(zhǔn)度也相應(yīng)提高，包括了對(duì)環(huán)境控制，冷鏡頭/熱鏡頭的像差補(bǔ)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(méi)式裝置、引入反射元件。193nmDUV投影物鏡的發(fā)展經(jīng)歷了三次技術(shù)飛躍：1)采用非球面元件，起初為全球面結(jié)構(gòu)，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(méi)式系統(tǒng)，使NA達(dá)到1.07;3)引入反射鏡，采用折反式光學(xué)系統(tǒng)，配合浸沒(méi)式，將NA提升到1.3以上。此外，研究新的光學(xué)材料和浸沒(méi)液可以進(jìn)一步提高NA，但材料對(duì)深紫外光的吸收嚴(yán)重，可用作透鏡的材料有限，主要有融石英和CaF2，融石英技術(shù)成熟且熱膨脹系數(shù)低，是DUV的首選，CaF2加工難度大，成本昂貴，但會(huì)在鏡頭特定位置添加CaF2校正系統(tǒng)色差。

投影物鏡市場(chǎng)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(shù)國(guó)際頂級(jí)光學(xué)公司掌握，ZEISS是ASML關(guān)鍵光學(xué)元件的獨(dú)家供應(yīng)商。頂級(jí)單反相機(jī)鏡頭加工產(chǎn)生的像差在200nm以上，而ASML的ArFDUV投影物鏡像差在2nm內(nèi)。高端光刻機(jī)鏡頭的價(jià)值量接近0.6億美元，成本占比大。

二、投影物鏡最新研究進(jìn)展

High-NA接力支撐邏輯制程演進(jìn)，降本增效。UV光源發(fā)展到13.5nm的極紫外后，光學(xué)光刻已接近極限，下一代光源演進(jìn)只能向X射線(xiàn)發(fā)展，ASML早在2015年前就開(kāi)始研發(fā)高數(shù)值孔徑(0.55NA)的EUV平臺(tái)。相較于0.33NA的光刻機(jī)，High-NA光刻機(jī)可以將分辨率提高70%，支撐3nm及以下節(jié)點(diǎn)的繼續(xù)發(fā)展，將工藝步驟數(shù)簡(jiǎn)化33%，圖形化成本降低42%。與此同時(shí)，最后一面反射鏡的直徑擴(kuò)大到1.2m，質(zhì)量也明顯增加。ASML的High-NAEUV產(chǎn)品計(jì)劃于2024年交付。

三、EUV物鏡系統(tǒng)現(xiàn)狀

EUV物鏡系統(tǒng)為全反射結(jié)構(gòu)，拋光和鍍膜為關(guān)鍵工藝。EUV光波長(zhǎng)13.5nm，極易被材料(包括空氣)吸收，必須在真空條件下運(yùn)行，且照明系統(tǒng)和投影物鏡系統(tǒng)均為全反射鏡片。其中EUV物鏡系統(tǒng)由6片布拉格反射鏡組成，重約2噸，共2萬(wàn)個(gè)parts。反射鏡表面鍍有Mo/Si多層膜結(jié)構(gòu)，最高有100層堆疊，通過(guò)多層膜實(shí)現(xiàn)更高的反射效率，ZEISS與FraunhoferlOF研究所共同研發(fā)獨(dú)特的鍍膜系統(tǒng)，使反射率達(dá)到70%。嚴(yán)苛的光學(xué)精度要求，ZEISS遙遙領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)茂萊光學(xué)正在發(fā)力。由于全反射系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求光束相互避讓?zhuān)`差容忍度低，對(duì)光學(xué)元件加工的要求非常高。新一代EUV光刻機(jī)的反射鏡的面形精度為PV<0.12nm，表面粗糙度<30pm，原子級(jí)別的光潔度，全球僅ZEISS能達(dá)到。國(guó)內(nèi)茂萊光學(xué)PV<30nm，表面面形RMS<5nm，表面粗糙度<0.5nm，供貨上海微電子，應(yīng)用于l線(xiàn)光刻機(jī)物鏡中。

投影物鏡市場(chǎng)現(xiàn)狀

一、蔡司一家獨(dú)大

光刻機(jī)光學(xué)部件指直接參與光的傳輸和處理過(guò)程精密零部件。一臺(tái)光刻機(jī)主要由以下系統(tǒng)組成：光學(xué)系統(tǒng)、曝光光源系統(tǒng)、雙工作臺(tái)、浸沒(méi)系統(tǒng)、微電子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、精密機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。其中光學(xué)系統(tǒng)主要組成部分為光刻機(jī)的物鏡系統(tǒng)，一般由15-20個(gè)直徑為200-300mm的透鏡組成，用以補(bǔ)償光源通過(guò)掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面時(shí)產(chǎn)生的光學(xué)誤差，除此之外光學(xué)系統(tǒng)還包括反射鏡、偏振器、濾光片、光闌等。光學(xué)系統(tǒng)是光刻機(jī)的核心，光刻機(jī)的最小工藝節(jié)點(diǎn)越小，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的精度要求越高，同時(shí)價(jià)格更加昂貴，推高了第五代光刻機(jī)EUV的造價(jià)與售價(jià)。

光刻機(jī)光學(xué)的主要供應(yīng)商有蔡司、尼康、佳能，蔡司為絕對(duì)市場(chǎng)龍頭。1)ASML的光刻機(jī)光學(xué)部件主要由CarlZeissSMTGmbH供應(yīng)，且單位光學(xué)價(jià)值最高的EUV光學(xué)部件僅有蔡司有供應(yīng)能力;2)尼康在光學(xué)制造上從原材料到成品全流程生產(chǎn)，鏡片、鏡頭、反光鏡均自行研發(fā)，此外，還獨(dú)自開(kāi)發(fā)了組裝微調(diào)試技術(shù)以確保穩(wěn)定的光學(xué)性能。3)佳能和尼康業(yè)務(wù)模式較為類(lèi)似，都憑相機(jī)與鏡頭發(fā)家，并逐漸涉足光刻設(shè)備領(lǐng)域，其光學(xué)組件主要自行供應(yīng)。4)由于蔡司為ASM的光刻機(jī)光學(xué)獨(dú)供，ASM占有約82%的市場(chǎng)份額，我們估算蔡司在光刻機(jī)光學(xué)的市場(chǎng)份額也在80%以上，為絕對(duì)龍頭。

二、國(guó)產(chǎn)化任重道遠(yuǎn)

光刻機(jī)技術(shù)的一大難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)精確成像。光學(xué)投影式光刻的原理是將掩模版上的圖案經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)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(shí)際成像的差距相近，由于單個(gè)透鏡本身的光學(xué)特性會(huì)導(dǎo)致原始圖像的失真，故而要靠不同透鏡的組合來(lái)修正圖像的形變。對(duì)于ASML光刻機(jī)的投影物鏡來(lái)說(shuō)，也同樣需要以各種透鏡組合來(lái)修正成像質(zhì)量。DUV光刻機(jī)的投影物鏡的高度超過(guò)1米，直徑大于40厘米，物鏡內(nèi)各種鏡片的數(shù)量超過(guò)15片。目前市面上最高級(jí)的單反相機(jī)加工產(chǎn)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(nèi)。最高級(jí)別的單反鏡頭可支持全畫(huà)幅6千萬(wàn)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(huà)素。四大途徑縮小像差，設(shè)計(jì)、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(fù)合透鏡：復(fù)合透鏡由兩個(gè)或多個(gè)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(fù)透鏡以滿(mǎn)足佩茨瓦爾條件，即投影物鏡各光學(xué)表面的佩茨瓦爾數(shù)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(fù)透鏡使控制像差。故而選擇合適的材料和設(shè)計(jì)透鏡的形狀和曲率是光刻機(jī)光學(xué)供應(yīng)商的制造難點(diǎn)之一。2)選擇合適且高質(zhì)量的涂層材料：光學(xué)涂層可以調(diào)節(jié)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(zhǎng)和更高的能量，光學(xué)涂層的要求非常嚴(yán)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(shí)現(xiàn)所需的光學(xué)性能。選擇合適且高質(zhì)量的涂層材料是光刻機(jī)光學(xué)供應(yīng)商的制造難點(diǎn)之一。3)通過(guò)采用多片可動(dòng)鏡片：即自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，可根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)整鏡頭的形狀和曲率，來(lái)消除鏡頭組裝及光刻生產(chǎn)等過(guò)程中所產(chǎn)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(shù)值孔徑不斷增大的情況，保持視場(chǎng)大小及偏振控制性能，并嚴(yán)格控制像差和雜散光，是設(shè)計(jì)投影物鏡面臨的難題。這要求投影物鏡由更高質(zhì)量的光學(xué)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(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)試，對(duì)光刻機(jī)的環(huán)境和參數(shù)進(jìn)行精確的控制和調(diào)節(jié)。

超精密光學(xué)部件國(guó)產(chǎn)化任重道遠(yuǎn)。1)鏡片面形精度是描述鏡片表面形狀偏差的一種參數(shù)。PV表示“Peak-to-Valley”的縮寫(xiě)，即峰一谷值，通過(guò)測(cè)量鏡片表面的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的距離來(lái)計(jì)算，反映了鏡片表面的波動(dòng)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(zhì)量也會(huì)越好。2)表面光潔度指標(biāo)表示光學(xué)元件表面疵病，用于描述允許接受的劃痕、點(diǎn)子、氣泡等瑕疵在表面上的大小和數(shù)量。20/10表示表面允許存在直徑為20微米的瑕疵不超過(guò)10個(gè)。3)國(guó)產(chǎn)的物鏡系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了工藝上的突破，如茂萊光學(xué)生產(chǎn)的超精密物鏡系統(tǒng)用光學(xué)器件已實(shí)現(xiàn)搭載在i-line光刻機(jī)上，但其工藝相比蔡司供給ASML的EUV光學(xué)物鏡系統(tǒng)在面型精度、表面光潔度指標(biāo)等方便仍有較大差距，超精密光學(xué)部件國(guó)產(chǎn)化任重道遠(yuǎn)。

光學(xué)加工技術(shù)體現(xiàn)了光刻機(jī)光學(xué)企業(yè)底層競(jìng)爭(zhēng)力與核心能力。1)要生產(chǎn)制造高面形精度、高光潔度、低反射率的光學(xué)部件，在光學(xué)設(shè)計(jì)、材料選擇、加工工藝和后處理方面都十分關(guān)鍵。具體而言，光學(xué)設(shè)計(jì)確定光學(xué)元件的幾何形狀和光學(xué)特性，材料選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇適合的材料，加工工藝與后處理將設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為實(shí)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(xiàn)有的先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)已不再是簡(jiǎn)單的光學(xué)加工，在原有的拋光技術(shù)、鍍膜技術(shù)、膠合技術(shù)和主動(dòng)裝調(diào)技術(shù)等精密光學(xué)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，還需要輔有復(fù)雜儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真、高端鏡頭優(yōu)化設(shè)計(jì)及模擬分析、自動(dòng)控制及信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及快速實(shí)施、圖像形態(tài)學(xué)/融合/超分辨/頻率域處理等圖像算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)，從而不斷突破各類(lèi)加工和檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)部件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造?？傊?，精密光學(xué)制造行業(yè)有一定的進(jìn)入壁壘，擁有更為先進(jìn)的精密加工技術(shù)的企業(yè)護(hù)城河高筑。

三、全球及中國(guó)境內(nèi)投影物鏡市場(chǎng)空間

2021-2023年全球投影物鏡市場(chǎng)規(guī)模由7.2億美元上升到9.3億美元，中國(guó)境內(nèi)投影物鏡市場(chǎng)規(guī)模由1.3億美元上升到1.8億美元。