半导体光学产业链深度报告：晦极而明，半导体光学迈向璀璨转折点

光学领域仍为设备自主可控最短板：国产光刻机（覆盖 90nm 工艺）与量检测设备（明场工艺可覆盖 65nm ）仍为半导体设备自主可控最短板。国内光学产业链发力攻克难关：量检测等光学设备营收快速增长，2023年主要上市公司营收规模合计可能达到十余亿元，对上游光学元件需求有望快速增长。 光学元件影响关键性能指标，进口依赖国外：半导体光学设备使用激光器、工业相机（光电传感器）、运动平台（工件台）等多种光学元件；上述元件技术水平决定光刻机/量检测设备性能。2021年全球半导体光学零部件市场约82亿美元，海外企业占据市场主导地位；国内进口面临供应链风险，制约国内光刻与量检测设备迈向更高端制程。 精密光学制造加工难度大，国内尚存差距：加工、材料、设备等环节共同决定精密光学的工艺水平，需要漫长时间的积累与磨合。VLSI统计2022年全球工业精密光学加工市场规模160亿人民币，多数蔡司、尼康等海外企业占据。我国超精密光学加工产业起步较晚，整体仍处于追赶状态，进步空间大。 国内半导体光学产业链初具规模：受益于多个行业需求带动与国家重大专项支持，我国半导体光学产业进步较快：围绕光刻设备平台，长春光机所、科益虹源、华卓精科等企业技术快速进步；光刻与量检测设备存在大量技术重叠，两大领域互相支援、和谐共振，加快国内半导体光学产业发展。 投资建议：建议关注英诺激光、大族激光、杰普特、埃科光电、奥普特、凌云光、苏大维格等光学元件企业，与茂莱光学、波长光电、福晶科技、腾景科技、炬光科技、福光股份、奥普光电等精密光学加工企业。 风险提示：半导体光学产品需求不及预期；技术研发不及预期；海外供应链风险；行业竞争加剧。 表1：重点公司投资评级: x 伴随半导体产业的不断发展，集成电路线宽不断缩小；光刻与量检测等光学设备出货量快速增长，设计也愈发复杂精密。光学设备的半导体光学元件市场规模快速扩大，生产门槛也大幅提高，逐渐形成了单独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、光学部件、其他光学元件、光学仿真软件等。 光学元件设计与超精密加工技术的进步，需要长期的经验积累。18世纪早期光学产业主要分布在法国与英国；第二次工业革命中，以耶拿市为摇篮的德国光学产业后来居上，孕育了现代光学产业。第二次世界大战后，日本民用光学产业逐渐发展，并奠定了日本在半导体光学的行业地位；同时期美国凭借其技术和经济优势，同样聚集了一批领先的光学企业。故全世界的领先半导体光学企业分为美国、欧洲、日本三大集群。 以光刻机和明场量检测设备为代表的半导体光学设备，是集成电路产线中精确度最高的设备。典型的刻蚀与薄膜沉积设备通常采用化学气体或液体作为反应原材料，通过机械学、电磁学、热力学、流体学等原理，对反应（生产）过程进行微调，有时也借助光谱仪等测量仪器进监控工艺状况。但受制于气体/液体的物理特性，绝大多数刻蚀或薄膜沉积设备单独工作时精度有限。 相比之下，使用短波长光源的光学设备具有极高的精确度。任意一个光电场的完整物理量包括频率、振幅、相位和偏振态。以光学量检测为例，晶圆缺陷检测一般在线性光学系统中进行，频率通常不会改变；但由于光的波粒二象性，其振幅、相位、偏振态均会发生改变。 光刻机使用的光源包括 436/365nm 波长的汞灯光源，2 48/193nm 波长的深紫外准分子光源（Kr/Ar气体与氟气在高压强电场环境下结合又分解，释放光子），及1 3.5nm 波长的极紫外光源（二氧化碳激光器两次轰击锡液滴产生 13.5nm 波长光线）。光源的关键技术参数有脉冲频率、持续时间、单个脉冲能及其稳定性、输出功率等；其中功率决定光刻机的产能，最新型的光源功率已达120w。采用短波长光源设计的设备通常能获得较高的分辨率。 光刻机使用气态准分子激光，量检测设备通常采用全固态激光。全固态激光具有线宽窄、体积小、稳定性高、光束质量好等优点。以 266nm 深紫外全固态激光为例，其产生方式为：掺钕的钇晶体产生 1064nm 波长的近红外激光，再经由BBO、LBO、KBBF等晶体的和频或倍频，将波长缩短为原来的1/4，最终得到 266nm 波长的激光。类似的原理，近红外激光三倍频即 1064nm 波长除以3可得到 355nm 波长激光。 激光器广泛应用在多个行业，如上图，全球激光器市场规模从2016年的107.5亿美元增长至2020年的160.1亿美元，年均复合增长率达10.47%。光刻用激光器2020年市场规模为12.75亿美元。随着EUV光刻机全球出货量快速增长，DUV光刻机需求旺盛，用于产生EUV光的 CO2 光源、DUV用准分子光源，有望推动光刻用激光器市场规模持续扩大。量检测设备用激光器需求规模也有望同步增长。 TDI相机属于工业相机的分支，2022年市场规模约为2.5亿美元，主要厂商包括日本的滨松光学，德国vieworks公司，加拿大teledyne等。CIS芯片为TDI芯片的核心元件。根据yole统计，2021年军工/航天（包含科学仪器）CIS芯片市场规模约为4亿美元，行业前六名分别为Teledyne（41.5%）、onsemi（安森美15.46%）、BAEFairchild（8.46%）、Hamamatsu（滨松6.78%）、Sony（索尼6.49%）、长光芯辰（6.24%）。 以光刻工件台例，运动平台采用了多项特殊设计，以满足半导体光学的工艺要求。 高度轻量化：为降低运动惯量，减轻电机负载，提高运动效率，运动平台普遍采用轻量化结构设计，轻量化最高可达到90%；高形位精度：为实现高精度运动和定位，运动台结构具有极高的形位精度；高尺寸稳定性：运动台结构件不易因为温度或力度而变形；清洁无污染：运动台具有极低的摩擦系数，动能损失小，无磨削颗粒的污染。上述特殊设计，需要激光干涉/平面光栅测量，特种光学元件加工，先进材料，多层压电驱动器等多项关键技术支持。 超精密光学加工是光学元件的成形工序，其技术路线分为触式和非接触式两大类。 在接触式制造技术中，最具代表性的方法是数控研磨抛光（CCP），单点金刚石切削以及磁流变抛光（MRF）技术。在非接触制造中，主要方法包括磨料射流抛光、等离子体成型和离子束抛光等技术。数控加工技术、计算机辅助设计等新技术，正被逐步运用到超精密光学加工领域，大幅提升生产效率和品质保证能力，古典法抛光工艺正被逐渐取代。 超精密光学表面镀膜工序，可提高光学元件透射/反射/偏振/强激光耐受等能力。 精密光学元件向功能集成化和高精度方向发展，其偏振分光、减反射、光谱波长准确定位（纳米级）等性能只能通过镀膜来实现。镀膜主要方法包括：等离子体镀膜、离子束镀膜、激光束镀膜、化学气相薄膜沉积等。集成电路制造所采用的原子层沉积等镀膜技术也被逐步采用，提升效率和良品率、降低成本效果明显。 超精密光学检测/测量技术是另一项挑战。自动化检测设备通过信号采集和软件分析，可无接触式自动判断面形和加工精度，准确度高。传统的光学样板接触式检验（接触对元件表面有污染和损伤）和个人主观判断检验法，被快速取代。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、拼接式干涉测量仪等。其中，面型检测主要使用轮廓仪和斐索干涉仪，粗糙度检测主要使用原子力显微镜和白光干涉仪器。 超精密光学检测在保障光学元件质量的同时，为数控加工系统提供大量光学元件的实时数据参数，辅助指导抛光/镀膜/修型等工艺。因此，光学检测精度一定程度决定了加工精度。 磁流变抛光机是1980s发展起来的一种数控高端光学制造设备。美国QED公司的磁流变抛光机受到海外严格的出口限制。其原理为：磁流变液进入抛光区后，在磁场作用下成为粘塑性的介质，作为“柔性抛光头”；其与光学零件表面接触时会产生很大的剪切力，从而实现对抛光对象材料的稳定去除。 相比于数控铣磨（精度低）、数控小磨头抛光（抛光函数不稳定）、应力盘抛光（多适用于大尺寸），磁流变抛光技术具有应用范围广、亚表面损伤小、加工精度高、面形收敛效率高等特点，广泛应用于半导体超精密光学镜片生产中。 超精密光学检测设备主要包括三坐标测量仪，(用在铣磨阶段，测量精度通常10μm左右)；激光跟踪仪和接触式轮廓测量仪（研磨阶段使用，误差1μm左右)；夏克-哈特曼传感器（用于初抛光阶段，误差亚微米量级）等。 斐索干涉仪是一种双光束干涉仪，利用参考光束和测试光束生成干涉条纹，再利用相位恢复算法从干涉条纹中得出被测面的面形误差。斐索干涉仪测量精度高，最高可达纳米等级，采样点丰富，测量周期短，在光学件面形高精度检测工序中被广泛采用。美国QED公司、Zygo公司是重要的干涉仪供应商。 华卓精科可用于干式ArF光刻机的工件台已完成研发并出货，更先进的工件台研发中。华卓精科也是中科飞测供应运动平台的供应商。其他国产运动平台企业包括上海隐冠半导体、无锡星微科技、天津三英精控、无锡地心科技、深圳克洛诺斯等。苏大维格生产工件台定位用光栅尺，其精度等级满足 28nm 或更高级别的技术需求。 光学制造方面，国望光学、国科精密承担光刻机光学系统研发制造任务，已成功研制9 0/110nm 节点投影物镜，为我国半导体超精密光学制造领先企业。茂莱光学、波长光电、炬光科技、福光股份、福晶科技、腾景科技、奥普光电具备部分超精密光学元件加工能力。 我国高端光学制造装备发展路线图 据来源：《高端光学元件超精密加工技术与装备发展研究》（蒋庄德等），财通证券研究所 光学设备方面：国内科研机构和院校在磁流变抛光机、离子束抛光机等部分专用设备已取得突破。但以04专项实施完毕后的状态来判断，我国机床行业与国际先进水平仍有15年左右的差距。 光学原材料方面：成都光明等四川企业为我国高端光学玻璃原材料主要生产商，正不断向半导体光学领域发力突破。 5投资建议 光刻机大部件生产商均为非上市企业，但在光刻机大部件更上游/其他小型光学元件生产环节，有多家上市公司参与；此外，多家上市公司为国产量检测设备供应重要光学元件。伴随国产量检测设备出货量快速增长，国产光刻设备研发稳步推进，相关企业半导体光学业营收与利润有望快速增长。 建议关注英诺激光、大族激光、杰普特、埃科光电、奥普特、凌云光、苏大维格等光学元件企业，与茂莱光学、波长光电、福晶科技、腾景科技、炬光科技、福光股份、奥普光电等精密光学加工企业。 6风险提示 半导体光学产品需求不及预期：半导体光学设备企业的产出规模，决定半导体光学产品的市场需求。2024年全球半导体市场景气度复苏存在不确定性，可能导致半导体光学部件需求不及预期，拖累相关公司业绩。 技术研发不及预期：高端半导体光学产品存在较高的技术和验证壁垒，需要下游光学设备厂密切配合，新产品的研发进度存在不确定性；若研发验证或客户导入进度慢，可能会对相关公司的业绩造成不利影响。 海外供应链风险：半导体光学部件企业有部分上游供应链仍依赖海外，若海外出口限制加剧，可能会对国内企业产生不利影响。 行业竞争加剧：国内有多家企业具备半导体光学产品研发潜力，若未来竞争加剧，可能会影响相关企业盈利能力。