该类设备设计较为复杂，零部件技术指标要求较高，产业链涉及较广，其中光学系统作为最重要的组成之一，分别占光刻机以及半导体量/检测设备成本的30%/10%。我国在光刻机以及半导体量/检测设备自主可控需核心光学系统达到国际一流水平，目前我国头部光学厂商已具备一定工业级超精密光学加工能力，随着国内半导体行业快速发展、设备自主可控比例提升，半导体设备光学系统具有巨大的国产替代空间。
半导体光学检测设备为主流方案
光刻机为芯片生产的核心设备，直接影响制程工艺节点。根据中国工程院（转引自前瞻产业研究院），一台EUV光刻机包含了超过10万个零部件，主要包括照明系统、工作台系统、曝光系统等，全球供应商超过5000家。光学系统为光刻机重要组成，直接影响光刻机分辨率和良率，大约占光刻机成本的30%。
应用光学检测技术的半导体量/检测设备使用场景较广，根据VLSI Research和QY Research数据，2020年全球应用光学检测技术设备市场份额为75.2%。随着半导体制程已向亚纳米发展，半导体量/检测设备通过提升分辨率、提升算法和软件性能、以及提升设备吞吐量等方式进行改进，相关设备对于光学系统要求达到超精密光学等级，价值量不断提升。根据Gartner、SEMI以及中科飞测公告信息，我们预计2024年全球半导体量/检测设备光学系统市场规模有望达到13亿美元，而目前市场仍被Newport、蔡司、Zygo、Jenoptik等海外光学厂商主导。
国产替代空间广阔，国内厂商发力超精密光学领域
国内超精密光学厂商设备依赖进口，不利于国产光学厂商加工能力长期提升。长期以 来，我国超精密光学行业关键制造、检测设备较依赖进口，国产相关设备可靠性较低。根 据《关于南京茂莱光学科技股份有限公司首次公开发行股票并在科创板上市申请文件的审 核问询函之回复》披露，茂莱光学在生产环节中使用的关键进口设备包括镀膜机、干涉仪、 抛光机、研磨机、测量仪等，主要来源国家及地区包括德国、美国、日本、英国、新加坡、 韩国、马来西亚、泰国、中国香港及中国台湾。虽然绝大多数制造、检测设备已存在国产 替代供应商，但是部分镀膜机、磁流变抛光机设备暂无国产替代选择。短期看，进口设备 订单履约较为顺利，国内超精密光学厂商可使用进口设备进行工艺研发生产。长期看，如 果国内厂商逐步进入高端光学领域、国际贸易摩擦升级，若国内不能在关键制造、检测设 备形成自主可控，或影响国产半导体、生命科学领域光学系统发展。
国产超精密光学加工设备与海外仍有较大差距。我国高端光学元件超精密制造技术及 装备，相比国际前沿存在阶段性差距，成为制约高端装备制造业发展的重大短板。根据《高 端光学元件超精密加工技术与装备发展研究（2023）》（作者：蒋庄德，李常胜，孙林等）， 超精密光学元件制造的基础为高端光学加工机床，目前我国虽初步形成了超精密加工机床 自主研发能力，产品品种基本满足重点领域需求，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，国内光学厂商基本依赖进口超精密 光学加工、检测设备及核心零部件。
国内已培育出一批在关键设备及加工领域具备巨大潜力的企业，我国有望逐步实现超 精密光学元件自主可控。目前，包括 4m 及以上口径光学元件毛坯制造基础装备、轻量化 及超精密磨削装备、亚纳米级加工装备、超大口径光学元件超精密测量仪器在内的高端装 备处于国外禁运状态。国内企业已在消费级、工业级光学元件领域成长为龙头企业，正围绕超精密光学元件领域寻求突破。当前国内已培育了一批在高端设备领域基础良好的企业， 正重点突破全频谱纳米/亚纳米级精度创成、近无缺陷高表面完整性加工、超精密机床正向 设计与数据资源建构、超精密智能机床制造等共性关键技术，我国有望逐步实现国产光学 元件超精密光学自主可控。
光学检测或许取代电子束检测
与电子束检测技术相比，光学检测技术在精度相同的条件下，检测速度更具有优势。光学检测技术是指基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得晶圆表面的检测结果；电子束检测技术是指通过聚焦电子束至某一探测点，逐点扫描晶圆表面产生图像以获得检测结果。光与电子束的主要区别在于波长的长短，电子束的波长远短于光的波长，而波长越短，精度越高。在相同条件下，光学技术的检测速度比电子束检测技术快，速度可以较电子束检测技术快1,000倍以上。因此，电子束检测技术的相对低速度导致其应用场景主要在对吞吐量要求较低的环节，如纳米量级尺度缺陷的复查，部分关键区域的表面尺度量测以及部分关键区域的抽检等。
与X光量测技术相比，光学检测技术的适用范围更广，而X光量测技术主要应用于特定金属成分测量和超薄膜测量等特定的领域，适用场景相对较窄。
半导体质量控制设备是集成电路生产过程中核心设备之一，涉及对集成电路制造的生产过程进行全面质量控制和工艺检测，对设备的灵敏度、速度均有较高的要求。结合三类技术路线的特点，应用光学检测技术的设备可以相对较好实现有高精度和高速度的均衡，并且能够满足其他技术所不能实现的功能，如三维形貌测量、光刻套刻测量和多层膜厚测量等应用，进而使得采用光学检测技术设备占多数。
根据VLSIResearch和QYResearch的报告，2020年全球半导体检测和量测设备市场中，应用光学检测技术、电子束检测技术及X光量测技术的设备市场份额占比分别为75.2%、18.7%及2.2%，应用光学检测技术的设备占比具有领先优势，电子束检测技术亦具有一定的市场份额。
随着技术的不断发展，光学检测技术与电子束检测技术存在一定的潜在竞争可能，但光学检测技术面临技术迭代的风险较小，主要理由有以下方面：
①光学检测技术与电子束技术之间存在优势互补的情况。
受限于检测速度，电子束无法满足规模化生产的速度要求，导致其应用场景主要在对吞吐量要求较低的环节。同时，光学检测技术可以满足规模化生产的速度要求，但是比电子束检测在检测精度上存在一定劣势。因此，在实际应用场景中，往往会同时考虑光学检测技术与电子束检测技术特性，即当光学技术检测到缺陷后，用电子束重访已检测到的缺陷，对部分关键区域表面尺度量测的抽检和复查，确保设备检测的精度和速度。两种技术之间存在优势互补的情况。
②当前半导体质量控制主要依赖光学检测技术。
鉴于电子束检测通常接收的是入射电子激发的二次电子，无法区分具有三维特征的深度信息，因而部分测量无法用电子束技术进行检测，主要通过光学检测技术实现，如三维形貌测量、光刻套刻测量和多层膜厚测量等应用。以国际巨头科磊半导体为例，其在1998年通过收购AmrayInc公司获得电子束检测技术，开始开发电子束缺陷检测设备和电子束缺陷复查设备。截至目前，科磊半导体官网显示的电子束相关设备依然为电子束缺陷检测设备和电子束缺陷复查设备，未进一步拓展基于电子束技术的其他检测及量测设备。
同时，电子束检测技术在检测速度上存在制约。科磊半导体的总裁 RickWallace（任职2008年至今）曾直接提及光学技术的检测速度可以较电子束检测技术快1,000倍以上，电子的物理特性使得电子束技术难以在检测速度方面取得重大突破。相比而言，光学检测是最经济、最快的选择。
此外，根据VLSIResearch，2016年度至2020年度期间所有电子束检测设备在全球半导体检测和量测设备市场中的占比分别为 19.3%、20.4%、21.0%、17.4%和18.7%，其中，电子束缺陷检测设备和电子束缺陷复查设备两种设备占比分别为9.3%、10.8%、11.5%、9.2%和10.6%，电子束检测设备及部分细分产品市场占有率总体保持平稳，未见大幅增长的原因主要系受集成电路制程中的大部分质量控制环节无法通过电子束检测技术实现或设备无法达到检测速度要求。
③光学检测技术仍然为国家重点支持的领域。
根据《国家自然科学基金“十三五”发展规划》等政策，超高分辨、高灵敏光学检测方法与技术为国家自然科学基金委信息科学部“十三五”优先发展领域，其主要研究方向为突破衍射极限的光学远场成像方法与技术；多参数光学表征和跨层次信息整合以及单分子成像与动态检测；亚纳米级精度光学表面检测，包括三维空间信息精确
获取与精密检测、高灵敏度精细光谱实时检测技术。国家自然科学基金致力于通过超前部署，全面推进基础研究繁荣发展，为创新驱动发展提供持久动力，信息科学部优先发展光学检测技术一定程度反映了光学检测技术的重要性。
综上所述，光学检测技术和电子束检测技术未来均有不断发展的空间，光学检测技术可以通过持续提高光学分辨率，并结合图像信号处理算法等实现技术创新与突破，进一步提升并增强技术优势，带来设备应用比例的增加，从而进一步带动设备市场份额的提升。
文章来源： 金融界，未来智库，宽客吧
