光学系统为光刻机最核心部件，蔡司是全球光学部件供应商
思瀚产业研究院    2025-06-12

一、全球光刻机光学市场规模达35 亿美元，蔡司一家独大

光刻机光学部件指直接参与光的传输和处理过程精密零部件。一台光刻机主要由以下系统组成：光学系统、曝光光源系统、双工作台、浸没系统、微电子系统、计算机系统、精密机械系统和控制系统等。其中光学系统主要组成部分为光刻机的物镜系统，一般由 15～20 个直径为 200～300mm 的透镜组成，用以补偿光源通过掩模版照射到附有光刻胶的硅片表面时产生的光学误差，除此之外光学系统还包括反射镜、偏振器、滤光片、光阑等。

光学系统是光刻机的核心，光刻机的最小工艺节点越小，对光学系统的精度要求越高，同时价格更加昂贵，推高了第五代光刻机 EUV 的造价与售价。

光刻机光学系统主要光学部件

物镜（Lens）由 20 多块透镜镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅)上，并且物镜还要补偿各种光学误差技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。

反射镜（Mirror）反射光线，将光线引导到透镜或者其它光学组件中。常用的反射镜包括平面反射镜和倾斜反射镜。平面反射镜能够将光线反射到其它方向，倾斜反射镜能够将光线反射到不同的角度和位置。

偏振器（Polarizer）控制光线的偏振状态，将光线的振动方向限制在特定方向上。包括线性偏振器和圆偏振器，能够控制光线的偏振方向和振幅，从而控制光斑的形成和分布。

滤光片（Filter）控制光线的波长，只允许特定波长的光线通过。包括窄带滤光片和宽带滤光片，能够控制光线的波长分布，从而控制光斑的形成和色彩。

光阑（Aperture）控制光线的强度和分布，可以通过限制光线的传播和分散来控制光斑的大小和形状。包括圆形光阑和方形光阑，它们能够限制光线的传播和散射，从而控制光斑的形成和分布。

蔡司为 ASML 的光学部件独家供应商。根据 ASML 年报，其光刻机总供应商约 5150 家，包括美国、德国、日本、中国台湾厂商。其中 CarlZeissSMTGmbH 是 ASML 光刻机的透镜、反射镜、照明器、采集器和其他关键光学部件的独家供应商，2022-2024 年 ASML 采购的蔡司光学部件的数额分别为 26.9、33.3、39.5 亿欧元。

我们估算全球光刻机光学部件市场规模为 53 亿美元。蔡司仅向 ASML 供应半导体光学部件，且 ASML 为其光刻机光学单一客户，ASML 也仅向蔡司采购光学部件，2024 年蔡司半导体营收为 41 亿欧元，ASML 光刻机销售收入为 206 亿欧元，考虑全球光刻机市场规模为264 亿美元，我们估算全球光刻机光学市场规模为 53 亿美元。

光刻机光学的主要供应商有蔡司、尼康、佳能，蔡司为绝对市场龙头。1）ASML 的光刻机光学部件主要由 CarlZeissSMTGmbH 供应，且单位光学价值最高的 EUV 光学部件仅有蔡司有供应能力；2）尼康在光学制造上从原材料到成品全流程生产，镜片、镜头、反光镜均自行研发，此外，还独自开发了组装微调试技术以确保稳定的光学性能。3）佳能和尼康业务模式较为类似，都凭相机与镜头发家，并逐渐涉足光刻设备领域，其光学组件主要自行供应。4）由于蔡司为 ASML 的光刻机光学独供，ASML 占有约 61%的市场份额，我们估算蔡司在光刻机光学的市场份额也在 60%以上，为绝对龙头。

二、投影物镜国产之路道阻且长，蔡司技术水平遥遥领先

1、DUV 投影物镜之难：四大途径缩小像差，设计、材料、工艺、组装缺一不可

光刻机技术的一大难点是实现精确成像。光学投影式光刻的原理是将掩模版上的图案经过光学系统投影后缩小再曝光到硅片上。精确成像即使得硅片上的成像尽可能地与实际成像的差距相近，由于单个透镜本身的光学特性会导致原始图像的失真，故而要靠不同透镜的组合来修正图像的形变。对于 ASML 光刻机的投影物镜来说，也同样需要以各种透镜组合来修正成像质量。DUV 光刻机的投影物镜的高度超过 1 米，直径大于 40 厘米，物镜内各种镜片的数量超过 15 片。

四大途径缩小像差，设计、材料、工艺、组装缺一不可：

1）需采用折射率不同的材料组成复合透镜：复合透镜由两个或多个折射率不同的材料组成，一般而言，必须使用大尺寸的正透镜和小尺寸的负透镜以满足佩茨瓦尔条件，即投影物镜各光学表面的佩茨瓦尔数为零。透镜尺寸的增加将消耗更多的透镜材料，大大提高物镜的成本；而小尺寸的负透镜使控制像差。故而选择合适的材料和设计透镜的形状和曲率是光刻机光学供应商的制造难点之一。

2）选择合适且高质量的涂层材料：光学涂层可以调节镜头表面的反射和透射特性，从而减小反射和散射，降低像差。由于较短的波长和更高的能量，光学涂层的要求非常严格，需要具有高透射率和低散射率，涂层通常由几十层不同材料的薄膜堆积而成，每层膜的厚度和折射率都被精确地控制，以实现所需的光学性能。选择合适且高质量的涂层材料是光刻机光学供应商的制造难点之一。

3）通过采用多片可动镜片：即自适应光学技术，可根据需要动态地调整镜头的形状和曲率，来消除镜头组装及光刻生产等过程中所产生的各种像差。

4）要求更高的投影物镜的偏振控制性能：在引入偏振光照明后，在数值孔径不断增大的情况，保持视场大小及偏振控制性能，并严格控制像差和杂散光，是设计投影物镜面临的难题。这要求投影物镜由更高质量的光学材料制成，具有高精度的制造和安装要求。此外，还需要更精密的光学设计和测试，对光刻机的环境和参数进行精确的控制和调节。

2、EUV 反射系统之难：原子级平整度，仅蔡司有生产能力

不同于 DUV 光刻机的物镜系统，EUV 光刻机采用的是带有镀膜的非球面镜组成的离轴反射系统，难点主要在于：

1）原子级平整度要求。ASML 的 EUV 光刻技术采用了极紫外线作为光源。极紫外线又称为软 x 射线，其波长短、穿透性强，DUV 所用的透射式系统无法使极紫外线偏折，故而物镜系统中只能使用全反射的投影系统。由于 EUV 能量很高，可以引起反射镜表面的化学反应和损伤。反射镜需要通过高度纯净的材料和表面镀层，同时也需要非常精确的表面形状和光学特性来最小化能量损失。镀膜方面，由钼和硅的交替纳米层制作、最高达 100 层，且多层膜厚度误差在 0.025nm（原子级别）。平整度方面，非球面镜面型精度误差低于 0.25nm。因此 EUV 反射镜被誉为“宇宙中最光滑的人造结构”、“世界上最精确的反射镜”。

2）真空洁净度要求。由于绝对的平整度要求，任何环境中的微小颗粒都会对工艺质量造成极大破坏，所以整套系统要求极高的真空洁净度，蔡司位于Oberkochen 的实验室能达到该要求。

3、超精密光学部件国产化虽已实现突破，但与蔡司相差甚远、任重道远

超精密光学部件国产化任重道远。

1）镜片面形精度是描述镜片表面形状偏差的一种参数。PV 表示“Peak-to-Valley”的缩写，即峰-谷值，通过测量镜片表面的最高点与最低点之间的距离来计算，反映了镜片表面的波动情况，PV 值越小，则表示表面形状越接近理想形状，镜片的成像质量也会越好。

2）表面光洁度指标表示光学元件表面疵病，用于描述允许接受的划痕、点子、气泡等瑕疵在表面上的大小和数量。20/10 表示表面允许存在直径为 20 微米的瑕疵不超过 10 个。

3）国产的物镜系统已实现了工艺上的突破，如茂莱光学生产的超精密物镜系统用光学器件已实现搭载在 i-line 光刻机上，但其工艺相比蔡司供给 ASML 的 EUV 光学物镜系统在面型精度、表面光洁度指标等方便仍有较大差距，超精密光学部件国产化任重道远。光学加工技术体现了光刻机光学企业底层竞争力与核心能力。

1）要生产制造高面形精度、高光洁度、低反射率的光学部件，在光学设计、材料选择、加工工艺和后处理方面都十分关键。具体而言，光学设计确定光学元件的几何形状和光学特性，材料选择根据设计要求选择适合的材料，加工工艺与后处理将设计要求转化为实际的加工和表面处理操作，以获得所需的面形精度、表面光洁度和反射率。

2）现有的先进光学制造技术已不再是简单的光学加工，在原有的抛光技术、镀膜技术、胶合技术和主动装调技术等精密光学制造技术的基础上，还需要辅有复杂仪器系统设计及仿真、高端镜头优化设计及模拟分析、自动控制及信号采集系统设计及快速实施、图像形态学/融合/超分辨/频率域处理等图像算法等计算机技术，从而不断突破各类加工和检测技术，实现光学部件与系统的设计与制造。总之，精密光学制造行业有一定的进入壁垒，拥有更为先进的精密加工技术的企业护城河高筑。

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