文章大纲
半导体量检测概述
·半导体量检测与芯片良率
·晶圆缺陷类型
·检测类型与应用
量检测设备市场分析
·国产量检测设备现状
·量检测设备市场空间
·量测设备国际市场格局
国产化量检测设备突出重围
·量检测市场概况
·前道量检测与自动检测
·明场检测设备
量检测
半导体量检测概述
1.1 半导体量检测与芯片良率
半导体检测分为前道量检测、后道检测和实验室检测三个环节，各自承担着不同的检测任务，共同保障半导体产品的质量和性能。随着技术的不断发展，这些检测手段也将不断完善，以满足行业的高标准需求。
（1）半导体检测是确保产品质量和性能的关键环节，其分类根据不同的工序特点而有所不同。前道量检测主要发生在晶圆加工环节。在这一阶段，检测的核心任务是监控晶圆的加工质量。目前，前道量检测主要依赖于厂内产线的在线监控系统，这种实时监控能够及时发现并处理生产过程中的问题，确保晶圆加工的顺利进行。
（2）后道检测主要针对晶圆加工完毕后的芯片进行。这一阶段的检测包括芯片的电性测试和功能性测试，目的是确保芯片的性能满足设计要求。后道检测目前主要有两种形式：一是第三方测试，即委托专业测试机构进行检测；二是厂内产线在线监控，通过生产线上的检测设备进行实时监测，以保障产品质量。
（3）实验室检测则聚焦于失效样品的分析。当产品出现问题时，实验室检测将对其进行缺陷定位和故障分析，找出问题的根源。目前，实验室检测主要包括第三方实验室检测和厂内自建实验室检测两种方式。第三方实验室检测具有中立性和专业性，有助于提高检测结果的公信力；而厂内自建实验室则更便于快速响应和持续改进生产过程。
1.2 晶圆缺陷类型
在晶圆制造的全过程中，质量控制起着至关重要的作用，它是确保芯片生产良率的核心因素。从原材料的选择到最终的芯片封装，每一个环节都需要严格的质量监控。
（1）根据Kaempf的分类标准，晶圆缺陷主要分为随机缺陷和系统缺陷两大类。随机缺陷通常是由于晶圆表面的微小颗粒造成的，这些缺陷在晶圆上的分布位置是随机的，不易预测。这类缺陷可能会影响个别芯片的性能，但由于其随机性，通常不会对整批晶圆产生系统性影响。
（2）另一方面，系统缺陷则源自于光刻掩膜和曝光工艺中的系统性误差。这类缺陷往往出现在晶圆上具有亚分辨率结构特征的区域，并且会在同一片晶圆上不同芯片的相同位置上重复出现。系统缺陷的存在可能会导致整批晶圆的良率下降，因此需要特别关注并加以控制。
（3）进一步地，根据缺陷的表征，晶圆缺陷可以分为形貌缺陷、污染物和晶体缺陷三种类型。形貌缺陷主要指的是晶圆表面的微小粗糙面、凹坑等形态异常。污染物缺陷则包括分子层面的有机层和无机层污染物，以及原子层面的离子、重金属等杂质。这些污染物可能会影响晶圆的电学性能和可靠性。晶体缺陷则涉及到硅原子的失位或错位，以及非硅原子的掺杂问题，这些缺陷会直接影响晶圆的半导体特性。
通过对这些缺陷的精确识别和分析，质量控制措施可以有效地被实施，从而提高晶圆制造的良率，确保最终生产的芯片能够满足高标准的性能要求。因此，晶圆制造企业必须不断优化质量控制流程，采用先进的检测技术和工艺改进，以减少缺陷的产生，保障产品质量。
1.3 检测类型与应用
（1）光学检测技术以其快速、非接触的特点，在半导体行业中占据了主导地位。这种技术通过计算分析光信号来获得检测结果，其优势在于检测速度快、无需与检测对象接触，并且易于集成到生产线上。根据中科飞测的招股书资料，光学检测技术的速度可比电子束技术快逾1000倍，适用于28纳米及以下的所有先进制程。在技术成熟度、通用性和可靠性等方面，光学检测技术已经赢得了晶圆制造厂的广泛认可，成为了半导体质量控制领域的主流检测手段。据中科飞测的招股书显示，2020年全球光学检测技术市场规模达到了57.5亿美元，其在量检测设备市场的份额高达75.2%。
尽管光学检测技术具有众多优势，但它也存在一定的局限性。传统光学检测技术基于瑞利散射原理，这在一定程度上限制了其对先进制程晶圆缺陷的高灵敏度检测能力。此外，光学检测结果常常包含大量的噪声缺陷，即非致命性缺陷，这些缺陷可能会干扰对致命性缺陷的识别和检测，从而影响质量控制的效果。因此，虽然光学检测技术在当前仍然是主流，但行业也在不断探索和开发新的检测技术，以应对先进制程中日益复杂的挑战。
（2）电子束检测技术以其高精度而著称，但在速率和设备成本方面存在劣势。该技术通过将聚焦的电子束对准探测点，逐点扫描晶圆表面以生成图像，从而实现检测目的。由于电子束的波长远短于可见光的波长，电子束显微镜能够提供更高的分辨率，因此在测量精度上优于光学技术。然而，电子束检测的测量速度较慢，且设备成本高昂。此外，由于电子束检测主要依赖于入射电子激发产生的二次电子，它无法有效区分具有三维特征的深度信息，这就限制了其在某些检测应用中的使用，例如三维形貌量测、光刻套刻量测和多层膜厚量测等领域，这些通常更适宜采用光学检测技术。
根据中科飞测的招股书数据，2020年全球电子束检测技术市场规模为14.3亿美元，其在量检测设备市场的份额为18.7%。这表明虽然电子束检测技术在精度上有其独到之处，但由于成本和速度的限制，其在整体市场中的占比相对较低。电子束检测技术的这些局限性促使行业继续寻求更为高效和经济的技术解决方案，以适应日益复杂的半导体制造需求。
（3）暗场光学检测是一种关键的无图形检测手段，它在半导体制造中扮演着重要角色。无图形缺陷检测设备专门用于检测表面未刻蚀的晶圆，能够识别包括颗粒污染、凹坑、水印、划伤、浅坑、外延堆垛、CMP（化学机械抛光）突起等多种缺陷类型。这种技术在以下领域发挥着重要作用：1）在圆片制造领域，用于工艺研发中的缺陷检测以及圆片出厂前的最终检验流程；2）在芯片制造领域，用于来料品质检测、工艺控制（如薄膜沉积、CMP等）、圆片背面污染检测以及设备洁净度监测；3）在半导体设备制造领域，用于工艺研发中的缺陷检测和设备的工艺品质评估。
对于未经处理的裸晶圆片，颗粒和划痕是最常见的缺陷形式，这些缺陷在高频散射分量上表现出高灵敏度。因此，暗场显微镜等光学检测手段成为了检测这些缺陷的重要工具。
（4）相对而言，有图形检测主要依赖于明场光学技术。有图形缺陷检测设备用于检测集成电路上的刻蚀图案，其缺陷类型不仅包括纳米颗粒、凹陷、突起、划伤、断线、桥接等表面缺陷，还包括空洞、材料成分不均匀等亚表面和内部缺陷。由于图案的复杂性和材料种类的多样性，有图形缺陷检测更为复杂且挑战性更大。因此，高精密仪器、先进的建模方法和图像后处理算法的重要性日益凸显，它们是实现精确检测的关键。
市场分析
量检测设备市场分析
2.1 国产量检测设备现状
（1）2024年，全球半导体市场展现出强劲的复苏势头，预计将加速恢复增长。据美国半导体产业协会（SIA）的数据显示，2023年11月，全球半导体行业的销售额达到了480亿美元，同比增长5.3%。这一数据标志着行业在经历了连续6个月的同比降幅收窄之后，首次实现了同比增长，同时也连续9个月实现了环比增长。
在这一背景下，国际数据公司（IDC）对全球半导体市场的规模预测进行了上调。根据半导体产业纵横公众号的报道，IDC将2023年全球半导体市场的规模预测值从5188亿美元调整至5265亿美元。同时，对于2024年的市场规模预测，也从原先的6259亿美元上调至6328亿美元，同比增长率达到20.2%。
这一市场回暖趋势表明，全球半导体市场正在逐步走出低谷，2024年起有望迎来加速增长的阶段。短期内，市场复苏的动力主要来源于消费电子市场的逐步回暖。华为、苹果等知名品牌的新品发布，带动了消费者的换机热潮，为半导体市场注入了活力。而从长期发展来看，车用、数据中心、工业及人工智能等新兴领域的增长点，将成为推动全球半导体市场持续增长的关键因素。
（2）在当前全球半导体产业竞争加剧的背景下，中国大陆正积极加强在成熟制程产能方面的投资。以行业领军企业中芯国际为例，其最新发布的三季报显示，公司对2023年全年的资本开支进行了上调，预计将达到约75亿美元，较去年同比增长约18%。这一投资规模的增加，体现了中国大陆在半导体制造领域扩大产能的决心。据统计，2022年中国大陆在12英寸晶圆产能方面，已占据全球市场的22%。展望未来，预计到2026年，这一比例将进一步提升至25%。这一增长趋势表明，随着半导体行业需求的回暖，以及中国大陆晶圆厂的持续扩产，国内半导体设备市场有望实现长期稳健的增长。
根据日本半导体设备协会（SEAJ）的数据，2023年前三季度，中国大陆半导体设备的销售额达到了244.7亿美元，同比增长11.7%。特别是在第三季度，销售额同比增长了42.2%，这一显著的增长率进一步证明了国内半导体设备市场的强劲动力。随着中国大陆在半导体制造技术上的不断进步和产能的扩张，未来国内半导体设备市场的潜力巨大，将为全球半导体产业格局带来新的变化。
（3）在国内半导体产业自主可控的大趋势下，国内晶圆厂正在加快设备国产化的步伐。根据芯谋研究公众号的数据，2023年中国晶圆厂在设备采购方面的总额预计将达到299亿美元。在这一市场中，美国、日本、荷兰和中国本土设备商的市场份额分别占据43%、21%、19%和11%。与2020年相比，我国本土设备商的销售额实现了约233%的显著增长，市场占有率也提升了约4个百分点。尽管如此，国际巨头仍然在中国设备市场占据主导地位，显示出半导体设备国产替代的巨大潜力。
在国际政治经济环境方面，中美之间的高科技摩擦为国内晶圆厂的国产化进程增添了紧迫性。2022年10月7日，美国商务部工业与安全局（BIS）发布了出口管制新规，进一步限制中国在先进计算和半导体制造领域获取或使用美国的产品和技术。紧接着在2023年10月7日，美国BIS对之前的半导体出口禁令进行了升级，针对半导体制造设备，新规在受控设备清单中增加了数十个新的项目。
在这种背景下，国内晶圆厂正在积极推进国产供应链的整合，半导体设备的国产替代进程正在加速。这一系列动作不仅是为了应对外部环境的挑战，也是为了提升国内半导体产业的自主创新能力，确保产业链的安全和稳定。随着国产设备的性能不断提升和市场的逐步开拓，未来国内半导体设备市场有望实现更大的突破。
2.2量检测设备市场空间
在半导体制造过程中，量检测设备扮演着至关重要的角色，其在前道设备支出中占据了约10%的比例。晶圆厂的资本支出主要分布在三个部分：前道制造设备、后道封测设备以及厂房建设。根据中科飞测在2022年3月的数据，前道制造设备的支出占比高达80%，而在这些设备中，用于质量控制的设备大约占前道制造设备支出的10%。
根据VLSI Research和QYResearch的统计，全球半导体检测与量测设备市场在2020年至2022年间经历了显著增长。具体来说，市场规模在这三年间分别为76.5亿美元、105.1亿美元和126.3亿美元，复合年增长率（CAGR）达到28.49%。在中国大陆，半导体量检测设备市场的规模在2020年达到了21亿美元，占全球市场的27.45%。
这一数据表明，随着半导体制造技术的不断进步和市场需求的变化，量检测设备在晶圆厂的投资中占据了重要地位。中国大陆在全球半导体量检测设备市场中占据着较大的份额，这反映了国内半导体产业在质量控制和检测技术方面的快速发展，以及对于高端制造设备的日益增长需求。随着国内晶圆厂对先进制程技术的追求，预计量检测设备的市场将继续保持稳健增长。
2.3量测设备国际市场格局
（1）KLA拥有丰富多样的产品系列。在与应用材料、ASML、日立等国际半导体设备行业巨头相比较时，KLA在前道检测产品方面的种类最为全面，这一优势凸显了其在行业中的领导地位。在全球半导体量检测设备市场上，市场集中度相对较高，这一特点在2020年的数据中得到了充分体现。根据VLSI Research和QYResearch的联合分析，2020年该行业的CR5（市场集中度指数，即前五大企业的市场份额之和）达到了82%。在这一市场中，排名前五的设备供应商均来自技术先进的美国和日本，包括KLA、应用材料（Applied Materials）、日立（Hitachi）等知名企业。在这些领军企业中，KLA以其领先的技术和市场地位，占据了市场的一半以上，市占率高达51%。
这种高集中度的市场格局反映了半导体量检测设备行业的竞争壁垒和技术专属性。前五大设备商凭借其深厚的技术积累、品牌影响力和完善的全球服务网络，在市场中占据了主导地位。他们的产品和技术往往成为行业标准，对于整个半导体产业链的稳定性和先进性起到了关键作用。
KLA作为市场的领导者，其产品线覆盖了半导体制造的多个环节，包括光刻、蚀刻、沉积等，其高精度检测设备能够确保晶圆在生产过程中达到极高的质量标准。而其他几家供应商，如应用材料和日立，也在各自的专业领域内拥有显著的市场影响力。这种市场格局的形成，是半导体行业技术创新和资本密集特性的直接体现。
（2）得益于其在EUV光刻机市场的垄断地位，ASML的电子束检测设备在竞争中展现出显著的优势。ASML的量检测产品线主要分为光学和电子束两大类，其中电子束产品在全球范围内处于领先地位。据the information network的数据显示，2022年，ASML电子束检测设备的全球市场占有率达到了50%。
ASML在电子束检测市场的领先地位，得益于其在2016年对HMI（全球最大的电子束检测设备供应商）的收购。收购HMI后，ASML成功进入电子束检测市场，并相继推出了多款高性能的电子束检测设备，包括HMI eP5（OCD）和HMI eScan 600（用于检测多种类型的缺陷）等。
在2020年，ASML推出了全球首个多电子束晶圆缺陷检测设备HMI eScan 1000（拥有9个电子束），该设备主要针对3nm研发应用，其吞吐量比单电子束设备提高了600%。ASML目前独霸EUV光刻机市场，通过将其量检测设备与EUV光刻机系统进行配套，使得电子束检测设备在市场上拥有了无可比拟的竞争优势。这种优势不仅体现在技术层面，也体现在为客户提供一站式解决方案的能力上，进一步巩固了ASML在半导体检测设备领域的领导地位。
国产化
国产化量检测设备突出重围
3.1量检测市场概况
近年来，我国在半导体量检测设备领域的国产化率呈现出稳步上升的趋势。尽管在中国半导体检测和量测市场中，国产设备的占比相对较低，市场主导地位仍由国际巨头占据，但国内企业的发展势头不容小觑。根据VSLI的统计数据，2020年，KLA在中国市场的占有率高达54.8%。
在国内半导体量检测设备供应商中，上海精测、中科飞测、上海睿励等企业逐渐崭露头角。2022年，这些企业的营业收入分别为1.65亿元、5.09亿元和0.72亿元。从收入角度来看，2018年至2022年间，这三家公司在国内市场的份额合计分别为0.67%、0.60%、2.11%、2.38%和3.17%，显示出国产化率的整体增长趋势。
这一数据表明，尽管国产半导体量检测设备在市场上的份额尚小，但国内企业正逐步增强自身的技术实力和市场竞争力。随着国内半导体产业的快速发展，以及政策对自主创新和产业链安全的高度重视，国产量检测设备的市场份额有望继续扩大，国产化进程将进一步加速。这不仅有助于提升国内半导体产业的整体水平，也为国内企业提供了更多的发展机遇。
3.2前道量检测与自动检测
（1）在半导体检测领域，上海精测和武汉精鸿两家公司各司其职，分别承担着前道量检测和自动检测两大业务板块。这两家公司均为精测电子母公司下属的重要子公司，其主要业务涵盖了显示面板检测、半导体检测和新能源检测三大领域，而半导体检测业务则主要由上海精测和武汉精测这两大子公司来承担。
上海精测成立于2018年7月，自成立以来，公司成功吸引了国家集成电路产业投资基金股份有限公司、上海半导体装备产业投资基金合伙企业（有限合伙）等一批专业投资机构的关注和投资。上海精测主要专注于半导体前道检测设备的研究与开发，其子公司上海精积微在明场晶圆有图形缺陷检测设备领域取得了显著进展。此外，子公司武汉颐光则专注于高端光谱椭偏仪的研发和生产。
另一方面，武汉精鸿成立于2018年3月，其主要业务聚焦于自动化测试设备（ATE）领域，尤其是在存储芯片测试设备方面有着深入的研究和开发。武汉精鸿的产品线主要服务于存储芯片的测试需求，为半导体行业提供了高效的测试解决方案。
这两家公司的设立和发展，不仅体现了母公司在半导体检测领域多元化布局的战略思维，也展现了公司在细分市场中的专业化和技术创新能力。通过这样的业务划分和专注发展，上海精测和武汉精鸿在半导体检测设备领域逐步建立了自己的竞争优势
（2）专注于前道量检测设备的研发与生产，睿励仪器自2005年6月成立以来，已成为国内少数几家能够进入国际先进12英寸生产线的高端装备制造商之一。公司更是国内唯一一家其产品被韩国顶尖芯片生产企业采用的国产集成电路设备供应商。
睿励仪器的主营产品涵盖了光学膜厚测量设备、光学缺陷检测设备以及硅片厚度和翘曲测量设备等。公司自主研发的12英寸光学测量设备TFX300系列产品，已经在65/55/40/28纳米芯片生产线上得到应用。目前，该系列设备正在对14纳米工艺进行验证。在3D存储芯片产线方面，睿励仪器的设备已经支持了64层3D NAND芯片的生产，并且正在对96层3D NAND芯片的量测性能进行验证。
睿励仪器的成长和发展，不仅体现了公司在高端装备制造领域的实力，也标志着国内集成电路前道检测设备在技术创新和市场应用方面的重大突破。
3.3.明场检测设备
首台具有领先地位的明场检测设备TB1000已顺利交付客户进行试用，标志着天准科技在视觉装备领域的又一重大突破。天准科技始终专注于视觉装备的研发与创新，其主要产品涵盖了视觉量测设备、视觉检测设备、视觉制程设备以及智能网联方案。这些产品在消费电子、光伏、汽车、PCB等多个领域发挥着重要作用。在半导体领域，公司更是积极布局，于2021年5月成功收购德国MueTec公司全部股权，致力于推动MueTec产线技术的升级，以满足55nm、28nm等先进工艺节点的需求。
为进一步丰富公司在半导体检测领域的产品线，2021年11月，天准科技联合设立了苏州矽行半导体技术有限公司（截至2023年中报，持股比例为13.72%）。经过不懈努力，2023年8月，苏州矽行成功研发并交付了首台半导体前道微观缺陷检测的明场检测设备TB1000，为客户提供了高效、精准的检测解决方案。这款设备的问世，不仅展示了天准科技在视觉检测领域的强大实力，也为我国半导体产业的发展注入了新的活力。
参考资料来自：国海证券、驭势资本研究所