报告出品/作者：信安证券、马良、郭旺

以下为报告原文节选

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1.半导体量检测设备：芯片良率的重要保障

1.1.半导体量检测设备分为前道和后道

集成电路产业链包括集成电路设计、集成电路晶圆制造、芯片成品制造和测试、设备和材料行业。集成电路芯片成品制造与测试的客户是集成电路设计公司和系统集成商，设计公司设计出芯片方案或系统集成方案，委托集成电路制造商生产晶圆（芯片），然后将芯片委托封测企业进行封装、测试等，再由上述客户将产品销售给电子终端产品组装厂。

半导体量检测设备是半导体制造过程中对芯片性能与缺陷的进行检测的关键设备，分为前道和后道检测。前道检测主要用于晶圆加工环节，主要是针对光刻、刻蚀、薄膜沉积、清洗、CMP等每个工艺环节的质量控制的检测，目的是检查每一步制造工艺后晶圆产品的加工参数是否达到设计的要求或者存在影响良率的缺陷，属于物理性的检测；半导体后道测试设备主要是用在晶圆加工之后、封装测试环节内，主要是利用电学对芯片进行功能和电参数测试，主要包括晶圆测试和成品测试两个环节，目的是检查芯片的性能是否符合要求，属于电性能的检测。

1.2.前道量检测设备贯穿晶圆制造各个环节，是芯片良率的重要保障

量检测设备是芯片良率的重要保障，贯穿晶圆制造各个环节。芯片制造过程中产生的缺陷会影响产品设备的最终良率，额外增加厂商的生产成本。根据YOLE的统计，工艺节点每缩减一代，工艺中产生的致命缺陷数量会增加50%，因此每一道工序的良品率都要保持在非常高的水平才能保证最终的良品率。当工序超过500道时，只有保证每一道工序的良品率都超过99.99%，最终的良品率方可超过95%；当单道工序的良品率下降至99.98%时，最终的总良品率会下降至约90%，因此，制造过程中对工艺窗口的挑战要求几乎“零缺陷”检测和量测环节贯穿制造全过程，是保证芯片生产良品率非常关键的环节。按照检测技术分类来看，目前主要的检测技术主要分为光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术，其中光学检测是目前主流技术。根据VLSI Research和QY Research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%，应用光学检测技术由于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，因此采用光学检测技术的设备占比具有领先优势。

光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术的差异主要体现在检测精度、检测速度及应用场景上。光学检测是目前应用最广的技术，具备精度高、速度快的优点，能满足大规模生产。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；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。

➢光学检测技术：基于光的波动性和相干性实现测量远小于波长的光学尺度，并通过对光信号进行计算分析以获得晶圆表面的检测结果。可以满足规模化生产的速度要求，相对较好实现高精度和高速度的均衡，具有分辨率高、运用范围广和损伤性小的特点，但是需借助其他技术进行辅助成像并在检测精度上不及另外两种技术。光学检测技术可进一步分为无图形晶圆激光扫描检测技术、图形晶圆成像检测技术和光刻掩膜板成像检测技术，在量测环节中发挥了主要作用。

➢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，精度更高并可以直接成像进行测量，但速度相对较慢、分辨率低。

➢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。

总体来看，电子束具备精度优势，但是受限于检测速度，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。科磊半导体的总裁Rick Wallace（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。

因此，结合三类技术路线的特点，在实际应用场景中往往会将光学技术与电子束技术相结合，即通过光学检测设备寻找并快速锁定缺陷位置，并由电子束检测设备重访已检测到的缺陷并进行成像处理，对部分关键区域表面尺度量测进行抽检和复查，确保设备检测的精度和速度，两种技术的结合使用能够提高量检测的效率，同时降低对芯片的破坏性。

另外，由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。

应用于前道制程和先进封装的质量控制根据工艺细分为检测（Inspection）和量测（Metrology）两大设备。检测指对晶圆表面上或电路结构中是否出现异质情况进行检测，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷；量测主要针对晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测。

1.2.1.前道量检测设备：针对晶圆制造中相关物理参数测量

集成电路制造和先进封装环节中的量测主要包括三维形貌量测、薄膜膜厚量测、关键尺寸量测、套刻精度量测等，主要对透明薄膜厚度、不透明薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等指标进行测量，对应的设备分为四探针、椭偏仪、CD-SEM设备、OCD 设备、原子力显微镜、薄膜量测等。

量测环节中光学检测技术发挥主要作用，运用光的波动性和相干性实现测量远小于波长的光学尺度，通过对光信号进行计算分析以获得晶圆表面的检测结果，若一条产线中量测结果持续偏离设计值，表明产线工艺出现了问题，需要进行问题的排查。

三维形貌量测：通过宽光谱大视野的相干性测量技术，得到相关区域电路图形的高精度三维形貌，对晶圆表面的粗糙度、电路特征图案的高度均匀性等参数进行测量，从而对晶圆的良品率进行保证。

套刻精度量测：集成电路上电路图形每一部分之间相对位置的套刻对准直接影响了整个器件性能、成品率及可靠性。套刻精度测量原理是利用光学显微成像系统获得两层刻套目标图形的数字化图像，然后基于数字图象算法，计算每一层的中心位臵，从而获得套刻误差。目前市面上使用较多的设备是KLA-Tencor的Archer系列和ASML的μDBO产品。Archer系列利用的是光的反射原理，ASML的量测方法则是利用光的衍射原理。

➢Archer系列：采用光的反射进行量测，通过使用高分辨率显微镜将当层和前层(事先已经设置好)的量测标识叠在一起进行拍照，将拍好的照片传到分析软件通过模型对反射光信号进行计算，算出套刻误差。

ASML-μDBO系列：DBO 设备在当前层和前一层上套叠的光栅打入一道均匀的光束，光束透过当成量测标识时发生衍射，衍射光束达到前层后反射，对反射回来的衍射光斑进行分析可求得套刻误差。由于前层和当层并不严格对准，光斑每个像素点的光强关于原点并不对称从而得到误差。

薄膜膜厚量测：在半导体制造过程中，晶圆要进行多次各种材质的薄膜沉积，因此薄膜的厚度及其性质会对晶圆成像处理的结果产生关键性的影响。膜厚测量环节通过精准测量每一层薄膜的厚度、折射率和反射率，并进一步分析晶圆表面薄膜膜厚的均匀性分布，从而保证晶圆的高良品率。膜厚测量可以根据薄膜材料划分为两个基本类型，即不透明薄膜和透明薄膜。业界内一般使用四探针通过测量方块电阻计算不透明薄膜的厚度；通过椭偏仪测量光线的反射、偏射值计算透明薄膜的厚度。

关键尺寸量测：半导体制程中最小线宽一般称之为关键尺寸，通过测量从晶圆表面反射的宽光谱光束的光强、偏振等参数，来测量光刻胶曝光显影、刻蚀和CMP等工艺后的晶圆电路图形的线宽以保证工艺的稳定性。由于任何图形尺寸的偏离都会对最终器件的性能、成品率产生影响，因此先进的工艺控制都需要对关键尺寸测量。根据设备运用原理的不同分为关键尺寸扫描电子显微镜设备（CD-SEM）和光学关键尺寸（OCD）测量设备，其中OCD设备弥补了CD-SEM 设备需要将待测晶圆臵于真空的缺陷，具备高精度与很好的稳定性与，可以一次性获得诸多工艺尺寸参数，目前已经成为先进半导体制造了艺中的主要工具。

1.2.2.检测设备：对晶圆生产过程中有无产生表面杂质等缺陷进行检测

检测设备通过晶圆缺陷检测来监控工艺，减少产量损失。晶圆表面缺陷类型众多，综合考虑缺陷的物理属性和缺陷算法的针对性，一般将缺陷分为表面冗余物（颗粒、污染物等），晶体缺陷和图案缺陷。

随着现在工艺尺寸向14nm 以下制程方向发展，晶圆表面的缺陷尺寸变得越来越小，缺陷产生频率也越来越高。目前行业内对硅片缺陷检测的普遍做法为：光学技术与电子束技术相结合。通过光学检测设备寻找并快速锁定缺陷位置，并由电子束检测设备对缺陷进行成像处理。光学检测技术可进一步分为无图形晶圆激光扫描检测技术、图形晶圆成像检测技术和光刻掩膜板成像检测技术，三种检测技术在检测环节的具体应用情况如下

无图形晶圆激光扫描检测

无图形化检测指在开始生产之前，裸晶圆在晶圆制造商处获得认证，半导体晶圆厂收到后再次认证的检测过程。无图形的硅片一般是指裸硅片或有一些空白薄膜的硅片，由于晶圆没有形成图案，因此可以直接进行缺陷检测。其工作原理是将单波长光束照明到晶圆表面，当激光束在晶圆表面遇到粒子或其他缺陷时会散射激光的一部分，设备收集在缺陷散射光信号，通过多维度的光学模式和多通道的信号采集，实时识别晶圆表面缺陷、判别缺陷的种类，并报告缺陷的位置。

图形晶圆成像检测：该类设备主要应用于先进封装环节的晶圆出货检测，可实现对晶圆表面高精度高速的成像，一般用明场/暗场照明，或两者的组合的方式进行缺陷检测。设备主要通过深紫外到可见光波段的宽光谱照明或者深紫外单波长高功率的激光照明，获取晶圆表面电路的图案图像，通过对比晶圆上的测试芯片图像和相邻芯片的图像，对电路图案进行对准、降噪和分析，实现晶圆表面图形缺陷的捕捉。

光刻掩膜板成像检测：掩膜板在制程中起到关键作用，光罩上的缺陷或图案位置错误会被复制到产品晶圆上面的许多芯片中，因此对于光刻掩膜版的检测成为实现芯片制造高良率的关键因素之一。检测主要通过对晶圆上同一位置和同一特征尺度进行多次重复测量，通过宽光谱照明或者深紫外激光照明，获取光刻掩膜板上的图案图像，并将测量结果的标准差作为设备的重复性精度指标。该指标体现设备对晶圆同一位置和同一特征尺度的测量结果的波动幅度大小。

1.3.后道测试分为晶圆检测和成品测试，主要关注电性能测试

后道检测分为晶圆检测和成品测试，晶圆检测环节需要使用测试机和探针台，成品测试环节需要使用测试机和分选机：晶圆检测环节：

晶圆检测是指在晶圆完成后进行封装前，通过探针台和测试机的配合使用，对晶圆上的裸芯片进行功能和电参数测试。探针台将晶圆逐片自动传送至测试位置，芯片的Pad 点通过探针、专用连接线与测试机的功能模块进行连接，测试机对芯片施加输入信号并采集输出信号，判断芯片功能和性能在不同工作条件下是否达到设计规范要求。测试结果通过通信接口传送给探针台，探针台据此对芯片进行打点标记，形成晶圆的Map 图。该环节的目的是确保在芯片封装前，尽可能地把无效芯片筛选出来以节约封装费用。成品测试环节：成品测试是指芯片完成封装后，通过分选机和测试机的配合使用，对封装完成后的芯片进行功能和电参数测试。分选机将被测芯片逐个自动传送至测试工位，被测芯片的引脚通过测试工位上的基座、专用连接线与测试机的功能模块进行连接，测试机对芯片施加输入信号并采集输出信号，判断芯片功能和性能在不同工作条件下是否达到设计规范要求。测试结果通过通信接口传送给分选机，分选机据此对被测芯片进行标记、分选、收料或编带。该环节的目的是保证出厂的每颗集成电路的功能和性能指标能够达到设计规范要求。

后道测试设备主要包含测试机、分选机和探针台三种设备，ATE测试机的检测内容主要为功能和电参数检测：ATE测试机通过计算机自动控制，能够自动完成对半导体的测试，加快检测电学参数的速度，降低芯片测试成本，主要测试内容为半导体器件的电路功能、电性能参数，具体涵盖直流参数（电压、电流）、交流参数（时间、占空比、总谐波失真、频率等）、功能测试等。

分选机在成品芯片测试环节搭配ATE使用，按照形态和适用情形分为重力式、平移式、转塔式、测编一体机。重力式结构简单，投资小，适合体积较大、测试时间一般的传统类型封装形式，如DIP、QFN、SOP等；平移式采用机械臂运输芯片，适合几乎所有类型的封装，在测试时间较长或先进封装情况下优势明显；转塔式适合体积小、重量小、测试时间短的芯片，UPH最高，许多转塔式结合了视觉检测功能，多以测编一体机的形式存在。测编一体机将测试（test）、视觉量测（inspection &metrology）、激光打标（mark）、编带等功能结合为一体，同样也可以分为重力式、平移式、转塔式等类型，由于集成功能较多，因此结构复杂，技术壁垒较高。

探针台主要应用于半导体行业、光电行业、集成电路以及封装的测试。广泛应用于复杂、高速器件的精密电气测量的研发，旨在确保质量及可靠性，并缩减研发时间和器件制造工艺的成本。探针台的核心在于真空XYZ 工作台控制系统，工作过程中通过PC和控制器调整工作台位置和探针位置，使得探针对准每个芯片（Die）的Pad，完成电性能的测试。该系统对于控制速度和精度均有较高要求，例如摄像头采用CCD相机、工作台移动采用摩尔光栅闭环控制，以保证微米级控制精度。此外，为保证测试环境的稳定和低干扰度，对探针台的光衰减、光谱噪声、电流噪声等都有相当高的要求，对于某些特殊芯片如RF等有特殊要求。而真空腔、工作台、承片台的加工等也有一定难度，这一同构成了探针台的设计和制造壁垒。

2.半导体前道量测设备：市场规模达114亿美元，美国KLA垄断市场

2.1.半导体前道量检测设备市场超百亿美元

根据SEMI的统计，2020 年全球半导体设备市场规模约712 亿美元，同比增长19.2%，其中前中道晶圆制造设备613 亿美元，占比86.1%；后道封装测试设备市场规模约为98.6亿美元，占比约14%，在所有地区均显示强劲增长，其中封装设备38.5 亿美元，后道测试设备60.1 亿美元。

受消费电子、PC 等下游景气度提升和5G、AI、云计算等新应用拓展，全球半导体需求整体向好，半导体厂商资本开支进入新一轮上升周期，半导体设备市场规模随之提升，2021年全球半导体设备市场销售额达1,026亿美元，同比增长44.1%，其中前道晶圆制造设备880亿美元，后道测试设备78亿美元，后道封装设备70亿美元。

分地区来看，2021年中国大陆半导体设备市场达296亿美元，同比增长58%，占全球市场比29%，第二次成为全球最大半导体设备销售市场，近年来全球半导体产业链呈向中国大陆转移趋势，中国半导体设备市场国产替代进程明显。

2021年前道量测设备市场规模114亿美元。在前道的晶圆制造设备中，市场投资占比最高的是薄膜沉积设备和刻蚀设备分别为28%和22%，其次是光刻设备占比约为20%，累计合计市场规模占比近70%；除此之外工艺过程量检测设备也是质量监测的关键，占前中道投资比重约13%；其他设备占比相对较小。结合此前SEMI给出的2021年前道晶圆制造设备市场880亿美元的数据，按此比例测算，半导体前道量测设备2021年市场规模达到114亿美元。从国内来看，如果按照2021年半导体设备国内占全球29%的比例来测算，中国大陆半导体前道量测设备市场规模为33亿美元。

前道量测设备进一步细分为量测设备、缺陷检测设备以及过程控制软件，据VLSI Research数据，缺陷检测设备占前道检测设备市场规模比例最大，超一半以上达到62.6%；量测设备占前道检测设备的33.5%；过程控制软件占前道检测设备的3.9%。

进一步按产品细分，根据智研咨询数据，价值量占比方面膜厚测量占比12%、OCD-SEM测量占比10%，CD-SEM占比11%、套刻误差测量占比9%；缺陷检测中有图形晶圆检测占比32%、无图形晶圆检测占比5%、电子束检测占比12%、宏观缺陷检测占比6%。

2.2.前道量测技术壁垒高，美国KLA垄断市场

前道设备精密复杂、制造难度大，需要企业长时间的投入及技术积淀。量测设备涉及电学、光学、光声技术等多个技术领域，对设备制造企业的技术研发实力和跨领域技术资源整合能力有较高要求。国内设备厂商起步晚基础薄，国产设备仍有很大的突破空间。前道设备种类复杂，细分市场较多；其中膜厚量测技术门槛较低，集中度相对分散，为国内厂商进入检测设备的突破口。

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精选报告来源：虎鲸报告