半导体行业深度研究：半导体检测设备：从前道到后道全程保驾护航.pdf

行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 1 半导体 证券 研究报告 2021 年 03 月 16 日 投资 评级 行业 评级 强于大市 (维持 评级 ) 上次评级 强于大市 作者 潘暕 分析师 SAC 执业证书编号： S1110517070005 陈俊杰 分析师 SAC 执业证书编号： S1110517070009 资料 来源： 贝格数据 相关报告 1 半导体 -行业研究周报 :中美合作在 半导体国产化与上升周期中朝向正向 发展 2021-03-14 2 半导体 -行业研究周报 :海外半导体 业绩超预期 行业龙头指引景气 2021-02-01 3 半导体 -行业深度研究 :新能源汽车 行业深度 硅 含 量 拆 解 2021-01-31 行业走势图 半导体检测设备：从前道到后道，全程保驾护航 在 半导体设计 、 制造 、 封装 中的 各个 环节 都要进行反复多次的检 测 、测试 以 确保产品质量 ，从而 研发出符合系统要求的 器件 。 缺陷相关的故障成本影 响高昂，从 IC 级别的数十美元，到模块级别的数百美元，乃至应用端级别 的数千美元 。因此， 检测 设备 从设计验证 到 整个半导体制造过程都 具有无法 替代的重要地位 。 检测设备作为能够 优化 制程控制良率、 提高 效率与降低成本的 关键 ，未来在 半导 体产业中的地位将会日益凸显 。预计未来我国半导体检测设备市场广 阔，其主要原因为当前复杂的地缘政治带来国产替代的迫切需求； 国家政策 大力支持集成电路产业， 产业发展迅速 ； 半导体产业重心由国际向国内转移 带来机遇； 中 国市场已成为全球最大的设备市场 ； 新应用领域不断涌现， 新 器件 性能迭代 加速， 带来设计公司 发展 新机遇 ；芯片 集成 度的 不断 提高， 迎 来了检测设备的更大需求 。 2020 年我国半导体检测设备市场为 176 亿元， 预计未来 五 年预计复合增长率为 14%， 增速高于全球。 广义上的检测设备分为 前道量检测和后道测试 设备 。 量检测的对象是工艺 过程中的晶圆，测试的对象是工艺完成后的芯片 。 前道 量检测对每一步工艺 过程的质量进行测量或者检查，以保证工艺符合预设的指标，防止出现偏差 和缺陷 的 不合格晶圆进入下一道工艺流程。 前道量检测设备 2020 年全球市 场为 69 亿美元，我国约 15 亿美元。 前道量检测 按照测试目的分为 量测 和 检测。 按照应用主要分为 关键尺寸 量测 、薄膜的厚度 量测 、套刻对准 量测 、 光罩 /掩膜检测、无图形晶圆检测、图形化晶圆检测和缺陷复查。 按照技术 主要分为 光学检测 设备、 电子束检测 设备 。国际市场头部企业为 美国 KLA、 美国 AMAT、 日本 Hitachi 和 美国 Onto， 这 四 大设备商产品类型丰富 ， 垄断 了全球 市场 ，全方位高筑壁垒 。 中国半导体企业 精测电子 （ 设立子公司 上海 精测 ） 、 赛腾股份 （ 收购 Optima） 和中微 公司（入股 上海睿励 ），积极加大 量检测领域的研发投入，基于已有技术基础通过投资并购占据中国广大量检 测市场先机，建议关注。 后道测试 设备 关注的是在所有 晶圆 工艺完成后芯片的各种电性功能 。 后道测 试设备 2020 年全球市场为 62 亿美元，我国约 14 亿美元。 测试 设备 分为测 试机 、 探针台 和 分选机 。 测试机占比约 63%， 国际市场 中 爱德万 和 泰瑞达 占 据寡头垄断地位 ， 同时 先进封 装 领航者 ASM PACIFIC 近年来在光电测试领 域积极布局。 我国市场中精测电子 （ 设立子公司 武汉精鸿 ） 、 华 峰 测控和长 川科技有望 依托中国市场的发展 在 相关 细分赛道 中 迎来机遇 。 探针台占比约 15%，国际市场 中 东京精密和东京电子市占率过半，我国市场中长川科技在 积极 研发中。 分选机占比约 17%，由于该细分领域 壁垒相对多样化 ， 其竞争 优势侧重有所不用 ， 更易于市场化突破。 我们建议重点关注随着未来人工智能、物联网、新能源汽车等新应用领域 所带来的 检测 行业 发展 机遇。同时 随着 芯片集成度越来越高，工艺步骤越 来越复杂，晶圆在生产过程中需要量检测和测试的频次也越来越高，驱动 检测设备市场需求不断提升。基于以上，精测电子的检测设备有望凭借其 自身技术内生发展和外部 投资并购 布局量价齐升 。 投资建议： 精测电子（推荐）、 ASM PACIFIC（ 与海外团队联合覆盖 ）、 长川 科技（建议关注）、华峰测控（建议关注） 风险 提示 ： 半导体行业周期性、产业配套环境有待进一步改善、高端技术人 才相对缺乏、国内企业规模较小造成品牌影响力不足 -9% 0% 9% 18% 27% 36% 45% 54% 2020-03 2020-07 2020-11 半导体 沪深 300 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 内容目录 1. 检测设备：保驾护航、侦测并监控半导体关键良率偏移 . 5 1.1. 分类：前道量检测、后道测试，提升良率保障性能 . 5 1.2. 市 场趋势：新应用涌现驱动市场潜力、工艺步骤倍增拓宽市场空间 . 6 1.3. 市场规模：重要地位日益凸显，中国增速高于全球 . 9 1.4. 竞争格局：国外高度垄断，国产替代需求迫切有望提速 . 11 2. 前道量检测设备：物理、功能性检查，提升良率，市场壁垒高筑 . 11 2.1. 三种分类标准：检测目的、应用范畴、技术原理 . 12 2.2. 检测目的分类：量测和检测，价值量随工艺技术同步提升 . 12 2.3. 应用范畴分类：关键尺寸、膜厚、套刻对准，光罩 /掩膜、图形、缺陷复查等 . 12 2.3.1. 关键尺寸量测：监控线宽和孔径，实现精确误差测量 . 13 2.3.2. 薄膜厚度量测：厚度、反射率、密度量测，鉴定和监控不同薄膜层 . 13 2.3.3. 套刻对准量测：高阶矫正光刻机、掩模和硅片位置误差，提高覆盖精度 . 13 2.3.4. 光罩 /掩模检测：捕获光罩缺陷和图案位置错误，降低缺陷引发风险 . 15 2.3.5. 无图形晶圆检测：检出裸晶圆颗粒及缺陷，奠定图形化检测基础 . 17 2.3.6. 图形化晶圆检测：比较图像生成缺陷图，识别物理和高纵横比缺陷 . 19 2.3.7. 缺陷复查检测：放大缺陷图像进行甄别，提供依据优化制程工艺 . 20 2.4. 技术原理分类：光学、电子束检测，应用互补，多方位检测 . 21 2.5. 全球市场及主要厂商：国外高度垄断，膜厚量测打开细分赛道突破口 . 24 2.6. 中国主要厂商：紧握细分市场机遇，产品陆续中标，拉动增长曲线 . 29 3. 后道测试设备：电性测试，新产线持续投入带动市场高速增长 . 32 3.1. 分类：测试机、探针台、分选机，保障性能助力良率提升 . 33 3.2. 全球市场：测试机市场份额过半 . 33 3.3. 测试机：测试器件电路功能及电性能参数，保驾护航贯穿始终 . 33 3.3.1. 全球市场及主要厂商：爱德万、泰瑞达寡头垄断，进口替代需求迫切 . 34 3.3.2. 中国主要厂商：积极布局追赶，夯实国内，开拓海外 . 38 3.4. 探针台：负责晶圆输送与探针定位，提升测试效率 . 41 3.4.1. 全球市场及主要厂商：东京精密、东京电子寡头垄断，中国增速加快 . 41 3.4.2. 中国主要厂商：抓住市场机遇，技术积累，蓄势待发 . 42 3.5. 分选机：高精度高兼容，负责产品的测试接触、拣选和传送 . 44 3.5.1. 全球市场及主要厂商：壁垒多重，格局未定，中国有望取得话语权 . 44 4. 风险提示 . 45 图表目录 图 1：全球检测设备市场、分类及厂商 . 6 图 2：广义上的半导体检测设备分类 . 6 图 3：半导体在汽车中的应用 . 7 图 4：汽车领域缺陷导致产生的产品损失（百万美元） . 7 图 5： 2020-2021 全球 GDP 和 IC 市场增量（ %） . 8 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 3 图 6：全球半导体前道量检测设备市场规模 2016-2020（亿美元， %） . 10 图 7：全球半导体后道测试设备市场规模 2016-2020（亿美元， %） . 10 图 8： 2016-2020 中国半导体检测设备市场规模（亿元） . 10 图 9： 2020-2026 年中国半导体检测设备市场规模预测（亿元） . 10 图 10：缺陷检测设备原理 . 12 图 11：关键尺寸量测 . 13 图 12：薄膜厚度量测 . 13 图 13：套刻对准量测 . 13 图 14：套刻对准量测和关键尺寸量测案例 . 14 图 15：膜厚量测设备案例 . 14 图 16：光罩 /掩模检测系统工作原理示意图 . 15 图 17：光罩 /掩膜缺陷检测系统案例 . 15 图 18：光罩 /掩模检测系统案例 2 . 16 图 19： EUV 掩模版缺陷检测：聚焦扫描原理示意图 . 16 图 20： EUV 掩模缺陷检测 1 . 16 图 21： EUV 掩模缺陷检测 2 . 16 图 22：极紫外光 EUV 相关设备 . 17 图 23：无图形晶圆上的缺陷检测流程 . 18 图 24：无图形晶圆上缺陷检测原理 . 18 图 25：检测工具中的光收集、加工和晶圆映射 . 19 图 26：无图形晶圆检测系统案例 . 19 图 27：图形化晶圆检测原理 . 19 图 28：图形化晶圆检测系统案例 . 20 图 29：缺陷复查设备功能 . 20 图 30：光学明场、暗场检测原理 . 21 图 31：电子束检测原理 . 22 图 32：电子束图案晶圆检测系统案例 . 23 图 33：光学明场检测设备案例 . 23 图 34：光学暗场检测设备案例 1 . 23 图 35：光学暗场检测设备案例 2 . 24 图 36： 2016-2020 全球半导体前道量检测市场规模及拆分（亿美元， %） . 24 图 37：前道量检测细分赛道市场情况（ %） . 24 图 38： 2017-2018 前道量检测市场格局（ %） . 25 图 39： KLA 最 新产品 . 26 图 40：应用材料 AMAT 检测设备 . 26 图 41：日立 Hitachi 检测设备 . 27 图 42： Onto 主要检测设备 . 28 图 43： ASMPT 图像传感器封测流程 . 28 图 44： ASMPT 检测设备 . 29 图 45：上海精测发展历程及产品 . 29 图 46：上海精测检测设备案例 . 30 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 4 图 47：中科飞测主要设备 . 31 图 48：上海睿励主要设备 . 31 图 49： Optima 主要设备 . 32 图 50：后道测试设备在集成电路流程中所处位置 . 32 图 51：中国测试设备构成及市场规模（单位： %，亿美元） . 33 图 52： 2019 年测试机主要设备公司及占比（ %） . 34 图 53：泰瑞达测试机主要分类 . 34 图 54：爱德万主要测试机分类 . 35 图 55： ASMPT 光电产品应用解决方案及先进封装解决方案 . 36 图 56： ASMPT 主要测试设备 . 37 图 57： 2019 测试机全球细分领域占比分类（ %） . 37 图 58： 2019 测试机中国细分领域占比分类（ %） . 38 图 59：各公司测 试机适用领域 . 38 图 60： 2018 年中国集成电路测试机产品结构（单位：亿元） . 38 图 61：存储器测试设备分类及占比（ %） . 39 图 62：长川科技主要设备 . 40 图 63：华峰测控主要设备 . 40 图 64： 2020 主要测试机公司关键技术指 标对比 . 41 图 65：探针台 . 41 图 66：全球及我国探针台市场规模（亿元， %） . 41 图 67： 2019 年全球及我国探针台市场 TOP 企业格局（ %） . 42 图 68：全球及我国探针台主要公司 . 43 图 69：全球分选机市场主要企业及 占比（ %） . 44 图 70：长川科技主要分选机设备 . 44 图 71：上海中艺主要分选机设备 . 45 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 5 1. 检测设备：保驾护航、侦测并监控半导体 关键良率偏移 在半导体设计、制造、封装中的各个环节都要进行反复多次的检验、测试以确保产品质量， 从而研制开发出符合系统要求的器件。 缺陷相关故障的影响成本从 IC 级别的数十美元， 到模块级别的数百美元，乃至应用端级别的数千美元。因此，检测设备从设计验证到整个 半导体制造过程都具有无法替代的重要地位。 检测设备可以帮助工程师发现、侦测并监控 关键的良率偏移，从而加快良率提升并达到更高的产品良率。 1.1. 分类：前道量检测、后道测试，提升良率保障性能 检测设备按照其功能和对应的 产业链 位置不同， 可以分为前道量检测、后道测试两大类 ， 分别应用于半导体产业链的上游设计验证、中游制程工艺的晶体管结构检测、下游封测芯 片的成品终测。无论是前道检测还是后道测试，都是提升芯片良率及质量的关键设备。 1） 前道量检测设备： 前道量检测 对 象是工艺过程中的晶圆 ， 它是一种物理性、功能性的测试 ，用以检测每一步 工艺后产品的加工参数是否达到了设计的要求，并且查看晶圆表面上是否存在影响良率的 缺陷，确保将加工产线的良率控制在规定的水平之上。 前道量检测包含膜厚量测设备、 OCD 关键尺寸量测、 CD-SEM 关键尺寸量测、光刻校准量 测、图形缺陷检测设备等多种前道量检测设备。由于晶圆制造工艺环节复杂，所需要的检 测设备种类较多， 因此也是所有半导体检测赛道中壁垒最高的环节 ，单机设备的价格比后 道测试设备还高，且不同功能设备价格差异也较大。前道量检测设备供应商目前有美国的 科磊、应用材料；日本的日立；国内的精测电子、中科飞测、上海睿励等。下游客户为集 成电路制造商，包含台积电、中芯国际、长江存储等。 2） 后道测试设备： 应用于上游设计、下游封测环节中 ， 目的是检查芯片的性能是否符合要求 ， 是一种电性、 功能性的检测，用于 检查芯片是否达 到性能要求 。 一、上游设计商需要对流片完的晶圆与芯片样品进行有效性验证， 主要设备为测试机、探 针台、分选机 ，因为作为样品测试所以通常并不会大量采购，但是会与下游封测深度联动， 因此绑定集成电路设计商也成为后道测试设备商的壁垒之一。主要下游客户为集成电路设 计商，例如：高通、联发科、海思、卓胜微、韦尔等。 二、封测环节主要可以分为：晶圆测试（ CP），针对加工完的晶圆，进行电性测试，识别 出能够正常工作的芯片，主要设备为测试机和探针台。部分客户为集成电路制造商还有部 份第三方的晶圆测试商；成品测试（ FT），最后晶圆切割变 成芯片后，针对芯片的性能进 行最终测试，主要设备为测试机和分选机；下游客户为集成电路封装测试商，包含日月光、 通富、长电等。由于半导体终端应用持续攀升，催生出全自动及高性能的后道测试设备， 加上集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩小，封装测试技术达到国际领先水平，后 道测试设备迎来重要国产化机遇。后道测试设备供应商目前有美国的泰瑞达、爱德万；国 内的精测电子、华峰测控、长川科技等。 下图为本报告对 全球检测设备市场、分类及厂商 的分析总结： 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 6 图 1： 全球检测设备市场、分类及厂商 资料来源： IC Isights，东西智库，智研咨询， SEMI，前瞻经济学人， Hitachi，芯制造， Newport， 天风证券研究所 图 2： 广义上的半导体检测设备分类 资料来源： 前瞻产业研究院 ， 天风证券研究所 1.2. 市场趋势：新应用涌现驱动市场潜力、工艺步骤倍增拓宽市场空间 超越摩尔领域： 模拟 /混合信号、 RF、 MEMS、图像传感、电源 等 技术可与 CMOS 在各种平面 乃至 2.5D、 3D 架构中集成 。这些集成和其他关键技术使人工智能、物联网和汽车雷达等一系列应用 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 7 快速增长。 Yole Developpement 数据预计，到 2023 年，超越 摩尔 市场年增长速度所以晶圆尺寸合 计约 7400 万片硅片，复合年增长率 约 为 3%。但仅考虑最流行的晶圆尺寸（ 12、 8和 6 晶圆），到 2023 年，预测将变为 6000 万片，复合年均增长率约为 5%。 对于半导体制造商 来说， 超越 摩尔 市场已成为半导体需求的重要来源，但这 同时 意味着 需要新的量检测和测 试方法，以适应各种可能影响这些多技术设备产生的故障 。 例如， 汽车行业的一家主要半导体供应商恩智浦半导体 说到 ： 缺陷相关故障的影响成本从 IC 级别的数十美元，到模块级别的数百美元，到汽车 应用端 级别的数千美元 “ 。 IC 在当 今的汽车中被广泛使用， 且未来使用会更多 。 汽车零部件故障可能导致严重伤害甚至死亡， 所以 汽车行业服务的零部件制造商 使用 以每万亿（ ppt）的零件 损失 为测量标准，可见 检 测设备的需求更甚 。 图 3： 半导体在汽车中的应用 资料来源： NXP, Applied materials， 天风证券研究所 如下图可见， 在汽车领域，由于缺陷 导致 故障而 无法使用 的产品 损失极大，在 1ppm 情况 下，大众集团的损失可以达到每年 2.19 亿美元 。 图 4： 汽车领域缺陷导致 产生的 产品损失 （百万美元） 资料来源： NXP, Applied materials， 天风证券研究所 摩尔定律领域： 新应用需求驱动了 制程微缩和三维结构的升级，使得工艺步骤大幅提升， 成熟制程（以 45nm 为例）工艺步骤数大约需要 430 道到了先进制程（以 5nm 为例）将会提升至 1250 道，工艺步骤将近提升了 3 倍 ；结构上来看包括 GAAFET、 MRAM 等新一代的半导体工艺 都是越来越复杂 ， 在数千道制程中，每一道制程的检测皆不能有差错，否则会显著影响芯 片的成败 。 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 8 中国半导体检测设备未来市场空间广阔具体原因如下： 1.国家政策大力支持 集成电路产业，检测作为关键一环尤为重要 集成电路产业是国民经济中基础性、关键性和战略性的产业，作为现代信息产业的基础和 核心产业之一，在保障国家安全等方面发挥着重要的作用，是衡量一个国家或地 区现代化 程度以及综合国力的重要标志。国家为扶持集成电路行业发展，制定了多项引导政策及目 标规划。第一，国家为规范集成电路行业的竞争秩序，加强对集成电路相关知识产权的保 护力度，相继出台了集成电路设计企业及产品认定暂行管理办法、集成电路布图设计 保护条例、集成电路布图设计保护条例实施细则等法律法规，为集成电路行业的健康 发展提供了政策保障。 第二，国家出台了若干优惠政策，从投融资、税收、出口等各个方面鼓励支撑电路行业的 发展，具体政策包括财政部、税务总局、国家发展改革委、工业和信息化部关于集成电 路生产企业 有关企业所得税政策问题的通知、国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集 成电路产业发展若干政策的通知等，为集成电路企业的发展创造了有利的市场环境。 第三，国家指定了集成电路产业研究与开发专项资金管理暂行办法、国务院关于印发 “十三五”国家科技创新规划的通知等目标规划，将集成电路装备列为国家科技重大专 项，积极推进各项政策的实施。国家政策的落地实施为产业发展破解融资瓶颈提供了保障， 有力促进集成电路专用设备行业的可持续良性发展。 2.半导体产业重心 由国际向国内 转移带来机遇 中国集成电路行业增长迅速，半导体行业重心持续由国际向国内转移。中国半导体产业发 展较晚， 但凭借着市场容量，中国已成为全球最大的半导体消费国 。根据 CSIA 数据， 2018 年国内集成电路市场规模为 985 亿美元，同比增长 18.53%， 2010 年至 2018 年国内集 成电路市场复合增长率达到 21.10%，高于全球市场同期年复合增长率，中国已经超过美国、 欧洲和日本，成为全球最大的集成电路市场。随着半导体制造技术和成本的变化，半导体 产业正在经历第三次产能转移，行业需求中心和产能中心逐步向中国大陆转移。随着产 业 结构的加快调整，中国集成电路的需求将持续增长。 3.集成电路产业发展迅速 ，增速高于 GDP 增长， 产品更新换代加速，新型应用领域不断涌 现，为技术超车创造机遇 图 5： 2020-2021 全球 GDP 和 IC 市场增量（ %） 资料来源： IC Insights， 天风证券研究所 如上图 IC Insights 的调查数据可见， 2020 年集成电路增长率为 8%，远超 GDP 增长，同 样， 2021 年预计集成电路增长率为超过 10%，是 GDP 增长率的两倍以上。 作为全球最大的集成电路市场，中国集成电路产业随着 5G、电动汽车等的快速发展持续 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 9 增长，为半导体测试需求带来增量空间。 在国家重大科技专项的支持下，“十二五”期间 中国集成电路产业各个环节的整体水平都有了明显提升，国产软硬件在航天、电力、办公 应用和移动智能终端等领域实现规模应用，为保障国家信息安全提供了重要支撑。伴随技 术革新和产业升级换代的波浪式递进，市场机会窗口不断涌现，每一次的技术升级都为集 成电路及其专用设备制造企业带来了发展机会。 当前，以互联网、智能手机为代表的信息产业的第二次浪潮已步 入成熟，增速放缓，而以 物联网为代表的信息感知及处理正在推动信息产业进入第三次浪潮，物联网革命已经悄然 开始。在物联网智能时代，由于交互模式的改变，智能化产品的多样性必然会更加丰富， 对各类信息的采集形成了快速膨胀的数据处理需求，对海量数据的有效处理将成为真正推 动集成电路行业发展的核心驱动力。物联网、大数据、人工智能、 5G 通信、汽车电子等 新型应用市场带来巨量芯片增量需求，为半导体自动化测试系统企业提供更大的市场空间； 同时，第三代半导体 GaN 等半导体新技术的出现为国内半导体自动化测试系统企业带来 超车国际巨头的 新机遇。 4. 大陆芯片设计公司迎来大发展时代， 检测 需求将跟随发展 近年来，集成电路测试行业发展迅速，根据中国半导体行业协会 IC 设计分会的统计，截 至 2019 年 11 月，中国大陆 IC 设计公司达到 1,780 家，比 2018 年的 1,698 家多了 82 家，中国大陆的芯片设计公司迎来高速成长。 IC 设计行业 2019 年的销售额为 3,063.5 亿元，相比 2018 年增长了 21.60%。芯片设计公司的快速增长，使得芯片检测设备的市场 需求随之增长。随着国内集成电路产业的快速发展和国产化加速 ，晶圆制造、芯片设计公 司的测试服务需求越来越多，检测设备相关企业将迎来新的发展机遇。 5.芯片复杂度提高，验证测试要求 越发严格 对芯片最显著的改进不仅仅在设计流程中产生，而且在芯片调试和验证流程中反复进行， 尤其是在高性能芯片的研制过程中。随着芯片复杂度的提高，对验证测试的要求更加严格， 与设计流程的交互更加频繁。随着芯片速度与功能的不断提高，超大规模集成电路尤其是 集成多核的芯片系统（ SOC）的出现使得芯片迅速投入量产过程难度增加，由此验证测试 变得更加必要。目前，开发低成本高效率的全面验证测试策略成为芯片制造商的关注点。 能够在早期（如初次样片测试阶段） 全面获取芯片品质鉴定的信息变得至关重要。 6.检测本身已从工序到独立行业 ， 贯穿 所有 流 程 ，未在检测流程发现缺陷则 损失惨重 早期的检测只是作为 IC 生产中的一个工序存在，被合并在制造业或封装业中。随着集成 电路产业分工日益明晰和人们对集成电路品质的重视，再加上技术、成本和知识产权保护 等诸多因素，检测目前正成为集成电路产业中一个不可或缺的、专业化的独立行业，作为 设计、制造和封装的有力技术支撑，推动了集成电路产业的迅速发展。 在集成电路研制、生产、应用等各个阶段都要进行反复多次的检验、测试来确保产品质量 和研制开发出符合系统要求的电路。 半导体检测从设计验证到最终测试都不可或缺，贯穿 整个半导体制造过程。 半导体检测包括设计验证、工艺控制检测、晶圆测试 (CP 测试 )以及 成品测试 (FT 测试 )。 按照电子系统故障检测中的“十倍法则”，如果一个芯片中的故障没有在芯片测试时发现， 则在电路板 (PCB)级别发现故障的成本为芯片级别的十倍。因此，检测在半导体产业中扮演 着重要角色，且其地位日益凸显。 1.3. 市场 规模 ： 重要 地位日益凸显 ，中国增速高于全球 全球半导体检测设备市场概况： 根据智研咨询和 Gartner,SEMI 数据整理， 2020 年检测设备全球市场规模约 131 亿美元， 如下图可见。 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 10 图 6： 全球半导体前道量检测设备市场规模 2016-2020（亿美元， %） 图 7： 全球半导体后道测试设备市场规模 2016-2020（亿美元， %） 资料来源： 智 研 咨询， 天风证券研究所 资料来源： Gartner， SEMI,天风证券研究所 我国 半导体检测设备市场概况： 据 前瞻产业研究院 统计 ， 2020 年我国半导体检测设备市场规模 176 亿元。 图 8： 2016-2020 中国半导体检测设备市场规模 （亿元） 资料来源： 前瞻产业研究院， 天风证券研究所 随着我国半导体产业的不断发展，检测设备作为能够提高制程控制良率、提高效率与降低 成本的重要检测仪器，未来在半导体产业的地位将会日益凸显。前瞻产业研究预计 2026 年我国半导体检测设备市场有望到达 400 亿元。 2020-2026 CAGR 为 14.7%，增速高于全 球。 图 9： 2020-2026 年中国半导体检测设备市场规模预测（亿元） 74 94 149 147 176 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2016 2017 2018 2019 2020 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 11 资料来源： 前瞻产业研究院， 天风证券研究所 1.4. 竞争格局：国外 高度垄断 ， 国产替代需求迫切 有望提速 目前，国际国内市场中检测设备被国外高度垄断， 目前绝大部分半导体设备依然高度依赖 进口 ， 提升“核芯技术”自主化率已迫在眉睫 。 量 检测设备领域： 量检测设备行业具有极高的技术、资金壁垒，对业内公司研发能力有很强要求。 海外巨头 KLA 为首， AMAT、 Hitachi 等合计占比超 90%。国内设备厂商由于起步晚基础薄，始终在 努力追赶，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 。 测试设备领域： 测试种类繁多，客户需求多样化，因此测试设备往往存在非标定制化的特点。根据性能要 求的不同，类别也是五花八门，包括外观尺寸测试、视觉测试等。虽然相比于光刻机、刻 蚀机等前道设备，测试设备的制造相对容易一些，但是也存在较高的推广难度。目前全球 设备市场份额主要被美、日等发达国家的先进厂商所占据，半导体测试设备行业已经形 成 了泰瑞达、爱德万两家垄断的局面。国内半导体设备厂商想要提高市场份额依然面临 极 大 挑战。 进口替代需求迫切，测试设备的国产替代进程将加速： 受中美贸易摩擦影响，供应链的安全日益受到重视，国产测试设备将得到更多的试用机会， 在中低端模拟测试机和分选机领域，国产替代明显提速。目前绝大部分半导体设备依然高 度依赖进口，提升“核芯技术”自主化率已迫在眉睫，上升至国家战略，进口替代是国内 半导体设备公司面临的重大机遇。 2018 年以来，国产半导体测试设备向中国大陆市场拓展， 国产替代进程明显提速。 2. 前道量检测设备： 物理 、 功能性 检 查，提升良率，市场壁垒高 筑 前道量检测运用于晶圆的加工制造过程，它是物理性、功能性 的 ，用以检测每一步工艺后 产品的加工参数是否达到了设计的要求，并且查看晶圆表面上是否存在影响良率的缺陷， 确保将加工产线的良率控制在规定的水平之上。 前道量检测包含膜厚量测设备、 OCD 关键尺寸量测、 CD-SEM 关键尺寸量测、光刻校准量 测、图形缺陷检测设备等多种前道量检测设备。由于晶圆制造工艺环节复杂，所需要的检 测设备种类较多， 因此也是所有半导体检测赛道中壁垒最高的环节 ，单机设备的价格比后 道测试设备还高，且不同功能设备价格差异也较大 。前道量检测设备供应商目前有美国的 科磊、应用材料；日本的日立；国内的精测电子、中科飞测、上海睿励等。下游客户为集 成电路制造商，包含台积电、中芯国际、长江存储等。 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 12 2.1. 三种分类标准：检测目的、应用范畴、技术原理 按照不同的分类方法，集成电路可以被分成不同的类型。 1） 按照检测目的可以分为量测（ Metrology）和缺陷检测（ Defect Inspection） 2） 按照应用范畴 主要 可以分为关键尺寸测量 （ Optical Critical Dimension OCD） 、薄膜的 厚度测量 (Film Metrology)、套刻对准测量 (Overlay Metrology)、光罩 /掩膜检测 (Reticle Inspection)、无图形晶圆检测 （ Non-patterned Wafer Inspection） 、图形化晶圆检测 (Patterned Wafer Inspection） 、缺陷复查 (Review SEM) 3） 按技术原理可以分为光学检测设备（ Optical Inspection Equipment） ， 电子束检测设备 （ E-beam Inspection Equipment）和其他检测设备 2.2. 检测目的分类： 量测和检测 ， 价值 量随 工艺技术同步 提升 量测（ Metrology）和检测（ Inspection） ： 前道量检测根据 检测目的 可以细分为量测 （ Metrology） 和检测 （ Inspection） 。 量测主要是 对薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等制成尺寸和膜应力、掺杂浓度等材料性质进行测量， 以确保其符合参数设计要求；而缺陷检测主要用于识别并定位产品表面存在的杂质颗粒沾 污、机械划伤、晶圆图案缺陷等问题。 量测和缺陷检测对于半导体制造过程非常重要。半导体晶圆的整体制造过程有 400 至 600 个步骤，需要一到两个月内完 成。如果流程早期出现任何缺陷，则后续耗时步骤中执行的 所有工作都将被浪费。因此，在半导体制造过程的物理量测和缺陷检测是其中的关键步骤， 用于确保良率和产量。新应用需求驱动了 制程微缩和三维结构的升级，使得工艺步骤大幅 提升， 成熟制程（以 45nm 为例）工艺步骤数大约需要 430 道到了先进制程（以 5nm 为 例）将会提升至 1250 道，工艺步骤将近提升了 3 倍 ；结构上来看包括 GAAFET、 MRAM 等新一代的半导体工艺都是越来越复杂；虽然相较于制造设备，量测设备的技术门槛较低， 但是在数千道制程中，每一道制程的检测皆不能有差错，否则 会显著影响芯片的成败 。 量测（ Metrology）： 量测（ Metrology）不仅指测量行为本身，而且指通过考虑误差和准确性而进行的测量，以 及测量设备的性能和机制。如果测量结果不在给定的规格范围内，则制造设备无法按设计 继续运行。 检测（ Inspection）查找缺陷的位置坐标 ： 检测可以 检测缺陷并指定其位置 涉 。主要用于 使用检查设备来检查 是否出现异质量情况， 如 检测晶圆中 存在灰尘或者 颗粒 污染等 缺陷的过程。具体 来 说，它旨在查找缺陷的位置坐 标（ X， Y）。 图 10： 缺陷检测设备原理 资料来源： Hitachi， 天风证券研究所 2.3. 应用范畴分类： 关键尺寸、 膜厚 、 套刻对准 ， 光罩 /掩膜 、 图形 、 缺陷 复查 等 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 13 按照应用范畴分类，量检测可以主要分为七大类： 关键尺寸量测、薄膜厚度量测、套刻对 准量测 、 光罩 /掩膜 检测 、无图形晶圆 检测 、图形化晶圆 检测 、缺陷复查检测等 。 2.3.1. 关键尺寸 量测： 监控 线宽 和孔径 ， 实现精确误差测量 量测按应用可以主要分为 关键尺寸量测，薄膜的厚度量测及套刻对准量测 1） 关键尺寸 量测 （ OCD-Optical Critical Dimension Metrology）： 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， 其 变化 是 半导体制造工艺中 的关键。随着关键尺寸越来越小， 容错率 也越小， 因此 必须要尽可能的 量测 所有产品的线 宽 ，可见关键尺寸的量测重要性越发关键。 案例 ： 在半导体晶圆的指定位置测量电路图案的线宽和孔径 图 11： 关键尺寸量测 资料来源： Hitachi， 天风证券研究所 2.3.2. 薄膜厚度 量测： 厚度、反射率、密度 量测 ， 鉴定和监控 不同 薄膜层 薄膜厚度量测（ Film Metrology）： 在整个制造工艺中硅片表面有多种不同类型的薄膜，包含金属、绝缘体、多晶硅、氮化硅 等材质。晶圆厂为生产可靠性较高的芯片 时 薄膜的质量成为提高成品率的关键 ，其中 薄膜 的厚度、反射率、密度等都须要进行精准的量测 。 案例： 测量半导体晶圆表面薄膜的厚度 图 12： 薄膜厚度量测 资料来源： Hitachi， 天风证券研究所 2.3.3. 套刻对准 量测：高阶矫正 光刻机、掩模和硅片 位置误差，提高 覆盖精度 套刻对准测量 (Overlay Metrology)： 套刻对准 测量 应用在光刻工艺后，主要是用于 量测 光刻机、掩模版和硅片的对准能力。 量 测系统检查覆盖物的准确性（叠加工具）测量用于检查传输到晶圆上的第一层和第二层图 案的射覆盖精度。 图 13： 套刻对准量测 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 14 资料来源： Hitachi， 天风证券研究所 关键尺寸测量，薄膜的厚度测量及套刻对准测量设备案例： 图 14： 套刻对准量测和关键尺寸量测案例 资料来源： KLA,天风证券研究所 图 15： 膜厚量测设备案例 资料来源： 中科飞测 官网 ， 天风证券研究所 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 15 2.3.4. 光罩 /掩模检测 ： 捕获 光罩缺陷和图案位置错误 ， 降低 缺陷引发 风险 光罩 /掩模检测（ Reticle Inspection） : 可以说，光罩 /掩膜检测远比其他应用，例如无图案或图案晶圆检测重要。这是因为，虽 然裸晶圆或图案晶圆上的单个缺陷有可能损坏一个器件，但掩模版上的单个缺陷可能会摧 毁上千个器件。 在半导体器件生产中，零缺陷光罩（也称为光掩模或掩模）是实现芯片制造高良率的关键 因素之一， 因为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 。光 罩 的 制造采用光罩基板，即镀了吸收薄膜的石英基板。 优秀的 光罩检测、量测和数据分析 系统产品能够协助光罩基板、光罩和 IC 制造商识别光罩缺陷和图案位置错误， 以 降低良率 风险。 通常，掩模在使用过程中很容易吸附粉尘颗粒，而较大粉尘颗粒很可能会直接影响