2019半导体设备专题系列之二：冲云破雾的检测设备.pdf

敬请阅读末页的重要说明 证券 研究报告 | 行业 联合报告 工业 | 机械 中性 （ 维持 ） 冲云破雾的检测设备 2019 年 07 月 26 日 2019半导体设备专题系列之二 上证指数 2923 行业规模 占比 % 股票家数（只） 358 9.8 总市值 （亿元） 27856 5.3 流通市值（亿元） 19990 4.6 行业指数 % 1m 6m 12m 绝对表现 -2.0 13.4 4.5 相对表现 -0.9 -7.2 -3.0 资料来源：贝格数据、招商证券 相关报告 1、高空作业平台行业报告 水大鱼大：龙头将显著受益行业高速发展2019-07-01 2、 2019 半导体设备专题系列之一 “自主可控”支撑长期成长2019-06-30 3、光伏设备专题系列之一 平价是主线，突围看技术 2019-06-24 检测 是确认产品性能符合要求的必要条件，广泛分布在生产过程中和产成后，根据性能要求的不同，检测类别也是五花八门，包括外观尺寸测试、视觉测试等等。随着生产流程的愈发精细化、复杂化，检测工序的地位也是日益提升。本文以半导体检测设备为切入点，详细介绍了自动检测设备（ ATE）的主要作用以及当前全球行业竞争格局。在 半导体制造逐渐向中国大陆转移 的背景下 ， 我们认为 国产设备 有望 迎来重大机遇 ，而检测设备无疑是最有希望的品类之一 。 全球景气度下行背景下，国内 半导体设备的机会来自于逆周期扩张和进口替代。 受智能手机销量等因素影响 ， 19 年上半年全球半导体行业依然较为低迷，但我们认为在强力政策推动下， 国内受全球周期影响 相对 较弱，存在逆周期扩张 机会 。 目前绝对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和挑战。 进口替代难度较高， 正在进行时 。 在设备领域，核心的光刻、刻蚀等前道核心设备依然被外资 巨头 牢牢把控，短期内国产想要替代有难度，但在检测、清洗、硅片制备等领域国产设备已具备一定替代实力 。 例如长川科技的检测设备， 晶盛机电的单晶炉 ， 至纯科技的高纯工艺系统和清洗设备。 晶圆检测、终测环节设备占比 9%，空间超 50 亿美元。 广义上的半导体检测，包括工艺检测（在线参数测试）、晶圆检测（ CP 测试）、终测（ FT 测试），国内公司目前主要涉足 在 晶圆检测和终测环节， 这两个环节的检测设备价值量约占整 各 半导体制造设备投资的 9%，按照全球每年 550 亿美元以上的设备销售来测算，检测设备年市场空间超 50 亿美元 。 关注国内检测领域技术领先公司。 长川科技在测试机、分选机领域已有较深积淀，并通过收购 STI 进一步提升技术水平和客户资源。此外，由于技术工艺的共通性，一些面板检测设备公司也逐渐转型至半导体检测设备领域，例如科创板新上市的华兴源创等，建议关注国内技术最领先的长川、华兴等。 风险提示：技术突破不及预期、 新产品开发不及预期、 行业 周期性波动风险 。 首页注意事项： 报告分类： 根据提交的报告分类，请在“行业策略报告”、“行业专题报告”、“行业点评报告”、“行业定期报告（行业周报、行业月报等）”中选择其中一种分类 相关报告： 尽量不超过两篇。 研究员： 如果署名人较多，除第一作者外，建议其他分析师资料每人两行。人名与执业证书号一行、邮箱一行即可。 诸凯 zhukaicmschina S1090518070005 吴丹 wudan6cmschina S1090518090001 刘荣 liurcmschina S1090511040001 研究助理 时文博 重点公司主要财务指标 股价 18EPS 19EPS 20EPS 19PE 20PE PB 评级 长川科技 17.7 0.13 0.33 0.48 55 37 12 审慎推荐 -A 至纯科技 20.0 0.12 0.40 0.63 50 32 6.3 审慎推荐 -A 华兴源创 54.7 0.61 0.70 0.91 78 60 12 - 晶盛机电 12.7 0.45 0.58 0.76 23 17 4.5 电新覆盖 资料来源： 公司数据、 招商证券 （若干其他行业覆盖的设备标的未列式 ，按最新股本 测算 ，晶盛机电取 wind一致预期 ） -30-20-1001020Jul/18 Nov/18 Mar/19 Jul/19(%) 机械 沪深 300行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 2 正文目录 一、前言 . 3 二、半导体检测概论 旨在控制系统损失 . 3 三、半导体行业景气下行，但大陆市场依旧坚挺 . 4 四、检测设备 进口替代 是未来长期趋势 . 8 1、设计验证 决定是否量产的关键验证 . 9 2、过程工艺检测 控制缺陷 放大的关键环节 . 10 （ 1）量测 判断厚度、应力等指标 . 12 （ 2）缺陷检测 . 18 3、晶圆检测 封装前最后一道防线 . 21 （ 1）硅片检测 . 22 （ 2）晶圆中测（ CP） 检测核心环节 . 23 4、终测（ FT） 芯片成品的良品率抽样检测 . 31 五、海外检测龙头 他山之石 . 33 1、科磊 全球控制检测设备龙头 . 33 2、爱德万 存储器检测龙头 . 36 3、泰瑞达 RF 及 SOC 检测设备龙 头 . 39 4、东京精密 . 41 六、国内检测设备领先企业 . 42 1、长川科技 大基金持股，收购 STI . 43 2、华兴源创 由面板领域转型半导体 . 46 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 3 一、 前言 检测设备， 主要用于检测产品在生产过程中和产成后的各类性能是否达到设计要求。检测种类繁多，客户需求多样化，因此检测设备往往存在非标定制化的特点。本篇报告主要从半导体检测领域切入，详细分析在半导体生产过程中检测的各个科目及其重要性。相对于光刻等前道设备，检测设备的制造难度相对低一些，但是也存在较高的推广难度。目前全球半导体检测设备行业已经形成了泰瑞达、爱德万两家垄断的局面，国内的长川科技、北京华峰、华兴源创等公司正在寻求从各自的细分领域突破，逐渐进行进口替代，目前已取得一定的进展。 二 、半导体检测概论 旨在控制系统损 失 广义上的半导体检测设备，主要包括工艺检测（在线参数测试）、晶圆检测（ CP 测试）、终测（ FT 测试），国内公司目前主要涉足于晶圆检测和终测环节， 这两个环节的检测设备价值量约占整体半导体制造设备投资的 9%左右。检测设备相对于 中 前道的光刻、刻蚀设备来说， 绝对 制造 技术 难度 相对 低， 国产厂商更容易突破， 但 由于涉及到度量衡标准，因此品牌壁垒，以及 推广难度 还是 较高 的 。 半导体检测贯穿整个半导体制造过程，可避免制造损失的指数式增长。 随着半导体技术的迅速发展，行业设计能力和制造能力都有了很大的提高， 这 一方面使得半导体实现的功 能日益强大，另一方面其内部结构的复杂度也不断提高， 检验 测试面临越来越多的挑战。半导体检测贯穿整个半导体制造，从设计验证到最终测试都不可或缺， 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，那么在电路板（ PCB）级别发现故障的成本就芯片级别的十倍。以此类推半导体检测失效损失呈指数增长，测试在制造过程中的地位不言而喻。 图 1：电子系统故障成本 “十倍法则” 资料来源： The Economics of Automatic Testing， Brendan Davis，招商证券 测试设备需求旺盛，国内公司已有一定技术积累。 从 2017 年开始，国内存储器和逻辑芯片产能不断释放，目前在建和拟建晶圆厂项目总投资金额接近万亿元规模。根据 SEMI估算， 2018-2020 年国内半导体制造设备投资额 约 为 1550、 1604、 1702 亿元，按照历史经验检测设备占总设备 17%（晶圆检测 9%，过程工艺控制 8%）的比例进行测算，2018-2020 年国内晶圆厂检测对应的半导体检测设备需求分别为 264、 273、 289 亿元，行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 4 随着测试成本占比逐年升高，实际需求有望在此基础上继续突破。国内检测设备公司 方面，长川科技、北京华峰技术水平较为领先， 长川科技生产的测试机、分选机已获得长电科技、华天科技等多个封测 、代工厂商 的使用和认可，在国内实现批量销售。 图 2： 国内半导体检测设备市场空间 资料来源： SEMI，招商证券 三、半导体行业景气下行，但大陆市场依旧坚挺 SEMI 下调半导体制造设备 2019 年的全球销售额预测值。 根据 SEMI 最新预测，由于智能手机和存储半导体需求的低迷， 2019 年半导体设备销售额将同比减少 18，降至 527亿美元 ，但预测 随着存储器投资复苏和中国大陆新建及扩建工厂，预计 2020 年设备销售额将比 2019 年增长 12%至 588 亿美元， SEMI 预计中国大陆将成为半导体制造设备的最大市场。 存储器价格走跌，反应全球半导体景气度或下行。 价格相对于销量，经常是更前瞻性的指标。可以看到， NAND Flash 存储器的价格在 2018 年跌了 50%以上，也跌破了 2016年的价格，供过于求加上高库存的影响导致价格跌幅剧烈。经过了两年的高景气之后，半导体价格及市场景气度进入下行周期。 050010001500200025002015 2016 2017 2018E 2019E 2020E总投资（亿元） 设备投资额检测设备需求行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 5 图 3： DXI 指数和 NAND 64G 现货平均价 （美元） 资料来源： Wind，招商证券 近期由于日本开始对韩国限制半导体材料出口， DRAM 和 NAND flash 价格均有所上涨，但整体上 dram 产能预计到 19 年末还将维持供过于求的状态。 表 1：全球内寸、闪存季度价格预测及同比 1Q18 2Q18 3Q18 4Q18 1Q19 2Q19E 3Q19E 4Q19E 1Q20E 2Q20E 3Q20E 4Q20E DDR3 DRAM 4Gb spot 3.77 3.39 3.17 2.79 2.28 1.62 1.53 1.53 1.53 1.6 1.68 1.68 DDR3 DRAM 4Gb contract 3.3 3.3 3.2 2.83 2.13 1.66 1.49 1.42 1.35 1.42 1.56 1.56 NAND 64Gb spot 3.99 3.7 3.23 2.92 2.6 2.44 2.07 2.07 2.07 2.18 2.29 2.29 NAND 64Gb contract 3.69 3.69 3.52 3.24 2.6 2.4 2.23 2.12 2.12 2.23 2.34 2.34 NAND 128Gb contract 5.6 5.6 5.2 4.71 4.28 3.92 3.53 3.35 3.35 3.52 3.7 3.7 SLC 8Gb contract 4.11 4.16 4.06 3.58 2.9 2.57 2.31 2.31 2.31 2.43 2.55 2.55 资料来源： DRAMeXchange 、 Bloomberg、招商 证券 据 SIA 最新报告， 5 月全球半导体销售额连续第五个月同比下降 14.6%至 331 亿美元。受智能手机等终端设备需求疲弱的影响，我国 5 月半导体销售额 110.4 亿美元，同比跌幅也超 10%。 图 4： 全球半导体销售额及增幅（单位：十亿美元） 资料来源： WSTS，招商证券 日韩半导体行业 起争端 ，中国厂商 或迎 机遇。 日本政府近日宣布，将从 7 月 4 日起对用于制造电视和智能手机面板的氟聚酰亚胺、半导体制作过程中的核心材料光刻胶和高01234561200017000220002700032000DXI指数 现货平均价 :NAND Flash:64Gb 8Gx8 MLC-5%0%5%10%15%20%25%0501001502002503003504004505002011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018E全球半导体销售额 增幅行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 6 纯度半导体用氟化氢出口进行限制。韩国官方数据显示，韩国企业对这 3 种日本材料的进口依赖度分别高达 43.9%、 91.9%和 93.7%，而韩国对 这三种半导体核心材料 的储备量只够继续使用 13 个月 ， 若 3 个月之后日本仍不供货，三星、海力士等半导体生产厂商会面临停产风险。因此 ， 如果日韩分歧长期延续，韩国厂商的产能缺口或转移至中国，中国厂商可借机抢占市场。 中国或将接过产业接力棒，承接第三次半导体产业转移。 随着半导体产业同时迈入后摩尔时代与后 PC 时代，全球半导体市场增速明显放缓，中国已成为带动全球半导体市场增长的主要动力。我国在过去的二十多年中，凭借低廉的劳动力成本，获取了部分国外半导体封装、制造等业务，通过不断的技术引进和人才培养，已经完成了半导体产业的原始积累。但是目前国内半导体行业技术积累与国外先进水平差 距仍然较大，并不能完全满足国内现阶段的需求，根据 IC insights 的数据， 2016 年我国集成电路自给率仅为10.4%。下游需求端的强烈爆发叠加国内集成电路自给率不足正在不断加速半导体产业向中国大陆转移，据 SEMI 预估， 2017-2020 年全球 62 座新投产的晶圆厂中有 26 座来自中国大陆，占全球总数 42%。 表 2：正在建设中的 12 英寸晶圆厂 公司 开建时间 进度 中芯国际 (上海 ) 2016.12 2018 年初投产 中芯国际 (深圳 ) 2016.11 2017 年底投产 上海华力微 2016.12 2018 年完工 台积电 (南京 ) 2016.7 正式投产 1 万片 /月 长江存储 2016.12 2018 年实现量产 淮安得克玛 2016.3 二期计划时间未定 格罗方德（成都） 2017.2 预计 12 月试生产 AOS(重庆 ) 2016.3 2018 年投产 合肥长鑫 2016 年底 2018 年投产 晶合（合肥） 2015.1 正式投产 1 万片 /月 联电 (厦门 ) 2017.2 量产 28nm,后续扩产已投产 武汉新芯 2018 年投产 广州粤芯 2017.12 2019 年上半年 晋华集成（泉州） 2018 年 9 月投产 资料来源：集微网，招商证券 差距巨大倒逼国产突围，避免核心设备受制于人。 前有“中兴事件”让国人痛定思痛，后有福建晋华遭美国技术禁售， 再加上近期对于华为的一些制裁措施，都让我们意识到必须在核心技术上占据主动。 2017 年，中国进口商业芯片共计花费 13640 亿人民币。过去十年，中国进口芯片费用超过 10 万亿人民币，相当于 2017 年中国 GDP 的整整1/8。 2016 年，中国的集成电路自给率仅为 10.4%，推动集成电路发展已经上升至国家重中之重，芯片国产化率亟待提高。 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 7 图 5：中国集成电路自给率 图 6：集成电路贸易逆差巨大 资料来源： SEMI，招商证券 资料来源： CSIA，前瞻产业研究院，招商证券 政策支持带动国内企业突围，大力支持封测行业发展。 为了推动国产设备突围，我国启动了“ 02 专项”以及成立国家产业大基金，其中“ 02 专项”全方面的对半导体设备行业进行了扶植，一期重点在制造，晶圆代工 28nm 和存储是关键：制造的投资额占比为65%、设计占 17%、封测占 10%、装备材料占 8%。 2018 年 5 月，工信部发言人指出国家大基金第二期正在募集，预计再有超过千亿的资金进入集成电路产业。 尤其针对封测行业，国家几乎每年出政策推进，通过税收改善、基金投资等方式引领企业突围。 表 3：国家政策支持封测 及设备 时间 部门 法律法规及政策 相关内容 2012.07 国务院 “十二五”国家战略性 新兴产业发展规划 突破先进和特色芯片制造工艺技术，先进封装、 测试技术 以及关键设备、仪器、材料核心技术 2013.02 发改委 战略性新兴产业重点 产品和服务指导目录 将集成电路 测试设备 列入战略性新兴产业重点产品目录。 2014.06 国务院 国家集成电路产业 发展推进纲要 1、到 2015 年，中高端封装 测试 销售收入占封装测试业总收入比例达到 30%以上。 2、到 2020 年，封装 测试 技术达到国际领先水平。 3、设立国家产业投资基金，重点支持集成电路制造领域，兼顾设计、 封装测试 、装备、材料环节。 2015.05 国务院 中国制造 2025 将集成电路及专用装备作为“新一代信息技术产业”纳入大力推动突破发展的重点领域，提升封装产业和 测试 的自主发展能力，形成关键制造装备供货能力。 2016.11 国务院 “十三五”国家战略性新 兴产业发展规划的通知 推动 封装测试 、关键装备和材料等产业快速发展。 资料来源：国务院、发改委网站，招商证券整理 测试复杂度升级，高端需求旺盛带动市场。 半导体芯片中晶体管的特征尺寸每年都在减小，这也导致晶体管的密度每年大约增长 20%，这使得芯片内部模块变得越来越难测，测试的复杂度在逐渐升级。同时随着芯片封装技术逐渐向高密度、高速度的发展，成品测试也变得逐渐复杂，测试的成本在逐渐升高。 2018-2020 年国内检测设备需求估计超 800 亿元。 从 2017 年开始，国内存储器和逻辑芯片产能不断释放，目前在建和拟建 晶圆厂 项目总投资金额近万亿元规模。 根据 SEMI估算， 2018-2020 年国内半导体制造设备投资额为 1550、 1604、 1702 亿元，按照历史经验检测设备占总设备 17%（晶圆检测 9%，过程工艺控制 8%）的比例进行测算，0%2%4%6%8%10%12%14%16%050100150200250300 销售额（十亿美元）自给率1702 1920.62313.4 2176.2 2307 2270.72600325.7 534.3877 608.6 693.1613.8 668.80500100015002000250030002011 2012 2013 2014 2015 2016 2017进口额 出口额行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 8 2018-2020 年国内晶圆厂检测对应的半导体检测设备需求分别为 264、 273、 289 亿元，随着测试成本占比逐年升高，实际需求有望在此基础上继续突破 。 图 7：国内检测设备年需求超 200 亿元 资料来源： SEMI，招商证券 四、检测设备 进口替代是未来长期趋势 缺陷贯穿生产过程，未及时修正则导致最终失效。 集成电路的设计、加工、制造以及生产过程中，各种各样人为、非人为因素导致错误难以避免，造成的资源浪费、危险事故等代价更是难以估量。设计的漏洞、布局布线的失误、工作条件的差异、原料的纯度不足和存在缺陷以及机器设备的误操作等造成的错误，都是导致电路产生缺陷最终失效的原因。测试成为贯穿于集成电路设计、制造、生产中的、保证芯片质量的重要环节。 图 8：集成电路缺陷示例 资料来源：芯片验证测试及失效分析技术研究，招商证券 测试环节覆盖生产全过程，保证芯片符合规格。 以 IC 测试为例， IC 从设计到失效整个寿命中所经历的测试主要有设计验证、工艺监控测试、晶圆测试、最终测试、可靠性测试、用户测试。其中前四个发生在制造过程中，设计验证在批量生产前进行，最终测试在芯片封装后进行，所有测试目的是保证芯片符合规格，尽量避免损失升级。 0200400600800100012001400160018002015 2016 2017 2018E 2019E 2020E设备投资额 检测设备需求行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 9 图 9：集成电路寿命全过程中各类测试框图 资料来源：最新集成电路测试技术，招商证券 表 4：生产过程中主流测试环节 测试种类 生产阶段 测试描述 设计验证 生产前 描述、调试和检验芯片设计，保证符合规格要求 在线参数测试（ PCM) Wafer 制造过程中 为了监控工艺，在制作过程的早期进行产品工艺检验测 硅片拣选测试（ CP 测试） Wafer 制造后 产品电性测试，验证每个芯片是否符合产品规格 终测（ FT） 封装后 使用产品规格进行的产品功能测试 资料来源：最新集成电路测试技术，招商证券 1、设计验证 决定是否量产的关键验证 设计验证主要检测芯片样品功能设计，在生产前进行。 设计验证针对的是芯片样品，主要工作是检测芯片设计的功能是否能够达到客户要求，在检测过程中会对芯片样品逐一检查，只有通过设计验证的产品型号才会开始进入量产，由于其发生在芯片制造最早环节，性价比相对最高，可为芯片批量制造指明 接下来的 方向。 设计验证过程中需要使用全部半导体测试设备。 由于设计验证的特殊功能定位，其过程包括了整个芯片的制造流程，所需测试设备也包含了过程工艺检测过程中的光学设备等、晶圆检测中的探针台等以及最终检测过程中的分选机、测试机等。经过设计验证的产品型号才会开始进入量产，我们将在后面量产测试环节中对不同测试设备技术及市场进行逐一介绍，在此不一一赘述。 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 10 图 10：芯片测试及设备流程图 资料来源：最新集成电路测试技术，招商证券整理 2、过程工艺检测 控制缺陷放大的关键环节 顾名思义， 过程工艺控制应用于晶圆制造 的 全过程 。 在晶圆的制造过程中，包括离子注入、抛光、刻蚀等几乎任意一个环节都会由于技术不精确或外在环境污染等而形成缺陷，从而导致芯片最终失效。 主要检测的指标包括膜厚、表面缺陷、关键尺寸等。 例如整个晶圆的制造工艺便是不断的成膜工艺，在硅片表面形成不同的膜，膜厚便是膜的关键质量参数，针对不同种类薄膜测试参数也不尽相同，例如对于不透明膜的测量便使用四探针来测量方块电阻来计算膜厚，针对透明膜便主要依据光学测试进行测量。 表 5：生产过程中主流测试项 注入 扩散 薄膜 抛光 刻蚀 曝光 金属 电介质 膜厚 方块电阻 膜应力 折射率 掺杂浓度 无图形表面缺陷 有图形表面缺陷 关键尺寸（ CD） 台阶覆盖 套刻标记 电容 -电压特性 接触的角度 资料来源：半导体制造技术，招商证券 工艺检测缺陷及测试方法复杂多样，下面主要列出了部分常见缺陷检测原理，辅助理解整个工艺检测环节（主要列举了氧化、光刻、刻蚀、 CMP 四个主要制造流程）： 1）氧化 是晶圆制造中重要的一步，在硅片上通过热生长或淀积产生的氧化膜可以对器件保护和隔离、产生表面钝化、掺杂阻挡充当芯片间金属层有效绝缘体等。当一批硅片