半导体检测设备行业专题报告-从KLA成长路径看国产替代进程.docx

半导体检测设备行业专题报告从KLA成长路径看国产替代进程 1. 检测设备贯穿每一步骤的过程工艺控制，全球市场空间超百亿美元半导体量检测设备主要用于在半导体制造过程中检测芯片性能与缺陷几乎每一步主要工艺 完成后都需要在整个生产过程中进行实时的监测，以确保产品质量的可控性，对保证产品质 量起到关键性的作用前道量检测设备注重过程工艺监控，几乎运用在每一道制造工序中 根据功能的不同分为两种设备：一是量测类，二是缺陷检测类1）量测类设备：主要用来 测量透明薄膜厚度、不透明薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套准精度等指标，对 应的设备分为椭偏仪、四探针、原子力显微镜、CD-SEM、OCD 设备、薄膜量测等2）缺 陷检测类设备：用来检测晶圆表面的缺陷，分为明/暗场光学图形图片缺陷检测设备、无图形 表面检测设备、宏观缺陷检测设备等1.1. 半导体量测设备：对各环节工艺参数指标进行测量半导体量测设备主要功能：是在半导体生产过程中，对经过每一道工艺的晶圆进行定量 测量，以保证工艺的关键物理参数满足工艺指标，如膜厚、关键尺寸（CD）、膜应力、折 射率、参杂浓度、套准精度等薄膜材料的厚度和物理常数量测设备：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（如折射率和消光系数）需要准确地确定，以确保每一道 工艺均满足设计规格。

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（金 属类）和透明薄膜测量不透明薄膜厚度的方法通常是通过测量方块电阻，通过其电阻与横 截面积得到其膜厚，采用的设备一般为四探针台，将四根探针等距离放臵，通过对最外两根 探针施加电流，从而测量其电势差，计算被测薄膜的方块电阻目前市场主要供应商为 KLA （Omni Map 系列）而透明薄膜则通常基于椭圆偏振技术，对光谱范围内的偏振变化进行分析，各种薄膜层提供 高精度薄膜测量，由于膜应力、折射率等物理性质同样需要椭圆偏振及干涉技术进行测量， 因此目前主流的膜厚测量设备同时集成了应力测量、折射率测量等功能，目前该类设备市场 主要供应商为 KLA（Aleris 系列、SpectraFilm 系列）、上海精测（EFILM 系列）关键尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）：关键尺寸即栅极线条宽度，通常是指我们所说的“线 宽”，任何经过光刻后的光刻胶线条宽度或刻蚀后栅极线条宽度与设计尺寸的偏离都会直接 影响最终器件的性能、成品率及可靠性，所以先进的工艺控制都需要对线条宽度进行测 量下图所示为 SEM 成像原理图，图左侧是待测量图形的剖面图，由于在斜坡处入射电子 有效作用面积最大，二次电子产生率也相应最高转换为 SEM 图像时，图形边缘的亮度总是 最高的，于是就可以据此计算线宽，即 CD 值。

目前市场上的主要供应商为 Hitachi High-Tech 和应用材料（VeritySEM5i）光学关键尺寸（OCD）测量设备：由于 CD-SEM 需要将待测晶圆臵于真空，因此检测速度 较慢，目前基于衍射光学原理的非成像光学关键尺寸（OCD）测量设备已成为先进半导体制 造了艺中的主要工具，它可以实现对器件关键线条宽度及其他形貌尺寸的精确测量，并具有 很好的重复性和长期稳定性通过 OCD 测量可以一次性获得诸多工艺尺寸参数，而在以前这 些参数通常需要使用多种设备（如扫描电子显微镜、原子力显微镜、光学薄膜测量仪等）才 能完成主要应用于圆片在光刻胶曝光显影后、刻蚀后和 CMP 工艺后的关键尺寸和形貌结 构的测量市场上该类设备主要供应商为 KLA（Spectra Shape 系列）、NanoMetrics、上 海睿励（TFX 3000）和上海精测（EPROFILE 300FD）套刻误差对准测量：在半导体制造过程中，关键层的光学套刻对准直接影响了器件的性能、 成品率及可靠性，随着芯片集成度的增加，线宽逐渐缩小以及多重光刻工艺的应用，套刻误 差需要更严格地被控制，因此套刻误差测量也是过程工艺控制中最重要地步骤之一。

其测量 原理通常为通过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场上主流的供应商为 KLA（Archer 系列）和 ASML（Yield-Star 系列）1.2. 半导体检测设备：分为光学与电子束技术，对图形缺陷进行检查半导体检测设备主要用于检测晶圆上的物理缺陷（称为颗粒的异物）和图案缺陷，并获取缺 陷的位臵坐标（X，Y）缺陷可分为随机缺陷和设备缺陷，随机缺陷主要是由附着在晶圆表 面的颗粒引起的，因此无法预测其位臵晶圆缺陷检测设备的主要作用是检测晶圆上的缺陷 并找出其位臵（位臵坐标）；设备缺陷则是由掩模和曝光工艺的条件引起的，往往在所有投 射的管芯的电路图案上的相同位臵发生按照检测技术分类，晶圆缺陷检测技术分为光学和电子束技术传统检测技术以光学检测为 主，通过光学成像原理对相邻的晶圆进行比对，可以在短时间内进行大范围检测但随着半 导体制程不断缩减，光学检测在先进工艺技术的图像识别的灵敏度逐渐减弱，因此电子束检 测技术在先进工艺中使用较多电子束的原理为利用电子束扫描待测元件，得到二次电子成 像的影像，通过对二次电子的收集，以呈现的图像来解析晶圆在制程中的异常处。

电子束检测的优势为可以不受某些表面物理性质的影响，且可以检测很小的表面缺陷，如栅 极刻蚀残留物等，相较于光学检测技术，电子束检测技术灵敏度较高，但检测速度较慢，因 此在针对先进制程芯片的生产流程时，会同时使用光学检测与电子束检两种技术互相辅助， 进而快速找到晶圆生产的缺陷并控制和改善 光学图形圆片缺陷检测设备采用高精度光学检测技术，对圆片上的 nm/μm 尺度的缺陷和污 染进行检测和识别，以便发现在不同生产节点中的圆片的产品质量问题，该设备可以进一步 分为明/暗场图形缺陷检测、无图形表面检测系统、宏观缺陷检测设备明/暗场图形缺陷检测：该类检测是基于光学成像技术对图形化的晶圆进行检测，明场是指照 明光角度和采集光角度完全相同或部分相同，在光电传感器上最终形成的图像是由照明光入 射晶圆表面并反射回来的光形成的；而暗场则是指照明光角度和采集光角度完全不同，所以 在光电传感器上最终形成的图像是由照明光入射晶圆表面并被图形表面的 3D 结构散射回来 的光形成的通俗来说，明场一般是指照明光路和采集光路在临近晶圆端共用同一个显微物 镜，而暗场是指照明光路和采集光路在物理空间上是完全分离的其皆通过对晶圆上的图形 进行成像后与相邻图像对比来检测缺陷并记录其位臵坐标。

目前市场上明场光学图形缺陷检测设备的供应商主要为 KLA（39xx 系列及 29xx 系列）以及 应用材料（UVision 系列），暗场光学图形缺陷检测设备的供应商主要为 KLA（Puma 系列） 和 Hitachi High-Tech（IS 系列）无图形圆片表面检测系统：该设备是一种用于检测圆片表面品质和发现圆片表面缺陷的光学 检测设备由于晶圆尚未形成图案，因此无需图像比较即可直接检测缺陷其工作原理是将 激光照射在圆片表面，通过多通道采集散射光，经过表面背景噪声抑制后，通过算法提取和 比较多通道的表面缺陷信号，最终获得缺陷的尺寸和分离无图形圆片表面检测系统能够检 测的缺陷类型包括颗粒污染、凹坑、水印、划伤、浅坑、外延堆垛（Epi Stacking)、CMP 突 起（CMP Protrusion)等目前市场上主要供应商为 KLA （Surfscan 系列）和 Hitachi High-Tech（LS 系列）宏观缺陷检测设备：基于光学图像检测技术，结合多种光学量测方法，可以实现尺度大于 0.5 μm 的圆片缺陷检测宏观缺陷检测设备采用的检测方式有两种，一种方式为全圆片表面成 像，光学系统能够实现整个 300mm 圆片表面的一次性成像探测，检测速度较快；另一种方 式为局部圆片表面成像，具有更高的空间分辨率，测试中通过对圆片表面的定位或连续扫描， 拍摄圆片表面的完整图像信息，通过“Die-to-Die”比对等图像计算方法获得检测结果。

宏观缺陷检测设备一般用于光刻、CMP、刻蚀、薄膜沉积后的出货检验（OQC）以及入厂 检验（IQC）中，包括正面检测、背面检测、边缘检测、晶圆几何形状检测等，可高速扫描 硅片的全表面，自动存储硅片全景图像、缺陷分类，和输出缺陷检测结果其主要供应商为KLA（CIRCL 系列）、Nanometrics（Spark 系列）、Rudolph（NSX 系列）、上海睿励（FSD 系列）以及中科飞测（SPRUCE）电子束图形圆片缺陷检测设备是一种利用扫描电子显微镜在前道工序中对半导体圆片上的 刻蚀图形直接进行缺陷检测的工艺检测设备其原理为通过聚焦电子束对圆片表面进行扫描， 接受反射回来的二次电子和背散射电子，进而将其转换成对应的圆片表面形貌的灰度图像 通过比对圆片上不同芯片（Die）同一位臵的图像，或者通过图像和芯片设计图形的直接 比对，可以找出刻蚀或设计上的缺陷目前市场上主要供应商为 KLA（eDR7XXX 系列、eSL10 系列）和 AMAT（SEM VISION 系列）1.3. 前道测试设备市场空间超百亿美元，未来采购需求有望大幅上修前道测试设备占半导体设备投资额的 11%~13%根据科磊及 Semi 统计，前道测试设备占 比在 11%~13%，我们取半导体前道测试设备占比 12%。

1）全球：按照 Semi 最新预计 2021 年半导体设备总市场分别为 953 亿美元估算，我们预测 2021 年年全球半导体前道检测设备 市场空间分别达到 114.4 亿美元2）国内：根据 Semi 数据，2020 年国内半导体设备市场 规模达 187.2 亿美元，2021 年约同比增长 10%，测算 2021 年国内半导体前道检测设备市 场分别达到 24.7 亿美元，约为 160.6 亿元人民币量测设备约占前道量测设备的 34%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，根据智研咨询数据，其中缺陷检测设备约占前道检测设备的 55%，量测设 备占前道量测设备的34%，过程控制软件占11%进一步按产品细分，膜厚测量占比约12%、 OCD 测量设备占比 10%、形貌测量占比约 6%、套刻误差测量占比 9%、CD-SEM 测量占比 约 12%；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 11%、宏观缺陷检测占比 6%同时根据中芯国际/长江存储/合肥长鑫规划，今年中芯国际先后公告投资 76 亿美元于北京亦 庄建设每月约 10 万片的 12 英寸晶圆产能、投资 23.5 亿美元于深圳建设每月约 4 万片的 12 英寸晶圆产能、投资 88.7 亿美元于上海临港建设每月约 10 万片的 12 英寸晶圆产能。

合计 规划产能 24 万片，投资额超 1200 亿人民币，同时加上合肥长鑫、长江存储规划未完工产能， 合计未扩建产能超 60 万片，我们按照 1 万片 50 亿人民币投资额测算，未来晶圆厂投资额将 超 3000 亿元，根据 Gartner 统计，晶圆厂设备采购额占总投资额的 80%，其中 11%~13% 为量测设备，仅长江存储、中芯国际、合肥长鑫对量测设备的采购规模达 300 亿元，分 3~4 年释放；此外如华虹华力、士兰微、积塔半导体、华虹北京燕东、格科微等今年分别规划扩 建或新建晶圆厂，根据 Semi 统计，2020 年中国大陆地区产能合计达 400 万片/月（折合 8 寸晶圆） ，今年将达到 460 万片/月， 2020 年至 2024 年全球将至少新增 38 座 12 英寸晶 圆厂，其中中国大陆贡献主要扩充动力，未来国内设备采购需求有望大幅上修2. 科磊市占率高达 52%，。