【深度·天風電子】半導體檢測設備：從前道到后道，全程保駕護航
發布時間：2021-03-18
摘要
在半導體設計、制造、封裝中的各個環節都要進行反復多次的檢測、測試以確保產品質量，從而研發出符合系統要求的器件。缺陷相關的故障成本影響高昂，從IC級別的數十美元，到模塊級別的數百美元，乃至應用端級別的數千美元。因此，檢測設備從設計驗證到整個半導體制造過程都具有無法替代的重要地位。
檢測設備作為能夠優化制程控制良率、提高效率與降低成本的關鍵，未來在半導體產業中的地位將會日益凸顯。預計未來我國半導體檢測設備市場廣闊，其主要原因為當前復雜的地緣政治帶來國產替代的迫切需求；國家政策大力支持集成電路產業，產業發展迅速；半導體產業重心由國際向國內轉移帶來機遇；中國市場已成為全球最大的設備市場；新應用領域不斷涌現，新器件性能迭代加速，帶來設計公司發展新機遇；芯片集成度的不斷提高，迎來了檢測設備的更大需求。2020年我國半導體檢測設備市場為176億元，預計未來五年預計復合增長率為14%，增速高于全球。
廣義上的檢測設備分為前道量檢測和后道測試設備。量檢測的對象是工藝過程中的晶圓，測試的對象是工藝完成后的芯片。前道量檢測對每一步工藝過程的質量進行測量或者檢查，以保證工藝符合預設的指標，防止出現偏差和缺陷的不合格晶圓進入下一道工藝流程。前道量檢測設備2020年全球市場為69億美元，我國約15億美元。前道量檢測按照測試目的分為量測和檢測。按照應用主要分為關鍵尺寸量測、薄膜的厚度量測、套刻對準量測、光罩/掩膜檢測、無圖形晶圓檢測、圖形化晶圓檢測和缺陷復查。按照技術主要分為光學檢測設備、電子束檢測設備。國際市場頭部企業為美國KLA、美國AMAT、日本Hitachi和美國Onto，這四大設備商產品類型豐富，壟斷了全球市場，全方位高筑壁壘。中國半導體企業精測電子（設立子公司上海精測）、賽騰股份（收購Optima）和中微公司（入股上海睿勵），積極加大量檢測領域的研發投入，基于已有技術基礎通過投資并購占據中國廣大量檢測市場先機，建議關注。
后道測試設備關注的是在所有晶圓工藝完成后芯片的各種電性功能。后道測試設備2020年全球市場為62億美元，我國約14億美元。測試設備分為測試機、探針臺和分選機。測試機占比約63%，國際市場中愛德萬和泰瑞達占據寡頭壟斷地位，同時先進封裝領航者ASM PACIFIC近年來在光電測試領域積極布局。我國市場中精測電子（設立子公司武漢精鴻）、華峰測控和長川科技有望依托中國市場的發展在相關細分賽道中迎來機遇。探針臺占比約15%，國際市場中東京精密和東京電子市占率過半，我國市場中長川科技在積極研發中。分選機占比約17%，由于該細分領域壁壘相對多樣化，其競爭優勢側重有所不用，更易于市場化突破。
我們建議重點關注隨著未來人工智能、物聯網、新能源汽車等新應用領域所帶來的檢測行業發展機遇。同時隨著芯片集成度越來越高，工藝步驟越來越復雜，晶圓在生產過程中需要量檢測和測試的頻次也越來越高，驅動檢測設備市場需求不斷提升?；谝陨?，精測電子的檢測設備有望憑借其自身技術內生發展和外部投資并購布局量價齊升。
投資建議：精測電子（推薦）、ASM PACIFIC（與海外團隊聯合覆蓋）、長川科技（建議關注）、華峰測控（建議關注）
風險提示：半導體行業周期性、產業配套環境有待進一步改善、高端技術人才相對缺乏、國內企業規模較小造成品牌影響力不足
1. 檢測設備：保駕護航、偵測并監控半導體關鍵良率偏移
在半導體設計、制造、封裝中的各個環節都要進行反復多次的檢驗、測試以確保產品質量，從而研制開發出符合系統要求的器件。缺陷相關故障的影響成本從IC級別的數十美元，到模塊級別的數百美元，乃至應用端級別的數千美元。因此，檢測設備從設計驗證到整個半導體制造過程都具有無法替代的重要地位。檢測設備可以幫助工程師發現、偵測并監控關鍵的良率偏移，從而加快良率提升并達到更高的產品良率。
1.1. 分類：前道量檢測、后道測試，提升良率保障性能
檢測設備按照其功能和對應的產業鏈位置不同，可以分為前道量檢測、后道測試兩大類，分別應用于半導體產業鏈的上游設計驗證、中游制程工藝的晶體管結構檢測、下游封測芯片的成品終測。無論是前道檢測還是后道測試，都是提升芯片良率及質量的關鍵設備。
1） 前道量檢測設備：
前道量檢測對象是工藝過程中的晶圓，它是一種物理性、功能性的測試，用以檢測每一步工藝后產品的加工參數是否達到了設計的要求，并且查看晶圓表面上是否存在影響良率的缺陷，確保將加工產線的良率控制在規定的水平之上。
前道量檢測包含膜厚量測設備、OCD關鍵尺寸量測、CD-SEM關鍵尺寸量測、光刻校準量測、圖形缺陷檢測設備等多種前道量檢測設備。由于晶圓制造工藝環節復雜，所需要的檢測設備種類較多，因此也是所有半導體檢測賽道中壁壘最高的環節，單機設備的價格比后道測試設備還高，且不同功能設備價格差異也較大。前道量檢測設備供應商目前有美國的科磊、應用材料；日本的日立；國內的精測電子、中科飛測、上海睿勵等。下游客戶為集成電路制造商，包含臺積電、中芯國際、長江存儲等。
2） 后道測試設備：
應用于上游設計、下游封測環節中，目的是檢查芯片的性能是否符合要求，是一種電性、功能性的檢測，用于檢查芯片是否達到性能要求。
一、上游設計商需要對流片完的晶圓與芯片樣品進行有效性驗證，主要設備為測試機、探針臺、分選機，因為作為樣品測試所以通常并不會大量采購，但是會與下游封測深度聯動，因此綁定集成電路設計商也成為后道測試設備商的壁壘之一。主要下游客戶為集成電路設計商，例如：高通、聯發科、海思、卓勝微、韋爾等。
二、封測環節主要可以分為：晶圓測試（CP），針對加工完的晶圓，進行電性測試，識別出能夠正常工作的芯片，主要設備為測試機和探針臺。部分客戶為集成電路制造商還有部份第三方的晶圓測試商；成品測試（FT），最后晶圓切割變成芯片后，針對芯片的性能進行最終測試，主要設備為測試機和分選機；下游客戶為集成電路封裝測試商，包含日月光、通富、長電等。由于半導體終端應用持續攀升，催生出全自動及高性能的后道測試設備，加上集成電路產業與國際先進水平的差距逐步縮小，封裝測試技術達到國際領先水平，后道測試設備迎來重要國產化機遇。后道測試設備供應商目前有美國的泰瑞達、愛德萬；國內的精測電子、華峰測控、長川科技等。
下圖為本報告對全球檢測設備市場、分類及廠商的分析總結：
1.2. 市場趨勢：新應用涌現驅動市場潛力、工藝步驟倍增拓寬市場空間
超越摩爾領域：
模擬/混合信號、RF、MEMS、圖像傳感、電源等技術可與 CMOS 在各種平面乃至2.5D、 3D 架構中集成。這些集成和其他關鍵技術使人工智能、物聯網和汽車雷達等一系列應用快速增長。
Yole Developpement 數據預計，到 2023 年，超越摩爾市場年增長速度所以晶圓尺寸合計約 7400 萬片硅片，復合年增長率約為3%。但僅考慮最流行的晶圓尺寸（12"、8"和6"晶圓），到2023年，預測將變為6000萬片，復合年均增長率約為5%。對于半導體制造商來說，超越摩爾市場已成為半導體需求的重要來源，但這同時意味著需要新的量檢測和測試方法，以適應各種可能影響這些多技術設備產生的故障。
例如，汽車行業的一家主要半導體供應商恩智浦半導體說到："缺陷相關故障的影響成本從IC級別的數十美元，到模塊級別的數百美元，到汽車應用端級別的數千美元“。IC 在當今的汽車中被廣泛使用，且未來使用會更多。汽車零部件故障可能導致嚴重傷害甚至死亡，所以汽車行業服務的零部件制造商使用以每萬億（ppt）的零件損失為測量標準，可見檢測設備的需求更甚。
如下圖可見，在汽車領域，由于缺陷導致故障而無法使用的產品損失極大，在1ppm情況下，大眾集團的損失可以達到每年2.19億美元。
摩爾定律領域：
新應用需求驅動了制程微縮和三維結構的升級，使得工藝步驟大幅提升，成熟制程（以45nm為例）工藝步驟數大約需要430道到了先進制程（以5nm為例）將會提升至1250道，工藝步驟將近提升了3倍；結構上來看包括GAAFET、MRAM等新一代的半導體工藝都是越來越復雜，在數千道制程中，每一道制程的檢測皆不能有差錯，否則會顯著影響芯片的成敗。
中國半導體檢測設備未來市場空間廣闊具體原因如下： 1.國家政策大力支持集成電路產業，檢測作為關鍵一環尤為重要 集成電路產業是國民經濟中基礎性、關鍵性和戰略性的產業，作為現代信息產業的基礎和核心產業之一，在保障國家安全等方面發揮著重要的作用，是衡量一個國家或地區現代化程度以及綜合國力的重要標志。國家為扶持集成電路行業發展，制定了多項引導政策及目標規劃。第一，國家為規范集成電路行業的競爭秩序，加強對集成電路相關知識產權的保護力度，相繼出臺了《集成電路設計企業及產品認定暫行管理辦法》、《集成電路布圖設計保護條例》、《集成電路布圖設計保護條例實施細則》等法律法規，為集成電路行業的健康發展提供了政策保障。 第二，國家出臺了若干優惠政策，從投融資、稅收、出口等各個方面鼓勵支撐電路行業的發展，具體政策包括《財政部、稅務總局、國家發展改革委、工業和信息化部關于集成電路生產企業有關企業所得稅政策問題的通知》、《國務院關于印發進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》等，為集成電路企業的發展創造了有利的市場環境。 第三，國家指定了《集成電路產業研究與開發專項資金管理暫行辦法》、《國務院關于印發“十三五”國家科技創新規劃的通知》等目標規劃，將集成電路裝備列為國家科技重大專項，積極推進各項政策的實施。國家政策的落地實施為產業發展破解融資瓶頸提供了保障，有力促進集成電路專用設備行業的可持續良性發展。 2.半導體產業重心由國際向國內轉移帶來機遇 中國集成電路行業增長迅速，半導體行業重心持續由國際向國內轉移。中國半導體產業發展較晚，但憑借著市場容量，中國已成為全球最大的半導體消費國。根據 CSIA 數據，2018 年國內集成電路市場規模為 985 億美元，同比增長 18.53%，2010 年至 2018 年國內集成電路市場復合增長率達到 21.10%，高于全球市場同期年復合增長率，中國已經超過美國、歐洲和日本，成為全球最大的集成電路市場。隨著半導體制造技術和成本的變化，半導體產業正在經歷第三次產能轉移，行業需求中心和產能中心逐步向中國大陸轉移。隨著產業結構的加快調整，中國集成電路的需求將持續增長。 3.集成電路產業發展迅速，增速高于GDP增長，產品更新換代加速，新型應用領域不斷涌現，為技術超車創造機遇
如上圖IC Insights的調查數據可見，2020年集成電路增長率為8%，遠超GDP增長，同樣，2021年預計集成電路增長率為超過10%，是GDP增長率的兩倍以上。
作為全球最大的集成電路市場，中國集成電路產業隨著 5G、電動汽車等的快速發展持續增長，為半導體測試需求帶來增量空間。在國家重大科技專項的支持下，“十二五”期間中國集成電路產業各個環節的整體水平都有了明顯提升，國產軟硬件在航天、電力、辦公應用和移動智能終端等領域實現規模應用，為保障國家信息安全提供了重要支撐。伴隨技術革新和產業升級換代的波浪式遞進，市場機會窗口不斷涌現，每一次的技術升級都為集成電路及其專用設備制造企業帶來了發展機會。
當前，以互聯網、智能手機為代表的信息產業的第二次浪潮已步入成熟，增速放緩，而以物聯網為代表的信息感知及處理正在推動信息產業進入第三次浪潮，物聯網革命已經悄然開始。在物聯網智能時代，由于交互模式的改變，智能化產品的多樣性必然會更加豐富，對各類信息的采集形成了快速膨脹的數據處理需求，對海量數據的有效處理將成為真正推動集成電路行業發展的核心驅動力。物聯網、大數據、人工智能、5G 通信、汽車電子等新型應用市場帶來巨量芯片增量需求，為半導體自動化測試系統企業提供更大的市場空間；同時，第三代半導體 GaN 等半導體新技術的出現為國內半導體自動化測試系統企業帶來超車國際巨頭的新機遇。
4. 大陸芯片設計公司迎來大發展時代，檢測需求將跟隨發展
近年來，集成電路測試行業發展迅速，根據中國半導體行業協會 IC 設計分會的統計，截至 2019 年 11 月，中國大陸 IC 設計公司達到 1,780 家，比 2018 年的 1,698 家多了 82 家，中國大陸的芯片設計公司迎來高速成長。IC 設計行業 2019年的銷售額為 3,063.5 億元，相比 2018 年增長了 21.60%。芯片設計公司的快速增長，使得芯片檢測設備的市場需求隨之增長。隨著國內集成電路產業的快速發展和國產化加速，晶圓制造、芯片設計公司的測試服務需求越來越多，檢測設備相關企業將迎來新的發展機遇。
5.芯片復雜度提高，驗證測試要求越發嚴格
對芯片最顯著的改進不僅僅在設計流程中產生，而且在芯片調試和驗證流程中反復進行，尤其是在高性能芯片的研制過程中。隨著芯片復雜度的提高，對驗證測試的要求更加嚴格，與設計流程的交互更加頻繁。隨著芯片速度與功能的不斷提高，超大規模集成電路尤其是集成多核的芯片系統（SOC）的出現使得芯片迅速投入量產過程難度增加，由此驗證測試變得更加必要。目前，開發低成本高效率的全面驗證測試策略成為芯片制造商的關注點。能夠在早期（如初次樣片測試階段） 全面獲取芯片品質鑒定的信息變得至關重要。
6.檢測本身已從工序到獨立行業，貫穿所有流程，未在檢測流程發現缺陷則損失慘重
早期的檢測只是作為IC 生產中的一個工序存在，被合并在制造業或封裝業中。隨著集成電路產業分工日益明晰和人們對集成電路品質的重視，再加上技術、成本和知識產權保護等諸多因素，檢測目前正成為集成電路產業中一個不可或缺的、專業化的獨立行業，作為設計、制造和封裝的有力技術支撐，推動了集成電路產業的迅速發展。
在集成電路研制、生產、應用等各個階段都要進行反復多次的檢驗、測試來確保產品質量和研制開發出符合系統要求的電路。半導體檢測從設計驗證到最終測試都不可或缺，貫穿整個半導體制造過程。半導體檢測包括設計驗證、工藝控制檢測、晶圓測試(CP測試)以及成品測試(FT測試)。
按照電子系統故障檢測中的“十倍法則”，如果一個芯片中的故障沒有在芯片測試時發現，則在電路板(PCB)級別發現故障的成本為芯片級別的十倍。因此，檢測在半導體產業中扮演著重要角色，且其地位日益凸顯。
1.3. 市場規模：重要地位日益凸顯，中國增速高于全球 全球半導體檢測設備市場概況： 根據智研咨詢和Gartner,SEMI數據整理，2020年檢測設備全球市場規模約131億美元，如下圖可見。
我國半導體檢測設備市場概況：
據前瞻產業研究院統計，2020年我國半導體檢測設備市場規模176億元。
我國半導體檢測設備市場概況：
據前瞻產業研究院統計，2020年我國半導體檢測設備市場規模176億元。
隨著我國半導體產業的不斷發展，檢測設備作為能夠提高制程控制良率、提高效率與降低成本的重要檢測儀器，未來在半導體產業的地位將會日益凸顯。前瞻產業研究預計2026年我國半導體檢測設備市場有望到達400億元。2020-2026 CAGR為14.7%，增速高于全球。
1.4. 競爭格局：國外高度壟斷，國產替代需求迫切有望提速
目前，國際國內市場中檢測設備被國外高度壟斷，目前絕大部分半導體設備依然高度依賴進口，提升“核芯技術”自主化率已迫在眉睫。 量檢測設備領域： 量檢測設備行業具有極高的技術、資金壁壘，對業內公司研發能力有很強要求。海外巨頭KLA為首，AMAT、Hitachi等合計占比超90%。國內設備廠商由于起步晚基礎薄，始終在努力追趕，國產設備仍有很大的突破空間。前道設備種類復雜，細分市場較多；其中，膜厚量測技術門檻較低，集中度相對分散，為國內廠商進入檢測設備的突破口。 測試設備領域： 測試種類繁多，客戶需求多樣化，因此測試設備往往存在非標定制化的特點。根據性能要求的不同，類別也是五花八門，包括外觀尺寸測試、視覺測試等。雖然相比于光刻機、刻蝕機等前道設備，測試設備的制造相對容易一些，但是也存在較高的推廣難度。目前全球設備市場份額主要被美、日等發達國家的先進廠商所占據，半導體測試設備行業已經形成了泰瑞達、愛德萬兩家壟斷的局面。國內半導體設備廠商想要提高市場份額依然面臨極大挑戰。 進口替代需求迫切，測試設備的國產替代進程將加速： 受中美貿易摩擦影響，供應鏈的安全日益受到重視，國產測試設備將得到更多的試用機會，在中低端模擬測試機和分選機領域，國產替代明顯提速。目前絕大部分半導體設備依然高度依賴進口，提升“核芯技術”自主化率已迫在眉睫，上升至國家戰略，進口替代是國內半導體設備公司面臨的重大機遇。2018年以來，國產半導體測試設備向中國大陸市場拓展，國產替代進程明顯提速。 2. 前道量檢測設備：物理、功能性檢查，提升良率，市場壁壘高筑 前道量檢測運用于晶圓的加工制造過程，它是物理性、功能性的，用以檢測每一步工藝后產品的加工參數是否達到了設計的要求，并且查看晶圓表面上是否存在影響良率的缺陷，確保將加工產線的良率控制在規定的水平之上。 前道量檢測包含膜厚量測設備、OCD關鍵尺寸量測、CD-SEM關鍵尺寸量測、光刻校準量測、圖形缺陷檢測設備等多種前道量檢測設備。由于晶圓制造工藝環節復雜，所需要的檢測設備種類較多，因此也是所有半導體檢測賽道中壁壘最高的環節，單機設備的價格比后道測試設備還高，且不同功能設備價格差異也較大。前道量檢測設備供應商目前有美國的科磊、應用材料；日本的日立；國內的精測電子、中科飛測、上海睿勵等。下游客戶為集成電路制造商，包含臺積電、中芯國際、長江存儲等。 2.1. 三種分類標準：檢測目的、應用范疇、技術原理 按照不同的分類方法，集成電路可以被分成不同的類型。 1）按照檢測目的可以分為量測（Metrology）和缺陷檢測（Defect Inspection） 2) 按照應用范疇主要可以分為關鍵尺寸測量（Optical Critical Dimension OCD）、薄膜的厚度測量(Film Metrology)、套刻對準測量(Overlay Metrology)、光罩/掩膜檢測(Reticle Inspection)、無圖形晶圓檢測（Non-patterned Wafer Inspection）、圖形化晶圓檢測(Patterned Wafer Inspection）、缺陷復查(Review SEM) 3） 按技術原理可以分為光學檢測設備（Optical Inspection Equipment），電子束檢測設備（E-beam Inspection Equipment）和其他檢測設備 2.2. 檢測目的分類：量測和檢測，價值量隨工藝技術同步提升 量測（Metrology）和檢測（Inspection）： 前道量檢測根據檢測目的可以細分為量測（Metrology）和檢測（Inspection）。量測主要是對薄膜厚度、關鍵尺寸、套準精度等制成尺寸和膜應力、摻雜濃度等材料性質進行測量，以確保其符合參數設計要求；而缺陷檢測主要用于識別并定位產品表面存在的雜質顆粒沾污、機械劃傷、晶圓圖案缺陷等問題。 量測和缺陷檢測對于半導體制造過程非常重要。半導體晶圓的整體制造過程有400至600個步驟，需要一到兩個月內完成。如果流程早期出現任何缺陷，則后續耗時步驟中執行的所有工作都將被浪費。因此，在半導體制造過程的物理量測和缺陷檢測是其中的關鍵步驟，用于確保良率和產量。新應用需求驅動了制程微縮和三維結構的升級，使得工藝步驟大幅提升，成熟制程（以45nm為例）工藝步驟數大約需要430道到了先進制程（以5nm為例）將會提升至1250道，工藝步驟將近提升了3倍；結構上來看包括GAAFET、MRAM等新一代的半導體工藝都是越來越復雜；雖然相較于制造設備，量測設備的技術門檻較低，但是在數千道制程中，每一道制程的檢測皆不能有差錯，否則會顯著影響芯片的成敗。 量測（Metrology）： 量測（Metrology）不僅指測量行為本身，而且指通過考慮誤差和準確性而進行的測量，以及測量設備的性能和機制。如果測量結果不在給定的規格范圍內，則制造設備無法按設計繼續運行。 檢測（Inspection）查找缺陷的位置坐標： 檢測可以檢測缺陷并指定其位置涉。主要用于使用檢查設備來檢查是否出現異質量情況，如檢測晶圓中存在灰塵或者顆粒污染等缺陷的過程。具體來說，它旨在查找缺陷的位置坐標（X，Y）。
2.3. 應用范疇分類：關鍵尺寸、膜厚、套刻對準，光罩/掩膜、圖形、缺陷復查等
按照應用范疇分類，量檢測可以主要分為七大類：關鍵尺寸量測、薄膜厚度量測、套刻對準量測、光罩/掩膜檢測、無圖形晶圓檢測、圖形化晶圓檢測、缺陷復查檢測等。 2.3.1. 關鍵尺寸量測：監控線寬和孔徑，實現精確誤差測量 量測按應用可以主要分為關鍵尺寸量測，薄膜的厚度量測及套刻對準量測 1）關鍵尺寸量測（OCD-Optical Critical Dimension Metrology）： 關鍵尺寸量測-半導體制程中最小線寬一般稱之為關鍵尺寸，其變化是半導體制造工藝中的關鍵。隨著關鍵尺寸越來越小，容錯率也越小，因此必須要盡可能的量測所有產品的線寬，可見關鍵尺寸的量測重要性越發關鍵。 案例：在半導體晶圓的指定位置測量電路圖案的線寬和孔徑
2.3.2. 薄膜厚度量測：厚度、反射率、密度量測，鑒定和監控不同薄膜層
薄膜厚度量測（Film Metrology）： 在整個制造工藝中硅片表面有多種不同類型的薄膜，包含金屬、絕緣體、多晶硅、氮化硅等材質。晶圓廠為生產可靠性較高的芯片時薄膜的質量成為提高成品率的關鍵，其中薄膜的厚度、反射率、密度等都須要進行精準的量測。 案例：測量半導體晶圓表面薄膜的厚度
2.3.3. 套刻對準量測：高階矯正光刻機、掩模和硅片位置誤差，提高覆蓋精度
套刻對準測量(Overlay Metrology)： 套刻對準測量應用在光刻工藝后，主要是用于量測光刻機、掩模版和硅片的對準能力。量測系統檢查覆蓋物的準確性（疊加工具）測量用于檢查傳輸到晶圓上的第一層和第二層圖案的射覆蓋精度。
關鍵尺寸測量，薄膜的厚度測量及套刻對準測量設備案例：
2.3.4. 光罩/掩模檢測：捕獲光罩缺陷和圖案位置錯誤，降低缺陷引發風險
光罩/掩模檢測（Reticle Inspection）: 可以說，光罩/掩膜檢測遠比其他應用，例如無圖案或圖案晶圓檢測重要。這是因為，雖然裸晶圓或圖案晶圓上的單個缺陷有可能損壞一個器件，但掩模版上的單個缺陷可能會摧毀上千個器件。 在半導體器件生產中，零缺陷光罩（也稱為光掩?；蜓谀＃┦菍崿F芯片制造高良率的關鍵因素之一，因為光罩上的缺陷或圖案位置錯誤會被復制到產品晶圓上面的許多芯片中。光罩的制造采用光罩基板，即鍍了吸收薄膜的石英基板。優秀的光罩檢測、量測和數據分析系統產品能夠協助光罩基板、光罩和IC制造商識別光罩缺陷和圖案位置錯誤，以降低良率風險。 通常，掩模在使用過程中很容易吸附粉塵顆粒，而較大粉塵顆粒很可能會直接影響掩模圖案的轉印質量，如果不進行處理會進一步引起良率下降。因此，在利用掩模曝光后，通常會利用集成掩模探測系統對掩模版進行檢測，如果發現掩模版上存在超出規格的粉塵顆粒，則處于光刻制程中的晶圓將會全部被返工。掩模檢測系統工作原理可見下圖：
Fab中對掩模缺陷的檢測分為在線和離線兩種。在線檢測是指每次曝光之前和之后對掩模板表面檢測。這通常是依靠光刻機中內置的檢測單元來完成的。最常見的是集成在ASML系列光刻機上的掩模檢測系統。IRISTM對即將被使用的掩?；騽偸褂猛戤吅蟮难谀５恼磧擅娣謩e掃描，發現吸附在掩模上的顆粒，并報警。光刻工程師看到報警信號后做相應處理。圖16是IRISTM工作的原理圖。在做顆粒掃描時，掩模沿Y方向運動由機械手控制，X方向的掃描由激光束的移動來實現。完成一次IRISTM掃描的時間大約等價于2到3個晶圓曝光的時間。通常對一批晶圓可以只做一次IRISTM掃描，這樣可以減少占用生產的時間，提高光刻機的產能。
離線檢測是指定期地把掩模從系統中調出來做缺陷檢測。檢測的時間間隔可以在掩模版管理系統中設定，也可以按使用的次數來決定是否做檢測。半導體設備供應商提供專用設備來做這種檢測。離線檢測的優點是分辨率高，有些檢測設備還能對檢測出來的缺陷做簡單處理。
光罩/掩模檢測設備案例： 1）光罩/掩陷檢測系統：
2）光罩/掩模檢測系統：
EUV光罩/掩模檢測：波長更短，檢測靈敏度更高
傳統的檢查EUV光掩膜的方法主要是將深紫外光（DUV）應用于光源中，而極紫外（EUV）的波長較DUV更短，產品缺陷檢測靈敏度更高。 EUV掩模版的檢測原理為：電磁波輻射到細小缺陷顆粒上被散射形成暗場，這樣可以實現缺陷的檢測，系統采用364nm的工作波長，對于基地大小為88nm的缺陷，檢測可行度為97%。
EUV光罩/掩膜檢測市場，Lasertec高度壟斷
除了僅由ASML提供的EUV（極紫外光）光刻系統之外，三星電子和臺積電之間在爭奪超微加工工藝所需設備的安全方面的競爭也越來越激烈。APMI（光化圖案掩膜檢查）系統和制造掩膜的寫入器就是最好的例子。這個設備是芯片制造的關鍵工具，當芯片制程小于5納米時，它們將決定生產率和質量。
EUV掩模的高科技檢查系統能夠檢查基于復雜結構的EUV掩模，比目前使用ArF光源的檢查系統更精確，更緊密。這個新的檢查系統在將掩模引入生產線之前和之后進行檢查。業界將此系統稱為APMI系統。
EUV光罩（半導體線路的光掩模版、掩膜版）檢驗設備最近幾年需求增長尤其旺盛，在這個領域，日本的Lasertec Corp.是全球唯一的測試機制造商，Lasertec公司持有全球市場100%的份額。2017年，Lasertec解決了EUV難題的關鍵部分，當時該公司創建了一款可以檢查空白EUV掩模內部缺陷的機器。2019年9月，它又推出了可以對已經印有芯片設計的模板進行相同處理的設備，從而又創建了另一個里程碑。
傳統的檢查EUV光掩膜的方法主要是將深紫外光（DUV）應用于光源中，而EUV的波長較DUV更短，產品缺陷檢測靈敏度更高。DUV光雖然也可以應用于當下最先進的工藝5納米中，但是Lasertec公司的經營企劃室室長三澤祐太朗指出，“隨著微縮化的發展，在步入2納米制程時，DUV的感光度可能會不夠充分”即，采用EUV光源的檢測設備的需求有望進一步增長。
根據彭博社的報道，Lasertec股價自2019年初到2020年下旬，已增長了550%。在其公布的2020年7月-9月三個月的財報顯示，這三個月Lasertec的銷售額達到了131.65億日元，而2019年同期的銷售額則僅為55.42億日元，增長了超過兩倍。隨著之后5nm制程的不斷推進，Lasertec未來的盈利增長空間廣闊。
2.3.5. 無圖形晶圓檢測：檢出裸晶圓顆粒及缺陷，奠定圖形化檢測基礎 無圖形晶圓檢測（Non-patterned Wafer Inspection）： 圖形化定義：圖形化使用光刻法和光學掩膜工藝來刻印圖形，在器件制造工藝的特定工序，引導完成晶圓表面的材料沉積或清除。對于器件的每一層，在掩膜未覆蓋的區域沉積或清除材料，然后使用新的掩膜來處理下一層。按照這種方式來重復處理晶圓，由此生成多層電路。 無圖形化檢測指在開始生產之前，裸晶圓在晶圓制造商處獲得認證，半導體晶圓廠收到后再次認證的檢測的檢測過程。 無圖形晶圓檢測系統用于晶圓制造商中的晶圓運輸檢驗、晶圓進貨檢驗以及使用虛擬裸晶圓監控設備清潔度的設備狀況檢查。設備狀況檢查也由設備制造商在裝運檢查時和進貨檢查時執行。設備制造商使用光學檢測系統檢查晶圓和掩模板有無顆粒和其他類型的缺陷，并確定這些缺陷在晶圓上的 X-Y 網格中的位置。
基本原理：
用于無圖形晶圓缺陷檢測的基本原理相對簡單。激光束在旋轉的晶圓表面進行徑向掃描，以確保光束投射到所有晶圓表面。激光從晶圓表面反射，就像從鏡子反射一樣，如上圖所示。這種類型的反射稱為鏡面反射。當激光束在晶圓表面遇到粒子或其他缺陷時，缺陷會散射激光的一部分。可直接檢測散射光（暗場照明）或反射光束（亮場照明）中強度的損失。
由于沒有圖案，因此無需圖像比較即可直接檢測缺陷。當激光束投射到旋轉晶圓的粒子/缺陷上時，光線將被探測器散射和探測。因此，檢測到粒子/缺陷。從晶圓旋轉角度和激光束的半徑位置，計算和記錄了粒子/缺陷的位置坐標。鏡面晶圓上的缺陷還包括晶體缺陷，如COP以及顆粒。
晶圓的旋轉位置和光束的徑向位置決定了缺陷在晶圓表面的位置。在晶圓檢測工具中，使用 PMT 或 CCD方式記錄光強度，并生成晶圓表面的散射或反射強度圖。此圖提供有關缺陷大小和位置的信息，以及由于顆粒污染等問題而導致的晶圓表面狀況的信息。
無圖形晶圓檢測設備案例：
2.3.6. 圖形化晶圓檢測：比較圖像生成缺陷圖，識別物理和高縱橫比缺陷
圖形化晶圓檢測(Patterned Wafer Inspection）： 應用材料公司表明，隨著圖形化和幾何結構線寬的縮小，在早期技術節點不構成問題的瑕疵，現在已成為“致命”的缺陷，或影響成品率的主要因素。 圖形化晶圓的光學檢測可采用明場照明、暗場照明，或兩者的組合進行缺陷檢測。此外，電子束 （EB） 成像也用于缺陷檢測，尤其是在光學成像效果較低的較小幾何形狀中。然而，它非常緩慢，只在研發階段使用。模紋晶圓檢測系統將晶圓上的測試芯片圖像與相鄰芯片（或已知無缺陷的"金"模片）的圖像進行比較。缺陷的位置會生成缺陷圖，類似于為無圖案晶圓生成的圖。與無圖案晶圓的檢查一樣，圖形化晶圓檢測需要精確且可重復的運動控制，測試系統的晶圓級和光學元件同時移動。
圖形化晶圓檢測設備案例：
2.3.7. 缺陷復查檢測：放大缺陷圖像進行甄別，提供依據優化制程工藝
缺陷復查檢測 (Review SEM)： 隨著半導體集成電路工藝節點的推進，作為晶圓廠制程控制主力設備的光學缺陷檢測設備的解析度已無法滿足大規模生產和先進制程開發需求，必須依靠更高分辨率的電子束復檢設備的進一步復查才能對缺陷進行清晰地圖像成像和類型的甄別，從而為半導體制程工藝工程師優化制程工藝提供依據。 缺陷復查是一種使用掃描電子顯微鏡 （SEM）檢查晶圓上的缺陷。使用缺陷復查將半導體晶圓缺陷檢測系統檢測到的缺陷放大為高放大倍率圖像，以便對該圖像進行檢閱和分類。缺陷復查設備主要與電子設備和其他半導體生產線的檢測系統一起使用。
在缺陷檢測系統中，將缺陷圖像與相鄰的模子圖像（參考圖像）進行比較，由于圖像差異（差值圖像處理）而檢測缺陷。與缺陷檢測系統類似的缺陷復查設備通過與相鄰模具的電路模式進行比較來檢測缺陷，并獲得缺陷的正確位置。然后將缺陷移動到視場的中心，并拍攝放大的照片。
缺陷復查設備通常工作流程：
1.使用檢測系統檢測出晶圓缺陷。檢測系統列出缺陷的位置坐標，并輸出到文件中。
2.檢查出晶圓和檢驗結果的文件加載到缺陷復查設備中。
3.拍攝列表中缺陷的圖像：
根據缺陷列表中的位置信息確定缺陷位置。缺陷的圖像由缺陷復查設備決定是否復查缺陷。
有時，使用缺陷數據文件中的位置信息無法發現晶圓上的缺陷。由于各種錯誤，僅使用位置信息不容易發現缺陷。
2.4. 技術原理分類：光學、電子束檢測，應用互補，多方位檢測 光學暗場檢測系統。一般來說，光學明場檢測系統用于詳細檢查模式缺陷。光學暗場檢測系統可以高速檢測，用于大量晶圓的缺陷檢測。激光從晶圓表面反射，就像從鏡子反射一樣。當激光束在晶圓表面遇到粒子或其他缺陷時，缺陷會散射激光的一部分。暗場直接檢測散射光，明場照明反射光束中強度的損失。電子束檢測可提供材料對比度，其動態分辨率范圍比光學檢測系統大得多。 光學檢測、電子束檢測兩者在制程工藝的檢測中應用互補。光學的特點在于快速與完整，通?？梢匀旌蜻M行檢測，在需要實時檢測以及離工藝機臺較近甚至直接與工藝機臺集成的應用場景下就會使用光學檢測，通過光的反射、衍射光譜進行測量，具備檢測速度快、成本低、范圍廣的優點；但是傳統光學的波長是奈米等級，無法做非常精細的檢測，所以會再使用電子束做更精細的檢測。電子束波長是皮米等級，可以高分辨率的采集圖像進行分類與分析。對于工藝的將測必須要精確評估，如果未檢測到制程偏移和潛在良率問題，會使得生產的產品無法使用，因此需要多項檢測設備進行多方位的檢測。
應用情況：
無圖形晶圓檢測：通常，暗場檢測是無圖形晶圓檢測的首選，因為可以達到高柵格速度，可實現高晶圓吞吐量。圖形化晶圓檢測是一個慢得多的過程。它使用明場和/或暗場成像，具體取決于應用。
電子束 （EB） 成像也用于缺陷檢測，尤其是在光學成像效果較低的較小幾何形狀中。電子束檢測可提供材料對比度，其動態分辨率范圍比光學檢測系統大得多。然而，電子束應用受測量速度緩慢限制，因此主要在研發環境和工藝開發中對新技術進行鑒定。新的電子束工具可用于 10 nm 及更低節點的缺陷檢測應用，并且正在開發具有最多 100 列或測量通道的多電子束工具。在電子束檢測系統中，電子束被照射到晶圓表面，并檢測出發射的二次電子和背散射電子。此外，電子束檢測系統根據器件內部布線的電導率，將二次電子的量作為圖像對比度（電壓對比度）進行檢測。如果檢測到高縱橫比接觸孔底部的電導率，可以檢測到超薄厚度的 SiO2 殘留物。
光學（明場，暗場），電子束檢測都有其自身的功能，不過基本檢測原理是相似的：
基本原理：隨機缺陷通常由顆粒（如灰塵）引起，并且發生在隨機位置，正如名稱所暗示的那樣，隨機缺陷在特定位置反復發生的可能性極低。因此，晶圓檢測系統可以通過比較相鄰芯片（也稱為DIE）的圖案圖像獲取差異來檢測缺陷。
如下圖：晶片上的圖案被電子束或光沿管芯陣列捕獲。通過比較下圖中的圖像（1）圖像（2）來檢測缺陷。如果沒有缺陷，則通過數字處理從圖像（1）中減去圖像（2）的得到為零的結果。相反，如果裸片圖像（2）的中存在缺陷，則該缺陷將保留（如圖像（3）），這個缺陷會被記錄其位置坐標。
光學及電子束檢測設備案例：
電子束檢測設備
光學暗場檢測設備：
2.5. 全球市場及主要廠商：國外高度壟斷，膜厚量測打開細分賽道突破口
全球前道量檢測設備市場，分類占比： 2020年前道量檢測設備全球市場規模約69億美元。細項設備拆分來看，排在前列的設備為圖形化檢測占32%、掩模版量測占15%、膜厚檢測占12%、關鍵尺寸量測占10%。
細分賽道市場可見下圖，其中，膜厚量測技術門檻相對較低，集中度相對分散，KLA占比35%、Nanometrics占比23%、Nova占比16%，為國內廠商進入檢測設備的首先突破口。
全球前道量檢測設備主要廠商：
在量檢測市場中，KLA占比超過70%，第二名Hitachi High Tech占比14%左右，Onto緊隨其后。(注：Nano和 Rudolph 2019宣布合并)
前道量檢測設備廠商
1）科磊（KLA）
KLA Corporation的前身是KLA-Tencor Corporation，世界知名的半導體（芯片）設備供應商，總部位于美國硅谷。自1976年成立以來，KLA致力于“制程控制”技術的研發與創新，該專業領域可分為檢測、量測、數據分析三大基礎部分，三部分相互配合，為芯片制造工業提供全方位的在線檢測、量測、數據源分析，將實時信息反饋給每一道關鍵制程，幫助做到制程的及時優化與改進。KLA作為制程控制技術的領導者，秉承為全球客戶提供定制化優質服務的理念，承諾按需求及時優化制程控制方案，實現對先進制程技術量產，現有制程高質量、高產能等工業技術的要求。
研發投入：去年KLA在研發方面投入了6億多美元，履行對解決最嚴峻技術挑戰的承諾。從1975年突破性的光罩檢測設備為半導體工藝控制帶來的曙光，到今天的寬帶等離子技術能夠快速發現缺陷，KLA總喜歡保持領先。
最新產品：2020年 12月10日KLA宣布推出兩款全新產品：PWG5? 晶圓幾何系統 與 Surfscan? SP7XP晶圓缺陷檢測系統。新系統專注解決先進的存儲器與邏輯集成電路制造中遇到的極其困難的問題。PWG5 量測系統具備前所未有的分辨率，能測量出晶圓幾何形貌的微小變形，從源頭識別并修正圖案化晶圓的變形。而且，這些關鍵的晶圓幾何形狀測量現在能夠配合在線生產的速度，并在較大的翹曲范圍內完成。新的 Surfscan SP7XP 無圖案晶圓缺陷檢測系統具有靈敏度和生產能力方面的進步，并引入了基于機器學習的缺陷分類方式，可以應對更廣泛的薄膜和基材類型，捕獲和識別更大范圍的缺陷類型。
2）應用材料Applied Materials(AMAT)
應用材料公司是材料工程解決方案的領導者，全球幾乎每一個新生產的芯片和先進顯示器的背后都有應用材料公司的身影。
AMAT檢測設備產品包括：
1） SEMVISION? G7 缺陷分析系統：具備對晶圓斜邊和側邊的獨特成像能力
2） Aera4 掩膜檢測系統是采用 193nm 工作波長的第四代檢測工具，它以獨特的方式，將真實空間成像技術與前沿的高分辨率成像技術相結合。
3） PROVISION? EBEAM INSPECTION電子束檢測系統：業界第一款能夠達到 1nm 分辨率的電子束檢測設備，能夠檢測到以往 EBI（電子束檢查）技術無法識別的缺陷
4） VERITYSEM? 5I 測量系統：具備獨一無二的內嵌三維功能，可對 1x 納米及以下節點的邏輯和存儲器件進行量產規模的測量以及諸如柵極和鰭高度的FinFET測量的超越傳統測量方法
3） 日立HITACHI
日立作為社會創新事業的全球領軍者，開展的業務涉及電力、能源、產業、流通、水、城市建設、公共、醫療健康等領域，通過與客戶的協創提供優質解決方案?，F在，日立正憑借創業之初即擁有的運用控制技術優勢，以及長達半世紀之久的IT技術，并融合大數據分析、AI等數字技術，在全球加速開展社會創新事業，致力解決各種社會課題，成為"IoT時代的創新合作伙伴"，努力實現在全球市場的進一步發展。
主要檢測設備：
1）半導體蝕刻系統9000系列：統一接口并且能夠搭載高精度模塊化的各種腔室，從而實現了對應最尖端器件的擴展性和柔軟性的工藝
2）高解析度FEB測量裝置CG6300（HITACHI CD-SEM）：通過電子光學系統的全新設計提高了解析度，并進一步提高了測量可重復性和圖像畫質
3）高速缺陷觀測設備CR6300(Defect Review SEM)：運用ADR和高精度ADC來為提高良率做貢獻的Inline缺陷觀測SEM
4）耐諾公司Onto Innovation (ONTO)
Onto Innovation由Nanometrics和Rudolph Technologies合并而成，通過整合兩家半導體行業專供不同領域的領導者，新公司的半導體產品供應鏈尤其是檢測系統的覆蓋面更廣。Onto Innovation是美國第四大晶圓生產設備供應商，也是全球前十五大公司之一。是為數不多的端到端供應商之一，產品和應用范圍覆蓋半導體產業鏈，從無圖案化晶圓質量、前道工藝量測和宏觀缺陷檢測，再到先進封裝光刻和后段檢測，以及企業級軟件解決方案。
5） ASM PACIFIC（ASMPT）
ASMPT于1975年在香港成立，集團是全球首個為半導體封裝及電子產品生產的所有工藝步驟提供技術和解決方案的設備制造商，包括從半導體封裝材料和后段（芯片集成、焊接、封裝）到SMT 工藝。全球并無其他設備供應商擁有類似的全面產品組合及對裝嵌及SMT程序的廣泛知識及經驗。
半導體解決方案分部生產及提供半導體裝嵌及封裝設備，應用于微電子，半導體，光電子，及光電市場。其提供多元化產品如固晶系統，焊線系統，滴膠系統，切筋及成型系統及全方位生產線設備。SMT 解決方案業務負責為 SMT、半導體和太陽能市場開發和分銷一流的 DEK 印刷機，以及一流的 SIPLACE SMT 貼裝解決方案。ASMPT總部位于新加坡，自1989年起在香港聯交所上市。
ASMPT前道量檢測設備應用于MEMS圖像傳感器封測流程中，下圖為ASMPT圖像傳感器的封測應用流程，其中包括了光學檢測設備：
ASMPT光學檢測具體設備包括：
1）CM-Inspector全自動化光學檢視機 （CMOS 裝嵌）
2）TwinSpector全自動光學檢測設備
2.6. 中國主要廠商：緊握細分市場機遇，產品陸續中標，拉動增長曲線
膜厚量測技術門檻相對較低，集中度相對分散，為中國公司打開細分賽道突破口。主要中國廠商見下： 1）上海精測（精測電子300567.SZ為母公司） 2020年1 月上海精測中標長江存儲3臺膜厚量測設備 上海精測成立于2018年，核心技術團隊來自國內外豐富產業經歷人才，通過自主研發及吸收引進先進技術，實現半導體測試設備的技術突破及產業化，快速做大做強。公司聚焦半導體前道檢測設備領域，以橢圓偏振技術為核心開發了適用于半導體工業級應用的膜厚量測以及光學關鍵尺寸量測系統，在產品推向市場后，先后于2020年1月中標長江存儲3臺集成式膜厚光學關鍵尺寸量測儀，并于2020年8月再次中標3臺，其他客戶的拓展工作也已取得了較好的成績，電子顯微鏡等相關設備的研發符合預期，預計近期將完成首臺套的交付，產品受到國內重點客戶認可。 公司成功開發高性能集成電路制造前道量檢測進口替代設備，未來公司會持續增加研發，投入光學檢測設備研發，包含納米薄膜橢偏測量、光學關鍵尺寸（OCD）測量、硅片應力測量等設備；以及電子光學檢測設備研發，包含CD-SEM掃描電子顯微鏡關鍵尺寸測量、Review-SEM全自動晶圓缺陷復查、FIB-SEM雙束等的行輩。公司將會持續打破集成電路高端檢測設備被國外廠家壟斷的局面，填補國內空白，實現進口替代，為之后研發暗場顆粒檢測、精密套刻測量、多束電鏡、透射電鏡等前沿技術和設備提供堅實基礎。
先進檢測設備：國內首臺擁有完全自主知識產權的半導體前道檢測設備
不僅是2021年1月中標的量測設備，上海精測在缺陷檢測設備中也有突破。2020年12月上海精測半導體推出eView全自動晶圓缺陷復查設備并正式交付，該設備是基于掃描電子顯微鏡技術的復查和分類的設備，應用于集成電路制造過程，可對光學缺陷檢測設備的結果進行高分辨率復查、分析和分類，滿足10x nm集成電路工藝制程的需求。
2）中科飛測
深圳中科飛測科技有限公司（以下稱“公司”）是以海外留學歸國的研發和管理團隊為核心、與中科院微電子研究所深入合作、自主研發和生產工業智能檢測裝備的高科技創新企業，檢測技術在行業處于國際前沿地位，檢測設備在市場實現設備的國產化。2016年公司被認定為深圳市高新技術企業，并成為中國集成電路測試儀器與裝備產業技術創新聯盟理事單位。
目前，深圳中科飛測科技有限公司是國內唯一一家自主研發集成電路和先進封裝檢測設備和光學三維尺度量測模塊及整體設備的企業。公司以市場、研發和服務為戰略核心，以對智能制造細分市場需求的深度了解和卓越的自主研發創新技術為核心競爭力，是引領行業的先進封裝檢測設備和光學量測設備的供應商。
公司產品擁有完整的自主知識產權，具代表的產品和服務有：三維形貌量測系統CYPRESS系列，表面缺陷檢測系統SPRUCE系列，三維坐標尺度量測系統PINE系列，智能視覺檢測系統BIRCH系列。公司產品已經獲得國內多家集成電路和先進封裝廠商的產品驗收及批量訂單，填補了國內集成電路和先進封裝檢測設備和精密制造檢測設備在市場的空白，實現設備國產化。
中科飛測擬首次公開發行股票并在境內證券交易所上市，現已接受國泰君安證券股份有限公司的輔導，并于2021年1月19日在深圳證監局進行了輔導備案。隨著此次中科飛測沖刺A股IPO，業內人士表示，在強大資本注入以及國產化需求下，這家本土IC設備廠將跨上更高一臺階。
同時，華為旗下公司哈勃科技投資有限公司2020年入股深圳中科飛測科技有限公司。2020年5月，中科飛測首批設備進場，橢偏膜厚量測儀正式搬入廈門士蘭集科。
3）上海睿勵（中微公司688012.SH持股20%+）
睿勵科學儀器（上海）有限公司是于2005年創建的合資公司，致力于研發、生產和銷售具有自主知識產權的集成電路生產制造工藝裝備產業中的工藝檢測設備。
公司的產品填補國家重大產業鏈中的重要空白，自列入了2005年上海市科教興市重大產業科技攻關項目起，得到了政府和業界的大力支持和高度關注。
公司將通過不斷吸收和培養人才，建立和發展業界一流的具有自主創新能力的企業和團隊，達到并持續保持在國際及國內相應產業和市場的領先地位。
上海睿勵是國內技術領先的集成電路工藝檢測設備供應商，其目前擁有的主要產品包括光學檢測設備、硅片厚度及翹曲測量設備及子公司宏觀缺陷檢測設備等。上海睿勵自主研發的12英寸光學測量設備TFX3000系列產品，已應用在28納米芯片生產線并在進行14納米工藝驗證，在3D存儲芯片上達到64層的檢測能力。產品目前已 成功進入世界領先芯片客戶3D閃存芯片生產線，并取得7臺次重復訂單，是截至2019年進入該國際領先芯片生產企業唯一的國產集成電路設備產品。
4)Optima（賽騰股份SSE: 603283為母公司）：
Optima Incorporated Co.，Ltd.
成立時間2015年2月3日，業務為開發，制造和銷售半導體晶圓檢查設備和測量設備
Optima設備一覽：
賽騰收購日本Optima，加碼半導體檢測設備領域
2019年賽騰股份公告，公司擬以現金方式購買Kemet Japan株式會社持有的日本Optima株式會社20,258股股份，占標的公司股權比例為67.53%，股權收購價款270,105.99萬日元（約合人民幣16,395萬元）。并對Optima株式會社進行增資,增資金額120,000萬日元（約合人民幣7,284萬元）,總計投資金額390,105.99萬日元（折合人民幣約23,679萬元）。
3. 后道測試設備：電性測試，新產線持續投入帶動市場高速增長 半導體后道測試設備主要是用在晶圓加工之后、封裝測試環節內，目的是檢查芯片的性能是否符合要求，屬于電性能的檢測。如下圖可見晶圓檢測和成品測試為晶圓制造和封裝測試的最終步驟：
晶圓檢測環節：晶圓檢測是指在晶圓完成后進行封裝前，通過探針臺和測試機的配合使用，對晶圓上的裸芯片進行功能和電參數測試。探針臺將晶圓逐片自動傳送至測試位置，芯片的 Pad 點通過探針、專用連接線與測試機的功能模塊進行連接，測試機對芯片施加輸入信號并采集輸出信號，判斷芯片功能和性能在不同工作條件下是否達到設計規范要求。測試結果通過通信接口傳送給探針臺，探針臺據此對芯片進行打點標記，形成晶圓的 Map 圖。該環節的目的是確保在芯片封裝前，盡可能地把無效芯片篩選出來以節約封裝費用。
成品測試環節：成品測試是指芯片完成封裝后，通過分選機和測試機的配合使用，對封裝完成后的芯片進行功能和電參數測試。分選機將被測芯片逐個自動傳送至測試工位，被測芯片的引腳通過測試工位上的基座、專用連接線與測試機的功能模塊進行連接，測試機對芯片施加輸入信號并采集輸出信號，判斷芯片功能和性能在不同工作條件下是否達到設計規范要求。測試結果通過通信接口傳送給分選機，分選機據此對被測芯片進行標記、分選、收料或編帶。該環節的目的是保證出廠的每顆集成電路的功能和性能指標能夠達到設計規范要求。
隨著 2018-2020 年中國大陸多家晶圓廠陸續投建及量產，國內封測廠陸續投入新產線以實現產能的配套擴張，將持續帶動國內半導體測試設備市場高速增長。
3.1. 分類：測試機、探針臺、分選機，保障性能助力良率提升 主要測試設備簡介：測試機（ATE）、探針臺(Prober)、分選機（Handler） 半導體測試處于晶圓制造、封裝測試這兩個工序里，核心設備涵蓋了測試機、分選機、探針臺3種，都是通過計算機控制進行測試檢驗的自動化設備。其中，測試機負責檢測性能，后兩者主要檢測連接性；探針臺與測試機配合于晶圓制造工序，分選機與測試機配合在封裝測試工序。 3.2. 全球市場：測試機市場份額過半 測試機（ATE）是檢測芯片功能和性能的專用設備，分選機和探針臺是將芯片的引腳與測試機的功能模塊連接起來的專用設備，與測試機共同實現批量自動化測試。 2020年后道測試設備市場規模約62億美元。根據Gartner數據，2016年至2018年全球半導體后道測試設備市場規模為37億、47億、56億美元，年復合增長率為23%，2019年根據SEMI發布全球半導體設備中后道設備占9%計算，主要受到全球半導體設備景氣的影響下降至54億美元。后道量測設備中測試機在CP、FT兩個環節皆有應用，因此占比最大達到63.1%，其他設備分選機占17.4%、探針臺占15.2%。測試機占比大的原因：在設計驗證和成品測試環節，測試機需要和分選機配合使用；在晶圓檢測環節，測試機需要和探針臺配合使用。
3.3. 測試機：測試器件電路功能及電性能參數，保駕護航貫穿始終
測試機（ATE）： 半導體測試機又稱半導體自動化測試機，與半導體自動化測試系統同義。兩者由于翻譯的原因，以往將 Tester 翻譯為測試機，諸多行業報告沿用這個說法，但現在越來越多的企業將該等產品稱之為 ATE system，測試系統的說法開始流行，整體上無論是被稱為 Tester 還是 ATE system，皆為軟硬件一體。半導體測試機測試半導體器件的電路功能、電性能參數，具體涵蓋直流參數（電壓、電流）、交流參數（時間、占空比、總諧波失真、頻率等）、功能測試等。集成電路測試貫穿了集成電路設計、生產過程的核心環節，具體如下： 第一、集成電路的設計流程需要芯片驗證，即對晶圓樣品和集成電路封裝樣品進行有效性驗證； 第二、生產流程包括晶圓制造和封裝測試，在這兩個環節中可能由于設計不完善、制造工藝偏差、晶圓質量、環境污染等因素，造成集成電路功能失效、性能降低等缺陷，因此，分別需要完成晶圓檢測（CP, Circuit Probing）和成品測試（FT, Final Test），通過分析測試數據，能夠確定具體失效原因，并改進設計及生產、封測工藝，以提高良率及產品質量。無論哪個環節，要測試芯片的各項功能指標均須完成兩個步驟：一是將芯片的引腳與測試機的功能模塊連接起來，二是通過測試機對芯片施加輸入信號，并檢測輸出信號，判斷芯片功能和性能是否達到設計要求。 3.3.1. 全球市場及主要廠商：愛德萬、泰瑞達寡頭壟斷，進口替代需求迫切
后道測試設備三大寡頭壟斷，日本Advantest、美國Teradyne和Cohu合計占比超 90%。其中，Advantest在應用占比最大的SOC領域具備較大的優勢；Teradyne則是在應用占比第二大的存儲領域具備優勢。目前模擬、功率領域國產化替代初顯，但在SOC與存儲這兩個領域是技術難度最高，也是國內后道測試設備廠商急需突破的領域。
1）泰瑞達（Teradyne）
泰瑞達目前是全球最大的半導體測試設備公司，總部位于美國馬薩諸塞州，于 1960 年成立，目前員工人數超過 4,900 人。泰瑞達已經在行業內深耕半個多世紀，主要產品包含半導體測試系統、國家部委/航空存儲測試系統、無線測試系統以及協作機器人業務，其中半導體測試系統涵蓋邏輯、射頻、模擬、電源管理、混合信號和存儲設備等多個方向。作為半導體測試設備的龍頭企業，自上世紀 80 年代起，泰瑞達先后收購了Zehnetel、Magatest 等多家公司，快速地擴展了自己的半導體測試設備業務，成為 SoC 類測試、數字\模擬信號類和電路板測試設備等細分領域的市場領導者。
2008 年，泰瑞達收購了服務于閃存測試市場的 Nextest 和模擬測試市場的領跑者Eagle Test System （ETS）。至此，泰瑞達成為能夠提供模擬、混合信號、存儲器及超大規模集成電路測試設備的廠商，下游客戶遍布整個半導體產業鏈。2018 年度，泰瑞達營業收入為 21.01 億美元（約合人民幣 144.18 億元），凈利潤為 4.52 億美元（約合人民幣 31.01 億元）。
2）愛德萬（Advantest）
愛德萬是存儲器測試龍頭企業，總部位于日本東京，于 1946 年創立，1972年進入半導體測試系統行業，目前員工人數超過 4,500 人。業務涵蓋 SoC 測試系統、存儲器測試系統、分選機等領域以及其他新興業務與服務領域。
20 世紀 70 年代初，愛德萬應日本機械振興協會的要求，研發日本第一臺10MHz IC 測試系統，正式進軍半導體測試設備領域。80 年代，憑借對全球半導體產業需求變化敏銳的嗅覺，愛德萬于 1976 年推出了全球首臺 DRAM 測試機T310/31，并在存儲器測試機領域長期占據優勢地位。2011 年，愛德萬成功收購 惠瑞杰（Verigy）開始進軍 SoC 測試市場。在 SoC 測試設備市場，其市場占有 率僅次于泰瑞達，位居全球第二。六十多年來，愛德萬測試已成為全球最大的集 成電路自動測試設備供應商之一。2019 財年（截至 2019 年 3 月 31 日），愛德萬營業收入為 2,824.56 億日元（約 合人民幣 171.08 億元），凈利潤為 569.93 億日元（約合人民幣 34.52 億元）。
3）科休半導體（Cohu）
科休半導體是全球測試分選機、半導體測試系統領先企業，總部位于美國特拉華州，于 1947 年成立，目前員工人數超過 3,500 人，主要業務包括半導體分選機、裸板 PCB 測試系統及接口產品、備件和套件等輔助設備。2018 年 10 月，科休半導體收購了國際知名的半導體測試設備廠商 Xcerra，成功進入半導體測試系統領域。
4) ASM PACIFIC (ASMPT)
ASMPT于1975年在香港成立，集團是全球首個為半導體封裝及電子產品生產的所有工藝步驟提供技術和解決方案的設備制造商，包括從半導體封裝材料和后段（芯片集成、焊接、封裝）到SMT 工藝。全球并無其他設備供應商擁有類似的全面產品組合及對裝嵌及SMT程序的廣泛知識及經驗。
半導體解決方案分部生產及提供半導體裝嵌及封裝設備，應用于微電子，半導體，光電子，及光電市場。其提供多元化產品如固晶系統，焊線系統，滴膠系統，切筋及成型系統及全方位生產線設備。SMT 解決方案業務負責為 SMT、半導體和太陽能市場開發和分銷一流的 DEK 印刷機，以及一流的 SIPLACE SMT 貼裝解決方案。ASMPT總部位于新加坡，自1989年起在香港聯交所上市。
在ASMPT LED /光電產品應用解決方案以及先進封裝解決方案中包含了晶圓測試，一站式測試及分類等測試設備。
ASMPT主要測試設備：
全球測試機主要細分領域占比：
細分領域中SOC測試機，泰瑞達占比51%，愛德萬占比35.5%，科休占比4.7%。存儲器測試機愛德萬占比60%，泰瑞達占比25%。
全球半導體測試機市場呈現高集中度的特點，2017 年市場占有率最高的前兩家企業合計市場份額達近九成。在國內市場，以華峰測控為代表的少數國產測試設備廠商已進入國內外封測龍頭企業的供應商體系，正通過不斷的技術創新逐漸實現進口替代。
國內外測試設備制造商在確定其技術路線和產品結構時均有所側重，如泰瑞達（Teradyne）主要產品為測試機，愛德萬（Advantest）主要產品為測試機和分選機，科利登（Xcerra）主要產品為測試機，東京電子（Tokyo Electron）主要產品為探針臺，北京華峰主要產品為測試機，上海中藝主要產品為分選機。
3.3.2. 中國主要廠商：積極布局追趕，夯實國內，開拓海外
我國少數國產測試設備廠商已進入國內外封測龍頭企業的供應商體系，正通過不斷的技術創新逐漸實現進口替代 從測試機的產品結構來看，2018年中國集成電路測試機中存儲器測試機和SoC測試機所占份額位居前兩位，分別為43.8%和23.5%；數字測試機、模擬測試機、分立器件測試機緊隨其后，分別為12.7%、12.0%以及6.8%，RF測試機為0.9%。
由上圖可見存儲器測試機需求量最大
國內測試設備主要公司：
1)武漢精鴻（母公司精測電子300567.SZ）
由上圖可見目前存儲器測試設備主要分為CP Tester、B/I Tester、FT Tester和SLT Tester，其中CP Tester占57.69%。
存儲器測試設備是制約我國存儲器制造業快速發展的“卡脖子”難題。存儲器測試設備的加速升級是亟需解決的重點。武漢精鴻正是在此背景下新成立，專注于存儲器芯片測試設備的廠商。目前武漢精鴻已經在存儲測試設備領域的各個方面展開布局。武漢精鴻在BI測試、CP/FT測試已經基本實現小批量產，短期內可實現規模量產。
武漢精鴻在Burn-in這個領域已經較靠前，相關產品已經實現量產，目前已交付長江存儲，取得了很好的反饋。在其他相關技術所取的成就方面，武漢精鴻目前在并測數方面已經取得一定成果，比如最新開發的CP測試設備，相關指標已經超過對標產品，主要原因是單板設計方面做了很大的改良。在整機散熱方面，通過實驗室的仿真改良，也有機會在該領域有所斬獲。而在信號互連方面，目前也在加大研發，爭取在該領域有所突破。
2)長川科技（300604.SZ） 長川科技成立于 2008 年，總部位于中國杭州市，主要從事集成電路專用設備的研發、生產和銷售，是一家致力于提升我國集成電路專用測試技術水平、積極推動集成電路裝備業升級的國家高新技術企業和軟件企業，在職員工數量合計452 人（截至 2018 年末）。長川科技的主要產品包括測試機、分選機及自動化生產線。 2018 年 5 月，長川科技公告計劃收購新加坡集成電路封裝測試設備制造公司 STI，系長新投資持有的核心資產。截至 2019 年 7 月 31 日，長川科技已經取得長新投資 100%股權，相關工商變更登記手續已經辦理完畢。 主要設備：
3)華峰測控（688200.SH）
北京華峰測控公司主營業務為半導體自動化測試系統的研發、生產和銷售，產品主要用于模擬及混合信號類集成電路的測試，產品銷售區域覆蓋中國大陸、中國臺灣、美國、歐洲、日本、韓國等全球半導體產業發達的國家和地區。自成立以來，公司始終專注于半導體自動化測試系統領域，以其自主研發的產品實現了模擬及混合信號類集成電路自動化測試系統的進口替代。目前，公司已成長為國內最大的半導體測試系統本土供應商，也是為數不多進入國際封測市場供應商體系的中國半導體設備廠商。
華峰測控，長川科技關鍵測試設備技術指標對比，國內公司有望達到國際一流水平，下圖中達到或超過世界一流公司的已打星表示
3.4. 探針臺：負責晶圓輸送與探針定位，提升測試效率
探針臺(Prober)：
3.4.1. 全球市場及主要廠商：東京精密、東京電子寡頭壟斷，中國增速加快
由下圖可見我國探針臺市場規模2019年約為10.25億元，2022年將增長到15.69億元?？梢?020年起國內（黃色線）半導體探針臺市場增速有望大于全球（灰色線）。
半導體探針臺廠商的競爭格局：東京精密，東京電子較高壟斷市場
半導體設備的技術壁壘高。隨著半導體行業的迅速發展，半導體產品的加工面積成倍縮小，復雜程度與日俱增，生產半導體產品所需的制造設備需要綜合運用光學、物理、化學等科學技術，具有技術壁壘高、制造難度大及研發投入高等特點。
國際企業占主導，國內企業在突破。從全球市場看，半導體探針臺設備行業集中度較高，目前主要由國外廠商主導，行業呈現較高壟斷的競爭格局。東京精密(Accretech)、東京電子(Tokyo Electron)兩家公司占據全球約七成的市場份額。其次為中國臺灣企業，如臺灣惠特、臺灣旺矽等也占有較大的市場份額，特別是在LED探針臺領域具有優勢。
3.4.2. 中國主要廠商：抓住市場機遇，技術積累，蓄勢待發
從國內市場看，東京精密(Accretech)市場占比最高；第二梯隊為東京電子(Tokyo Electron)；而臺灣惠特和深圳矽電相差不大，占比在13%-15%。而中國本土企業中，深圳矽電是國內規模最大的探針臺生產企業，進展較快，近三年營業收入保持年均20%以上的增速，并且在大陸市場的基礎上，開始拓展中國臺灣地區市場。 此外，國內長川科技、中國電子科技集團45所、西700廠等廠商值得關注。長川科技的主要產品為測試機和分選機，探針臺處于研發階段，尚未形成收入。中國電子科技集團45所的探針臺在改革開放前曾一度是國內市場的主流機型，市場占有率高達67%，近年來依托原有技術積淀發展較快，探針臺產品包括手動探針測試臺和自動探針測試臺；西700廠主要側重于研制4探針模式的手動探針臺。
探針臺市場趨勢：長期看好
長期來看，國內的半導體整體產業及半導體制造業增長穩定，帶動封測需求。隨著聯網設備的大規模成長，以及對數據處理、運算能力和數據存儲的需求激升，驅動了物聯網、人工智能與高效能運算等技術的逐漸成熟，人工智能及物聯網等終端產品的應用，包括5G通訊、工業用智能制造、車用電子與智慧家居等需求即將量增。終端應用持續攀升將導致對半導體的需求日漸增長，刺激半導體封測技術、需求明顯提升，催生IC封裝從低階封裝技術，朝向高階和先進封裝技術等領域發展。對于仰仗半導體封測業的探針臺產業而言，終端應用衍生的高階封裝需求激增，封測需求持續成長，加上半導體產業導入新材料所衍生的各種機會，都有望刺激探針卡市場需求持續增長。
技術趨勢：向高、精、尖和自動化發展
晶圓尺寸持續增大，從6”到8”再到目前的12"，而對應的探針臺也從手動向半自動和全自動發展。在此過程中，涉及到晶圓尺寸、精度、分辨率以及測試原理等變化，未來的探針臺將沿著以下幾個方向改進。
(1)測試品種多。早期的探針臺主要針對一些分立器件進行測試，測試精度要求不是很高，但是隨著信息化的發展、晶圓片尺寸增加、封裝尺寸的減小以及納米工藝技術的成熟，對測試效率和穩定性提出很高的要求。其產品測試已經擴展到SOC、霍爾元件等領域，因此，大直徑晶圓片測試、全自動晶圓測試以及高性能晶圓片測試是未來的發展方向。
(2)微變形接觸技術。Mirco Touch微接觸技術，它減少了測試易碎器件或者pad處于活動電測區域下的接觸破壞，實現了對于垂直升降系統的精準的控制，大大降低了探針接觸晶圓的沖擊力，同時也提高了測試過程中探針的精準度，保證了良品率。因此，未來的探針臺將會在微變形接觸等技術上投入更大的成本。
(3)非接觸測量技術。隨著電磁波理論和RFID (射頻識別)技術的成熟，接觸式測試將會因為更高的良率、更短的測試時間以及更低的產品成本等潛在優勢越來越受到青睞。這種測試方法中，每個裸片內含集成天線，TESTER通過電磁波與其通信，可以消除在標準測試過程中偶然發生的測試盤被損時間，減低缺陷率。
目前，我國的半導體行業的國產化率仍然比較低，設備領域尤其明顯，探針臺市場領域，國產設備的在國內市場的份額不超過20%，亟需發展和提高。隨著以深圳矽電、長川科技、中電科45所為代表的國內產設備企業飛速發展，預計未來國產探針臺在國內市場的占比將越來越高。國內半導體產業的逐步崛起，將給上游設備龍頭公司帶來較大的成長空間。
3.5. 分選機：高精度高兼容，負責產品的測試接觸、揀選和傳送 分選機（Handler）： 封裝測試環節的核心設備為測試機和分選機。分選機主要承擔機械方面的任務，包括產品的測試接觸、揀選和傳送等。分選機把待測芯片逐個自動傳送至測試工位，芯片引腳通過測試工位上的金手指、專用連接線與測試機的功能模塊進行連接，測試機對芯片施加輸入信號并采集輸出信號，完成封裝測試。測試結果通過通信接口傳送給分選機，分選機據此對被測試集成電路進行標記、分選、收料或編帶。集成電路產品的封裝類別多樣化，使得分選機設備生產商需要持續改進機械結構和精度，并提高其兼容性，以滿足對不同封裝尺寸和外形的需求。 3.5.1. 全球市場及主要廠商：壁壘多重，格局未定，中國有望取得話語權
上圖可見，分選機市場中Advantest和Cohu占了一半的市場份額，其余的一般有其他廠商分散占據，可以說格局相對分散，國內有望加速取得市場話語權。
國內主要公司：
1）長川科技（300604.SZ）
長川科技生產的集成電路測試機和分選機產品已獲得長電科技、通富微電、士蘭微、華潤微電子、日月光等多個一流集成電路企業的使用和認可。
2）上海中藝
上海中藝成立于 2001 年，主要從事集成電路自動化設備的研發、制造、銷售，主要產品包括集成電路分選機、編帶機等。
4. 風險提示
半導體行業周期性 半導體行業與宏觀經濟形勢密切相關，具有周期性特征。如果全球及中國宏觀經濟增長大幅放緩，或行業景氣度下滑，半導體廠商的資本性支出可能延緩或減少，對半導體測試系統的需求亦可能延緩或減少，將給測試公司的短期業績帶來一定的壓力。 產業配套環境有待進一步改善 半導體測試系統橫跨高精密的自動化裝備和新一代信息技術，研發和生產均需使用高精度元器件，行業整體水平的提升既需要廠商自身具備較強的研發及制造能力，也需要相關基礎配套行業提供有力支撐。我國與此相關的產業較國外而言相對落后，可供選擇的高精度國產元器件較少，與部分國外競爭對手相比，國產系統生產商無法享受到同等成熟程度的產業配套，可能會制約集成電路專用設備制造業的發展。 高端技術人才相對缺乏 近年來，國家對半導體測試系統行業給予鼓勵和支持，但該行業屬于技術密集型產業，經驗積累和技術創新至關重要，人才的培養需要一定時間和相應的環境，對比發達國家和地區，我國半導體行業發展歷程相對較短，現有半導體產業及其專用設備制造業的人才和技術水平難以滿足行業內日益增長的人才需求，這是造成半導體研發及設備制造技術基礎相對薄弱的主要原因之一，盡管近年來我國人員培訓力度逐步加大，專業人員的供給量也在逐年上升，教育部多次出臺政策加大人才培養支持，擴大半導體相關學科專業人才培養規模，但高端人才相對匱乏的情況依然存在。 國內企業規模較小、品牌影響力不足 目前我國集成電路測試行業整體發展的期限較短，和國外大型測試企業相比，國內的測試企業在規模上還有一定的差距。此外，由于國際知名集成電路測試公司在國內設立測試基地占據了一定的市場份額，與國際知名集成電路測試公司相比，國內測試企業的品牌影響力和知名度仍有一定差距。如何進一步提高品牌影響力，是國內集成電路測試企業能否擴大市場占有率的關鍵。 注：文中觀點節選自天風證券研究所已公開發布研究報告，具體報告內容及相關風險提示等詳見完整版報告。 證券研究報告《半導體檢測設備：從前道到后道，全程保駕護航》 對外發布時間 2021年3月16日 報告發布機構 天風證券股份有限公司 本報告分析師 潘暕 SAC執業證書編號：S1110517070005 陳俊杰 SAC執業證書編號：S1110517070009
在線咨詢
