報(bào)告出品方：國海證券

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1、量檢測設(shè)備是芯片良率的關(guān)鍵保障

量檢測設(shè)備是芯片良率的關(guān)鍵保障

根據(jù)不同工序，半導(dǎo)體檢測分為前道量檢測、后道檢測及實(shí)驗(yàn)室檢測，其中，前道量檢測主要應(yīng)用于晶圓加工環(huán)節(jié)，目前以廠內(nèi)產(chǎn)線在線監(jiān)控為主；后道檢測主要應(yīng)用于晶圓加工后的芯片電性測試及功能性測試，目前主要分為第三方測試和廠內(nèi)產(chǎn)線在線監(jiān)控；實(shí)驗(yàn)室檢測主要針對失效樣品進(jìn)行缺陷定位和故障分析，目前主要分為第三方實(shí)驗(yàn)室檢測和廠內(nèi)自建實(shí)驗(yàn)室。

質(zhì)量控制貫穿晶圓制造全過程，是芯片生產(chǎn)良率的關(guān)鍵保障。
按Kaempf標(biāo)準(zhǔn)，晶圓缺陷可分為隨機(jī)缺陷和系統(tǒng)缺陷，其中，隨機(jī)缺陷主要由附著在晶圓表面的顆粒引起，其分布位置具有一定隨機(jī)性；系統(tǒng)缺陷主要來自光刻掩膜和曝光工藝中的系統(tǒng)誤差，一般出現(xiàn)在具有亞分辨率結(jié)構(gòu)特征的區(qū)域，通常位于一片晶圓上不同芯片區(qū)域的同一位置。
按缺陷表征，晶圓缺陷可分為形貌缺陷、污染物和晶體缺陷，其中，形貌缺陷包括微小粗糙面、凹坑，污染物缺陷包括分子層面的有機(jī)層和無機(jī)層等污染物、原子層面的離子、重金屬缺陷等，晶體缺陷包括硅原子失位/錯(cuò)位、非硅原子摻雜等。

前道量檢測設(shè)備具有兩大類功能，一是確保IC產(chǎn)線量產(chǎn)良率，二是定量監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備，為設(shè)備驗(yàn)收、維保提供依據(jù)。前道量檢測設(shè)備可按基本功能、技術(shù)手段和缺陷類型等方式進(jìn)行分類，本文將重點(diǎn)對比光學(xué)/電子束、明場/暗場、有圖形/無圖形等三類設(shè)備。

關(guān)鍵對比：光學(xué)檢測目前是主要方案

光學(xué)檢測速度快、無接觸，目前是主要檢測技術(shù)。光學(xué)檢測技術(shù)通過對光信號進(jìn)行計(jì)算分析獲得檢測結(jié)果，具有速度快、無接觸、易于在線集成等優(yōu)勢，根據(jù)中科飛測招股書，光學(xué)技術(shù)的檢測速度可以較電子束技術(shù)快1000倍以上，可以應(yīng)用于28nm及以下全部先進(jìn)制程，在技術(shù)成熟度、通用性、可靠性等方面均已獲得晶圓廠的普遍認(rèn)可，目前是半導(dǎo)體質(zhì)量控制的主要檢測技術(shù)，根據(jù)中科飛測招股書，2020年全球光學(xué)檢測技術(shù)市場規(guī)模為57.5億美元，在量檢測設(shè)備中的市場份額為75.2%。然而，傳統(tǒng)光學(xué)檢測技術(shù)因其檢測原理受限于瑞利散射，難以保證對先進(jìn)節(jié)點(diǎn)晶圓缺陷的高靈敏度，并且其檢測結(jié)果通常含有大量噪聲缺陷（非殺傷性缺陷），進(jìn)而干擾殺傷性缺陷的檢測。

關(guān)鍵對比：電子束檢測適用于高精度場景

電子束技術(shù)檢測精度較高，然而速率較慢、設(shè)備成本高。電子束檢測技術(shù)是通過聚焦電子束至某一探測點(diǎn)，逐點(diǎn)掃描晶圓表面產(chǎn)生圖像以獲取檢測結(jié)果。電子束的波長遠(yuǎn)短于光的波長，電子束顯微鏡分辨率更高，測量精度優(yōu)于光學(xué)技術(shù)；然而測量速度慢、設(shè)備成本高，鑒于電子束檢測通常接收的是入射電子激發(fā)的二次電子，無法區(qū)分具有三維特征的深度信息，因而部分檢測無法采用電子束技術(shù)，主要采用光學(xué)檢測技術(shù)，如三維形貌量測、光刻套刻量測和多層膜厚量測等應(yīng)用。根據(jù)中科飛測招股書，2020年全球電子束檢測技術(shù)市場規(guī)模為14.3億美元，在量檢測設(shè)備中的市場份額為18.7%。

電子束和光學(xué)檢測技術(shù)可以互補(bǔ)。實(shí)際應(yīng)用中，電子束檢測技術(shù)一部分應(yīng)用于研發(fā)環(huán)節(jié)，旨在檢測出盡可能多的缺陷，一部分應(yīng)用于關(guān)鍵區(qū)域抽檢和復(fù)查，與光學(xué)檢測技術(shù)形成互補(bǔ)。根據(jù)MMR，2022年全球電子束檢測市場中，1nm以下應(yīng)用占比過半，隨著先進(jìn)制程、復(fù)雜器件的持續(xù)發(fā)展，電子束檢測技術(shù)優(yōu)勢愈發(fā)明顯，2022-2029年全球電子束檢測市場有望快速增長，CAGR預(yù)計(jì)為19.9%，2029年市場規(guī)模有望增至25.8億美元，屆時(shí)10nm以上應(yīng)用將成為電子束技術(shù)的主要市場。

關(guān)鍵對比：多系統(tǒng)組合或?qū)⒊蔀榘l(fā)展趨勢

隨著先進(jìn)制程持續(xù)發(fā)展，IC材料和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性持續(xù)提升，待測缺陷由表面轉(zhuǎn)為三維分布、幾何結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、尺寸逐步接近原子級，單一缺陷檢測技術(shù)越來越難以適應(yīng)，多系統(tǒng)組合或?qū)⒊蔀闄z測技術(shù)發(fā)展趨勢。
路線1-傳統(tǒng)光學(xué)：基于明場、暗場照明的光學(xué)檢測技術(shù)在技術(shù)成熟度、通用性、可靠性等維度已經(jīng)得到晶圓廠的普遍認(rèn)可，但檢測原理受限于瑞利散射，難以保證先進(jìn)節(jié)點(diǎn)下的高靈敏度，因此不同缺陷的信噪比分析尤為重要。
路線2-多電子束：多電子束成像具有較高橫向分辨率，然而檢測速率相比光學(xué)技術(shù)仍有量級差異，研究熱點(diǎn)是在系統(tǒng)復(fù)雜性、整機(jī)成本與檢測效率之間取得平衡。
路線3-極短波長：例如基于極紫外和硬X射線波段的疊層衍射成像技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)對晶圓表面及亞表面缺陷的3D成像，然而目前高亮度、高相干性、高穩(wěn)定性的臺式極端波長光源的缺失是關(guān)鍵制約因素。
路線4-結(jié)構(gòu)光場：充分發(fā)掘光作為一種三維電磁場所具有的多維度內(nèi)稟特征（除了振幅還有頻率、相位、振偏態(tài)、軌道角動(dòng)量等），以實(shí)現(xiàn)檢測缺陷靈敏度的最大化。

關(guān)鍵對比：明場系統(tǒng)精度高、暗場系統(tǒng)速度快

暗場系統(tǒng)主要收集被測物體的散射光，適用于大量晶圓的高速檢測。然而，1）散射信號強(qiáng)度遠(yuǎn)低于入射光和反射光，噪聲對檢測精度影響較大，直接決定系統(tǒng)檢測極限；2）晶圓表面并非完全光滑，微觀起伏也會(huì)產(chǎn)生散射光（薄霧信號），進(jìn)而影響檢測精度。
明場系統(tǒng)通過提供均勻明亮的光場，使用圖像傳感器收集反射光進(jìn)而分析缺陷，相比暗場系統(tǒng)，具有檢測靈敏度較高、掃描速度較慢等特征，適用于晶圓電路詳細(xì)檢測。
現(xiàn)有技術(shù)通常只搭配明場或暗場一種系統(tǒng)，因?yàn)闊o缺陷處和有缺陷處存在較大的亮度差異，通過對圖形灰度值進(jìn)行閾值判斷實(shí)現(xiàn)缺陷分析，目前暗場系統(tǒng)占據(jù)晶圓檢測設(shè)備的主要市場。

關(guān)鍵對比：有圖形檢測主要采用光學(xué)技術(shù)

暗場光學(xué)是無圖形檢測的重要手段。無圖形缺陷檢測設(shè)備用于檢測表面未刻蝕的晶圓，缺陷類型主要包括顆粒污染、凹坑、水印、劃傷、淺坑、外延堆垛、CMP突起等，主要用于：1）圓片制造領(lǐng)域，工藝研發(fā)中的缺陷檢測、圓片出廠前的終檢流程；2）芯片制造領(lǐng)域，來料品質(zhì)檢測、工藝控制（薄膜、CMP等）、圓片背面污染檢測、設(shè)備潔凈度監(jiān)測等；3）半導(dǎo)體設(shè)備制造領(lǐng)域，工藝研發(fā)中的缺陷檢測、設(shè)備的工藝品質(zhì)評估等。對于裸晶圓片，晶圓上的顆粒和劃痕是缺陷的主要形式，并在高頻散射分量上具有高靈敏度，因此暗場顯微鏡等光學(xué)檢測手段是重要的檢測手段。
有圖形檢測主要采用明場光學(xué)技術(shù)。有圖形缺陷檢測設(shè)備用于檢測IC上的刻蝕圖案，缺陷類型不僅包括納米顆粒、凹陷、突起、劃傷、斷線、橋接等表面缺陷，也包括空洞、材料成分不均勻等亞表面和內(nèi)部缺陷，主要采用明場光學(xué)檢測技術(shù)。由于圖案的復(fù)雜性和材料的多樣性，有圖形缺陷檢測更為復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)，高精密儀器、先進(jìn)建模方法及圖像后處理算法的重要性不斷凸顯。

核心零部件國產(chǎn)化率有待提升

光源、鏡頭、相機(jī)等零部件國產(chǎn)化率有待提升。根據(jù)中科飛測招股說明書，公司所需原材料主要包括運(yùn)動(dòng)與控制系統(tǒng)類、光學(xué)類、電氣類、機(jī)械加工件、機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件及其他部件，核心零部件包括光源、鏡頭、相機(jī)、探測器、光學(xué)元件、樣品臺、EFEM、機(jī)械手等，其中機(jī)械手等運(yùn)動(dòng)與控制系統(tǒng)類零部件主要向日本等境外供應(yīng)商采購，探測器等光學(xué)類零部件主要向德國等境外供應(yīng)商采購。

2、國內(nèi)量檢測設(shè)備市場有望快速發(fā)展

驅(qū)動(dòng)力1：全球半導(dǎo)體市場逐步回暖

2024年全球半導(dǎo)體市場有望加速恢復(fù)增長。根據(jù)SIA數(shù)據(jù)，2023年11月全球半導(dǎo)體行業(yè)銷售額為480億美元，同比增長5.3%，在經(jīng)歷連續(xù)6個(gè)月同比降幅收窄后，年內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)同比增長，連續(xù)9個(gè)月環(huán)比實(shí)現(xiàn)環(huán)比增長。根據(jù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫公眾號，IDC將2023年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)測值由5188億美元上調(diào)至5265億美元，2024E市場規(guī)模由6259億美元上調(diào)至6328億美元，同比增長20.2%，全球半導(dǎo)體市場正在逐步回暖，2024年起有望加速恢復(fù)增長，短期復(fù)蘇動(dòng)力主要是消費(fèi)電子逐步回暖，受益于華為、蘋果等新品發(fā)布后的換機(jī)熱潮，長期發(fā)展動(dòng)力主要是車用、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)及AI等新興增長點(diǎn)。

驅(qū)動(dòng)力2：中國大陸晶圓廠持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)

中國大陸加強(qiáng)成熟制程產(chǎn)能投資，以中芯國際為例，中芯國際三季報(bào)將2023全年資本開支上調(diào)至75億美元左右，同比增長約18%，2022年中國大陸12英寸晶圓產(chǎn)能全球占比22%，2026年預(yù)計(jì)增至25%。半導(dǎo)體行業(yè)需求回暖疊加中國大陸晶圓廠持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備市場長期有望穩(wěn)健增長。根據(jù)SEAJ數(shù)據(jù)，2023Q1-Q3中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額為244.7億美元，同比增長11.7%，2023Q3同比增長42.2%。

驅(qū)動(dòng)力3：先進(jìn)制程提升設(shè)備投資需求

先進(jìn)制程對應(yīng)量檢測設(shè)備價(jià)值量有望倍增。AI芯片對性能、功耗和成本等要求較高，先進(jìn)制程優(yōu)勢顯著，同時(shí)隨著汽車智能化發(fā)展，MCU等傳統(tǒng)芯片已經(jīng)難以滿足市場需求，汽車芯片功能的逐步豐富有望助力先進(jìn)制程工藝快速發(fā)展。隨著芯片制程進(jìn)步，設(shè)備投資成本將呈現(xiàn)大幅上升趨勢，根據(jù)中芯國際招股說明書（2020年7月），以5nm工藝為例，其投資成本高達(dá)數(shù)百億美元，是14nm的兩倍以上，28nm的四倍左右。先進(jìn)制程將對工藝控制水平提出更高要求，檢測設(shè)備和量測設(shè)備價(jià)值量有望倍增。