半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)科普（基礎(chǔ)篇）

1. 行業(yè)趨勢(shì)：半導(dǎo)體周期拐點(diǎn)，國產(chǎn)化替代破繭成蝶

1.1 半導(dǎo)體行業(yè)：大周期約十年，需求核心驅(qū)動(dòng)源于技術(shù)發(fā)展

2022年全球半導(dǎo)體行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到5801億美元，達(dá)到歷史新高，過去十年復(fù)合增長(zhǎng)率7.4%。通過分析過去20年的全球半導(dǎo)體銷售額同比增速，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體行業(yè)大周期約10年，即每10年一個(gè)“M”形波動(dòng)，主要原因是一方面受全球GDP增速變化影響，另一方面主要是技術(shù)驅(qū)動(dòng)帶來的行業(yè)發(fā)展。2023年上半年全球半導(dǎo)體處于下行周期，但AIGC帶來的新一輪技術(shù)創(chuàng)新引發(fā)需求大幅提升，行業(yè)有望在2024年迎來上行周期。

大周期看技術(shù)，小周期看需求。小周期主要是受下游需求周期波動(dòng)影響，從全球半導(dǎo)體銷售額同比來看，行業(yè)小周期約3年。上一輪周期高點(diǎn)在2021年8月。2023年1月全球半導(dǎo)體銷售額413億美元，同比減少19%。從產(chǎn)業(yè)周期判斷，2023年下半年預(yù)計(jì)迎來下行周期拐點(diǎn)。2024年，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)芯片將進(jìn)入庫存拐點(diǎn)，另一方面AIGC對(duì)算力需求的大幅提升，將帶動(dòng)新興芯片需求的爆發(fā)，將加快上行周期的到來。

圖：全球半導(dǎo)體小周期約3年

資料來源：美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，浙商證券研究所

2012-2022年全球及中國半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模年復(fù)合增長(zhǎng)率分別達(dá)11%、27%，中國市場(chǎng)增速快于全球。中國大陸是全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)。2022年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)為1076億美元，中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額占全球銷售額26%，達(dá)到283億美元，超出中國臺(tái)灣（25%）、韓國（20%）、北美（10%），連續(xù)三年成為全球最大半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)。

圖：中國在全球設(shè)備市場(chǎng)占比從2006年的6%提升至2022年的26%

圖：2022年中國大陸連續(xù)三年成為全球半導(dǎo)體設(shè)備最大市場(chǎng)

資料來源：SEMI，日本半導(dǎo)體制造裝置協(xié)會(huì)，浙商證券研究所

1.2半導(dǎo)體設(shè)備：芯片制程不斷縮小，帶動(dòng)設(shè)備資本開支提升

芯片制程縮小，帶動(dòng)設(shè)備資本開支提升，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模提升。歷史上芯片發(fā)展一直遵循摩爾定律。摩爾定律的核心內(nèi)容是集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每18個(gè)月到24個(gè)月會(huì)增加一倍。摩爾定律核心是經(jīng)濟(jì)定律。隨著芯片制程不斷縮小，摩爾定律逐步失效。2018年，芯片實(shí)際性能與摩爾定律的要求間的差距擴(kuò)大了15倍。隨著摩爾定律的失效，芯片制程縮小帶來建設(shè)成本急速上升，帶動(dòng)設(shè)備資本開支提升。每萬片5nm芯片的晶圓廠建設(shè)成本高達(dá)54億美元，是28nm的6倍。

圖：每萬片晶圓廠建設(shè)成本（億美元）

圖：頭部邏輯芯片廠商制程發(fā)展路線圖

資料來源：IBS，麥肯錫，IC inghts，浙商證券研究所

全球半導(dǎo)體資本開支：IC insights預(yù)計(jì)2022年全球半導(dǎo)體資本開支1817億美元，同比增長(zhǎng)19%。內(nèi)存市場(chǎng)疲軟及美國對(duì)華制裁下，2023年全球半導(dǎo)體設(shè)備資本開支預(yù)計(jì)1466億美元，同比下降19%。

周期性分析：從2000年至今全球半導(dǎo)體資本開支同比增速來看，全球半導(dǎo)體資本開支約3年一個(gè)周期。2023年處于行業(yè)周期底部，預(yù)計(jì)2024年資本開支迎來反轉(zhuǎn)。

圖：全球半導(dǎo)體行業(yè)資本開支

圖：全球半導(dǎo)體資本開支周期波動(dòng)，約3年一個(gè)周期

資料來源：IC insights，麥肯錫，浙商證券研究所

2. 過程控制：量測(cè)、檢測(cè)是半導(dǎo)體制造良率的重要保障

過程控制：半導(dǎo)體晶圓制造過程中不同工藝之后，往往需要進(jìn)行尺寸測(cè)量、缺陷檢測(cè)等，用于工藝控制、良率管理，要求快速、準(zhǔn)確。尺寸測(cè)量、缺陷檢測(cè)等應(yīng)用于每道制程工藝之后。IC量測(cè)設(shè)備用于工藝控制、良率管理，檢測(cè)要求快速、準(zhǔn)確、非破壞。IC量測(cè)在發(fā)展過程中，在尺寸微縮、復(fù)雜3D、新型材料方面面臨各類技術(shù)難點(diǎn)，面對(duì)諸如存儲(chǔ)、CIS、化合物半導(dǎo)體等不同半導(dǎo)體檢測(cè)等多種需求不斷升級(jí)。IC量測(cè)設(shè)備的技術(shù)類別包括探針顯微鏡、掃描/透射電鏡、光學(xué)顯微鏡、橢偏/散射儀等，技術(shù)發(fā)展方向包括延續(xù)現(xiàn)有的非破壞測(cè)量技術(shù)，電鏡方面推進(jìn)并行電子束技術(shù)，散射儀向EUV、X射線延伸以縮小波長(zhǎng)，并聯(lián)合多種測(cè)量手段和機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)混合測(cè)量等。

過程控制設(shè)備包括應(yīng)用于工藝過程中的測(cè)量類設(shè)備（Metrology）和缺陷（含顆粒）檢查類設(shè)備（Inspection）。芯片生產(chǎn)過程中，在線工藝檢測(cè)設(shè)備要對(duì)經(jīng)過不同工藝后的晶圓進(jìn)行無損的定量測(cè)量和檢查，從而保證工藝的關(guān)鍵物理參數(shù)（如薄膜厚度、線寬、溝/孔深度、側(cè)壁角等）滿足要求，同時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷并對(duì)其進(jìn)行分類，剔除不合格的晶圓，避免后續(xù)工藝?yán)速M(fèi)。工藝檢測(cè)設(shè)備的另一個(gè)作用是協(xié)助工藝開發(fā)和試生產(chǎn)時(shí)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和光掩模的設(shè)計(jì)，優(yōu)化整個(gè)工藝流程，縮短開發(fā)時(shí)間，提升成品率并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

半導(dǎo)體量測(cè)Metrology主要包括：

1）套刻對(duì)準(zhǔn)的偏差測(cè)量；

2）薄膜材料的厚度測(cè)量；

3）晶圓在光刻膠曝光顯影后、刻蝕后和CMP工藝后的關(guān)鍵尺寸（CD）測(cè)量；

4）其他：如晶圓厚度，彎曲翹曲（Bow/Warp），1D/2D應(yīng)力stress，晶圓形貌，四點(diǎn)探針測(cè)電阻RS，XPS測(cè)注入含量等，AFM（原子力顯微鏡）/Metal plus（超聲波）測(cè)臺(tái)階高度（Step Height）等。

半導(dǎo)體檢測(cè)Inspection主要包括：

1）無圖形缺陷檢測(cè)，包括顆粒（particle）、殘留物（residue）、刮傷（scratch）、警惕原生凹坑（COP）等；

2）有圖像缺陷檢測(cè)，包括斷線（break）、線邊缺陷（bite）、橋接（bridge）、線形變化（Deformation）等；

3）掩模版缺陷檢測(cè)，包括顆粒等；

4）缺陷復(fù)檢，針對(duì)檢測(cè)掃出的缺陷（位置，大小，種類），用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡確認(rèn)其存在。

圖: 半導(dǎo)體量測(cè)與檢測(cè)分類

資料來源：中科飛測(cè)招股書，方正證券研究所

中道檢測(cè)面向先進(jìn)封裝環(huán)節(jié)，主要是芯片倒裝（Flip-Chip）、圓片級(jí)封裝（Wafer-LevelPackage）和硅通孔（ThroughSilicon Via，TSV）等先進(jìn)工藝要求對(duì)凸點(diǎn)（Bump）、通孔（TSV）、銅柱（Copper-Pillar）等的缺損/異物殘留及其形狀、間距、高度的一致性，以及再布線層（Redisriburion Layer，RDL）進(jìn)行無接觸定量檢查和測(cè)量。后道測(cè)試則主要是利用電學(xué)對(duì)芯片進(jìn)行功能和電參數(shù)測(cè)試，主要包括晶圓測(cè)試和成品測(cè)試兩個(gè)環(huán)節(jié)。

圖: 過程控制（檢測(cè)、測(cè)量）和ATE（測(cè)試）2021年市場(chǎng)空間

資料來源：Gartner，華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，方正證券研究所

圖: 檢測(cè)缺陷&量測(cè)尺寸

資料來源：KLA，方正證券研究所

根據(jù)制造過程中采用的不同材料和結(jié)構(gòu)，工藝檢測(cè)設(shè)備分別采用包括寬波段光譜（紫外到紅外）、電子束、激光和X射線等多種不同技術(shù)。性能指標(biāo)方面，隨著工藝不斷向細(xì)微線寬發(fā)展，器件形態(tài)結(jié)構(gòu)也由二維平面結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，因此對(duì)檢測(cè)設(shè)備的靈敏度、可適用性、穩(wěn)定性及吞吐量等都有更高要求。

圖: 光學(xué)檢測(cè)技術(shù)、電子束檢測(cè)技術(shù)和X 光量測(cè)技術(shù)特征比較

資料來源：中科飛測(cè)招股書，方正證券研究所

應(yīng)用光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的設(shè)備可以相對(duì)較好的實(shí)現(xiàn)有高精度和高速度的均衡，并能夠滿足其他技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的功能，如三維形貌測(cè)量、光刻套刻測(cè)量和多層膜厚測(cè)量等應(yīng)用，因此采用占多數(shù)。根據(jù)VLSI Research和QY Research，2020年全球半導(dǎo)體檢測(cè)和量測(cè)設(shè)備市場(chǎng)中，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)、電子束檢測(cè)技術(shù)及X光量測(cè)技術(shù)的設(shè)備市場(chǎng)份額占比分別為75.2%、18.7%及2.2%。

圖: 2021年過程控制分類及市場(chǎng)規(guī)模（億美元）

資料來源：Gartner，方正證券研究所

2.1量測(cè)

套刻精度測(cè)量設(shè)備：用于測(cè)量層與層之間的套刻誤差，也就是兩層圖形結(jié)構(gòu)中心的平面距離，主要測(cè)量系統(tǒng)有3種，光學(xué)顯微成像（IBO）系統(tǒng)、光學(xué)衍射（DBO）系統(tǒng)和掃描電鏡（SEM-OL）系統(tǒng)。光學(xué)顯微成像系統(tǒng)最常用，通過成像的方式計(jì)算套刻誤差；光學(xué)衍射系統(tǒng)采用非成像的方式，通過光強(qiáng)傳感器測(cè)量衍射射束強(qiáng)度確定套刻誤差，使用的光學(xué)元件較少，常用于先進(jìn)的光刻工藝控制中；掃描電鏡系統(tǒng)主要用于刻蝕后的最終套刻誤差測(cè)量，測(cè)量速度較慢。

套刻精度測(cè)量的對(duì)象是套刻目標(biāo)圖形，這些圖形通常制作在劃片槽區(qū)域，用于成像套刻測(cè)量系統(tǒng)的目標(biāo)圖形通常有（a）塊中塊、（b）條中條和（c）目標(biāo)（AIM）圖形。

圖: 套刻誤差測(cè)量

圖: 常用的套刻誤差測(cè)量目標(biāo)圖形

資料來源：Hitachi High-Tech官網(wǎng)，方正證券研究所，《集成電路產(chǎn)業(yè)全書》，啟閎半導(dǎo)體

常見的光學(xué)套刻設(shè)備是KLA的Archer系列和ASML的YieldStar系列，Archer系列使用IBO和DBO測(cè)量技術(shù)，可測(cè)量多種套刻目標(biāo)圖形；YieldStar使用DBO測(cè)量技術(shù)；Hitachi的CD-SEM CV系列使用高壓加速掃描電子顯微鏡（SEM-OL）。

薄膜厚度測(cè)量：晶圓在進(jìn)行多次各種材質(zhì)的薄膜沉積后，需要對(duì)薄膜厚度和其他參數(shù)性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，以確保產(chǎn)品滿足性能設(shè)計(jì)要求。測(cè)量薄膜厚度的方法很多，傳統(tǒng)的方法主要是通過臺(tái)階儀直接測(cè)量，但是這種方法對(duì)薄膜本身破壞較大，同時(shí)測(cè)量結(jié)果受儀器精度的影響較大，因此精確測(cè)量成本較高。目前應(yīng)用較普遍的方法主要有非光學(xué)方法和光學(xué)方法兩大類，非光學(xué)方法只能用于薄膜厚度的測(cè)量，主要包括四探針法、渦流法、電容法、電磁等，其中四探針法和渦流法為較多應(yīng)用的方法；利用光學(xué)原理測(cè)量薄膜厚度的方法主要有棱鏡耦合導(dǎo)模法、光切法、多光束干涉法、分光光度測(cè)量法、橢圓偏振法等。其中橢圓偏振法應(yīng)用最為廣泛，并且能同時(shí)測(cè)量薄膜的光學(xué)參數(shù)。

圖: 薄膜測(cè)量方法

資料來源：《基于橢圓偏振法的薄膜厚度測(cè)量》，方正證券研究所

四探針法（4PP）是指用四個(gè)等距的金屬探針接觸薄膜材料表面，外圍兩探針通直流電流，中間兩根探針接電位差計(jì)測(cè)量電壓降，基于所測(cè)的電壓和電流得出具體位置的電阻，薄膜厚度由薄膜材料電阻率除以所得電阻得到，一般通過軟件計(jì)算得出。渦流法（EC）是指通過線圈的時(shí)變電流在導(dǎo)電層中產(chǎn)生時(shí)變的渦流。這些時(shí)變的渦流反過來產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，改變驅(qū)動(dòng)線圈的阻抗，該阻抗與薄膜材料的電阻成反比，同樣通過換算可以得出薄膜厚度參數(shù)。

圖: 四探針法

圖: 渦流法

資料來源：KLA，方正證券研究所資料

橢圓偏振法基本原理為：將一束橢圓偏振光按照一定的入射角照射到樣品上，已知入射光的偏振態(tài)，可根據(jù)偏振態(tài)的改變來確定薄膜材料的具體結(jié)構(gòu)，得到其厚度和光學(xué)參數(shù)信息（如復(fù)折射率、厚度或復(fù)介電常數(shù)等）。

圖: 橢圓偏振法原理圖

資料來源：Wikimedia，方正證券研究所

目前非光學(xué)測(cè)量薄膜膜厚產(chǎn)品主要有科磊的Filmetrics R50系列，光學(xué)測(cè)量薄膜膜厚產(chǎn)品主要有包括科磊的Aleris系列和SpectraFilm系列。國內(nèi)光學(xué)測(cè)量薄膜膜厚產(chǎn)品有上海精測(cè)的EFILM系列。

關(guān)鍵尺寸測(cè)量設(shè)備：主要用于芯片生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵尺寸（CD）、高度、側(cè)壁角的在線測(cè)量和關(guān)鍵設(shè)備（***、涂膠顯影設(shè)備等）的性能監(jiān)控。其中關(guān)鍵尺寸測(cè)量主要用于顯影后檢查（ADI：After Development Inspection）和刻蝕后檢查（AEI：After Etch Inspection）。目前主要依靠光學(xué)散射儀的非成像式測(cè)量技術(shù)，光學(xué)散射儀又稱為光學(xué)關(guān)鍵尺寸測(cè)量?jī)x（OCD），其原理是通過測(cè)量樣品的散射信息，求解逆散射問題來重構(gòu)待測(cè)樣品的三維形貌。

圖: 光學(xué)散射測(cè)量基本流程

資料來源：《集成電路制造在線光學(xué)測(cè)量檢測(cè)技術(shù)：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)》，方正證券研究所

OCD測(cè)量的基本流程主要包括正問題和反問題兩個(gè)重要步驟，正問題是通過一定的散射測(cè)量裝置獲得待測(cè)樣品結(jié)構(gòu)的散射信息，需要解決的是儀器測(cè)量問題，反問題是需要從測(cè)量得到的散射數(shù)據(jù)中提取待測(cè)樣品的三維形貌參數(shù)，需要解決的是構(gòu)建光與待測(cè)樣品結(jié)構(gòu)間相互作用的正向散射模型并選擇合適的求解算法。

測(cè)量?jī)x器：目前主要使用的光學(xué)散射裝置可以分為角分辨散射儀和光譜散射儀。角分辨散射儀的優(yōu)點(diǎn)在于由于采用單一波長(zhǎng)，在數(shù)據(jù)分析時(shí)不需要對(duì)樣品材料的介電函數(shù)進(jìn)行假設(shè)；此外可以相對(duì)容易擴(kuò)展到較短的波長(zhǎng)范圍，如EUV和X射線。其劣勢(shì)在于其中包含移動(dòng)組件，限制了測(cè)量速度。光譜散射儀的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量速度非?？?，目前常用的一種基于光譜橢偏儀（SE）的散射儀，其可以達(dá)到很高的垂直分辨率，相對(duì)于角分辨散射儀，可以獲得更多的測(cè)量信息。其劣勢(shì)在于，為了精確測(cè)量，尤其是在橢偏散射測(cè)量中，需要精確的校準(zhǔn)，并需要預(yù)先確定樣品材料在較寬光譜范圍內(nèi)的光學(xué)常數(shù)。實(shí)際使用中，為了提高測(cè)量靈敏度，通常將兩種散射測(cè)量方式相結(jié)合。

圖: 不同光學(xué)散射測(cè)量裝置示意圖注：(a)(b)角分辨散射儀；(c)(d)光譜散射儀

資料來源：《集成電路制造在線光學(xué)測(cè)量檢測(cè)技術(shù)：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)》，方正證券研究所

構(gòu)建正向散射模型并選擇求解算法：在光學(xué)散射測(cè)量中，從散射測(cè)量數(shù)據(jù)中提取出待測(cè)樣品三維形貌參數(shù)的本質(zhì)上是逆散射問題的求解過程。目前主要有兩種求解方法，分別是庫匹配法和非線性回歸法。庫匹配的參數(shù)提取過程中，是事先建立散射仿真數(shù)據(jù)庫，然后將測(cè)量數(shù)據(jù)跟仿真數(shù)據(jù)比較，得到最佳匹配測(cè)試數(shù)據(jù)的仿真數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的待測(cè)參數(shù)值。非線性回歸法是不斷調(diào)整輸入?yún)?shù)，使得測(cè)量數(shù)據(jù)與正向散射模型計(jì)算出來的仿真數(shù)據(jù)差異降至允許范圍內(nèi)。庫匹配法的優(yōu)勢(shì)在于可以快速提取待測(cè)參數(shù)，但是需要事先建立并存儲(chǔ)龐大的仿真數(shù)據(jù)庫，且準(zhǔn)確度受數(shù)據(jù)庫網(wǎng)格間距的限制。非線性回歸法的優(yōu)勢(shì)是不需要建立仿真數(shù)據(jù)庫，且可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，但是由于每次迭代都要調(diào)用正向散射模型來計(jì)算仿真數(shù)據(jù)，因此非常耗時(shí)。

除了OCD之外，原子力顯微鏡（AFM）和掃描電鏡（SEM）也是微納米線間距尺寸測(cè)量類儀器應(yīng)用最廣泛的兩類。二者所獲得圖像的橫向分辨力相近。AFM得到被測(cè)產(chǎn)品表面的形貌結(jié)構(gòu)圖像，是真正的三維圖像，并能測(cè)量樣品的三維信息。SEM只能提供二維圖像，但其圖像有很大的景深，視野較大。關(guān)鍵尺寸掃描電子顯微鏡（CD-SEM）是具有自動(dòng)定位并測(cè)量線條功能的掃描電鏡，廣泛用于半導(dǎo)體產(chǎn)線線寬的監(jiān)控。

電子行業(yè)專題報(bào)告15敬請(qǐng)關(guān)注文后特別聲明與免責(zé)條款s掃描電子顯微鏡是利用材料表面特征的差異，在電子束作用下通過試樣不同區(qū)域產(chǎn)生不同的亮度差異，從而獲得具有一定襯度的圖像。成像信號(hào)是二次電子、背散射電子或吸收電子，其中二次電子是最主要的成像信號(hào)。高能電子束轟擊樣品表面，激發(fā)出樣品表面的各種物理信號(hào)，再利用不同的信號(hào)探測(cè)器接受物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像信息。

圖: 電子束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信息

圖: 掃描電鏡原理圖

資料來源：《SEM在半導(dǎo)體工藝研究中的應(yīng)用實(shí)例》，方正證券研究所資料來源：鑠思百檢測(cè)，方正證券研究所

算法：CD-SEM 獲得測(cè)量圖形的影像后．CD-SEM進(jìn)行測(cè)量并將數(shù)據(jù)上傳。CD-SEM在測(cè)量算法上需要不斷優(yōu)化和提高，以使測(cè)量結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確反映樣品的性能。例如，推出新的測(cè)量方式，包括邊緣粗糙度（Edge Roughness間隙（Gap）、扭曲度（Wiggling）、疊對(duì)（Overlay）、圖形重心（Center Gravity）等，此外還需要不斷提高測(cè)量可靠性，以及對(duì)產(chǎn)品工藝波動(dòng)的敏感度。

圖: SEM圖像

圖: 將SEM圖像做成Line Profile計(jì)算出測(cè)定值

資料來源：Hitachi High-Tech官網(wǎng)，方正證券研究所

2.2檢測(cè)

圖形晶圓缺陷檢測(cè)：光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備是通過高精度光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)晶圓上的缺陷和污染進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，向晶圓廠提供不同生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)中晶圓的產(chǎn)品質(zhì)量問題，并確認(rèn)工藝設(shè)備的運(yùn)行情況是否正常，從而提高良率，節(jié)約成本。光學(xué)檢測(cè)技術(shù)是通過從深紫外到可見光波段的寬光譜照明或者深紫外單波長(zhǎng)高功率的激光照明，以高分辨率大成像視野的光學(xué)明場(chǎng)或暗場(chǎng)的成像方法，獲取晶圓表面電路的圖案圖像，實(shí)時(shí)地進(jìn)行電路圖案的對(duì)準(zhǔn)、降噪和分析，以及缺陷的識(shí)別和分類，實(shí)現(xiàn)晶圓表面圖形缺陷的捕捉。

光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備分為明場(chǎng)和暗場(chǎng)兩大類別，兩者的主要區(qū)別是：明場(chǎng)設(shè)備是收集晶圓表面垂直反射的光信號(hào)來分析缺陷，而暗場(chǎng)設(shè)備是收集晶圓表面散射回來的光信號(hào)來分析。如果晶圓表面是平整沒有缺陷的，則明場(chǎng)設(shè)備反射回來的光是相對(duì)比較完整的入射光，而暗場(chǎng)設(shè)備的入射光則被全反射,其接收到的是散射光信號(hào)。

隨著設(shè)備行業(yè)不斷發(fā)展，明場(chǎng)與暗場(chǎng)的定義也在變化，現(xiàn)在明場(chǎng)一般指的照明光路和采集光路在臨近晶圓段共用同一個(gè)顯微物鏡，而暗場(chǎng)指照明光路和采集光路在物理空間上是完全分離的。因?yàn)榇怪狈瓷浜蜕⑸涔庑盘?hào)的差別，明場(chǎng)設(shè)備的檢測(cè)靈敏度比暗場(chǎng)設(shè)備的高，但明場(chǎng)設(shè)備掃描速度也較慢。

圖表23:明場(chǎng)和暗場(chǎng)光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備

資料來源：《28納米關(guān)鍵工藝缺陷檢測(cè)與良率提升》，方正證券研究所

明場(chǎng)光學(xué)圖形圓片缺陷檢測(cè)設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)：更亮的光源照明、更寬的光譜范圍、更高的呈現(xiàn)分辨率、更大數(shù)值孔徑、更大成像視野等。傳統(tǒng)光源以氙燈或汞放電燈，到目前的激光持續(xù)放電燈。光源波長(zhǎng)范圍為180~650nm，光學(xué)系統(tǒng)以透鏡為主，為了在寬光譜波長(zhǎng)范圍中達(dá)到更好的光學(xué)分辨率，會(huì)加入多層反射鏡片降低色差。針對(duì)不同類型的晶圓，明場(chǎng)光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測(cè)可以使用不同的配置，即不同光學(xué)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的組合，當(dāng)前的設(shè)備的配置數(shù)量超過一萬種。當(dāng)前市場(chǎng)上的主流設(shè)備是KLA的39xx系列、29xx系列和應(yīng)用材料的UVision系列。

電子束圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備。隨著半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步和先進(jìn)工藝對(duì)缺陷容忍度降低，與普通光學(xué)明場(chǎng)和暗場(chǎng)晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備相比，電子束圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備對(duì)圖形的物理缺陷（顆粒、突起、橋接、空穴等）具有更高的分辨率，以及特有的通過電壓襯度檢測(cè)隱藏缺陷的能力。由于具有可以通過電壓襯度成像檢測(cè)到光學(xué)顯微鏡下不可見的缺陷等優(yōu)勢(shì)，逐步發(fā)揮越來越大的作用，成為光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的有力補(bǔ)充。

電子束圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備是一種利用掃描電子顯微鏡在前道工序中對(duì)集成電路晶圓上的刻蝕圖形直接進(jìn)行缺陷檢測(cè)的工藝檢測(cè)設(shè)備。其核心是掃描電子顯微鏡，通過聚焦電子束對(duì)晶圓表面進(jìn)行掃描，接受反射回來的二次電子和背散射電子，將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的晶圓表面形貌的灰度圖像。通過比對(duì)晶圓上不同芯片同一位置的圖像，或者通過圖像和芯片設(shè)計(jì)圖形的直接比對(duì)，可以找出刻蝕或設(shè)計(jì)上的缺陷。其性能強(qiáng)調(diào)具有更高的掃描和圖像采集速率、更大的掃描場(chǎng)、高速的樣品運(yùn)動(dòng)定位能力以及在低入射電壓下的圖像質(zhì)量。

與光學(xué)缺陷檢測(cè)設(shè)備相比，雖然電子束檢測(cè)設(shè)備在性能上占優(yōu)，但因逐點(diǎn)掃描的方式導(dǎo)致其檢測(cè)速度太慢，不能滿足晶圓廠對(duì)吞吐能力的需求，無法大規(guī)模替代光學(xué)設(shè)備承擔(dān)在線檢測(cè)任務(wù)，目前主要用于先進(jìn)工藝的開發(fā)，工作模式主要為抽樣檢測(cè)。當(dāng)前市場(chǎng)上的主流供應(yīng)商是ASML（收購漢民微測(cè)科技）和應(yīng)用材料。

無圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備：其作用是檢測(cè)裸晶圓缺陷，為后續(xù)圖形化檢測(cè)打下基礎(chǔ)。無圖形晶圓表面檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)的缺陷類型包括顆粒污染、凹坑、水印、劃傷、淺坑、外延堆垛、CMP突起、晶坑、滑移線等，應(yīng)用領(lǐng)域主要有三類：

（1）芯片制造：主要包括來料品質(zhì)檢測(cè)、工藝控制、晶圓背面污染檢測(cè)、設(shè)備潔凈度監(jiān)測(cè)等；

（2）硅片制造：主要包括工藝研發(fā)中的缺陷檢測(cè)、硅片出廠前的終檢流程；

（3）半導(dǎo)體設(shè)備制造：主要包括工藝研發(fā)中的缺陷檢測(cè)、設(shè)備的工藝品質(zhì)評(píng)估（顆粒、金屬污染）等。

檢測(cè)過程：無圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無圖形晶圓表面的缺陷計(jì)數(shù)、識(shí)別缺陷的類型和空間分布。通過將單波長(zhǎng)光束照明到晶圓表面，利用大采集角度的光學(xué)系統(tǒng)，收集在高速移動(dòng)中的晶圓表面上存在的缺陷散射光信號(hào)。通過多維度的光學(xué)模式和多通道的信號(hào)采集，實(shí)時(shí)識(shí)別晶圓表面缺陷、判別缺陷的種類，并報(bào)告缺陷的位置。

圖: 無圖形晶圓缺陷檢測(cè)過程

資料來源：Hitachi High-Tech官網(wǎng)，方正證券研究所

暗場(chǎng)無圖形檢測(cè)：光學(xué)缺陷檢測(cè)中，暗場(chǎng)散射技術(shù)通常用于晶圓等精密元件的表面缺陷檢測(cè)，具有非接觸、非破壞、靈敏度高以及檢測(cè)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，相比于明場(chǎng)檢測(cè)，暗場(chǎng)檢測(cè)檢測(cè)速度更快，更適用于高頻的三維形貌，并能檢測(cè)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)分辨率和光學(xué)尺寸的缺陷，因此尤其適用于無圖形晶圓缺陷檢測(cè)。

圖: 典型暗場(chǎng)散射示意圖和不同缺陷散射示意圖

資料來源：《基于暗場(chǎng)散射的無圖形晶圓表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)研制》，方正證券研究所

最小靈敏度和吞吐量是關(guān)鍵指標(biāo)。最小靈敏度表示設(shè)備能夠檢測(cè)到晶圓表面最小顆粒缺陷的直徑，該指標(biāo)的數(shù)值越小，表明設(shè)備能夠檢測(cè)到晶圓表面更小尺寸的缺陷；吞吐量表示該設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)的晶圓數(shù)量，該指標(biāo)的數(shù)值越大，表明設(shè)備的檢測(cè)速度越快。

3. 量測(cè)檢測(cè)持續(xù)升級(jí)，是前道設(shè)備主賽道之一

2024年全球晶圓廠設(shè)備開支有望恢復(fù)至970億美金。根據(jù)SEMI最新全球半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測(cè)報(bào)告，2023年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2022年創(chuàng)新高的1074億美金同比下降18.6％至874億美金，隨后在2024年恢復(fù)至1000億美元以上的市場(chǎng)規(guī)模。2023年市場(chǎng)規(guī)模的下降主要是芯片需求疲軟及消費(fèi)及移動(dòng)終端產(chǎn)品庫存增加。2024年市場(chǎng)需求的回暖主要得益于半導(dǎo)體庫存修正結(jié)束以及高性能計(jì)算（HPC）和汽車領(lǐng)域半導(dǎo)體需求增長(zhǎng)。

前道設(shè)備仍是行業(yè)主要反彈驅(qū)動(dòng)力。分設(shè)備所處環(huán)節(jié)來看，2023年晶圓廠設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將同比下降18.8%至764億美金，同時(shí)也將是2024年總體設(shè)備市場(chǎng)重返1000億美金最主要的推動(dòng)力，預(yù)計(jì)屆時(shí)晶圓廠設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到878億美金。后道設(shè)備市場(chǎng)方面，由于宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境面臨挑戰(zhàn)，同時(shí)半導(dǎo)體行業(yè)整體需求疲軟，2023年半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)同比下降15%至64億美金（2024年預(yù)計(jì)同比增長(zhǎng)7.9%），封裝設(shè)備預(yù)計(jì)同比下降20.5%至46億美金（2024年預(yù)計(jì)同比增長(zhǎng)16.4%）。

先進(jìn)制程設(shè)備需求較穩(wěn)定，存儲(chǔ)用設(shè)備市場(chǎng)波動(dòng)劇烈。在晶圓制造設(shè)備中，分應(yīng)用領(lǐng)域來看，2023年代工和邏輯廠所用設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)同比下降6%至501億美金，仍然是半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)占比最高的應(yīng)用領(lǐng)域，2023年先進(jìn)制程設(shè)備需求維持平穩(wěn)，成熟節(jié)點(diǎn)的設(shè)備需求略有下降，預(yù)計(jì)2024年這一領(lǐng)域的投資規(guī)模將增長(zhǎng)3%。由于消費(fèi)和企業(yè)市場(chǎng)需求同時(shí)疲軟，2023年DRAM設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)收縮28.8%至88億美金，但隨著市場(chǎng)逐步修復(fù)，SEMI預(yù)計(jì)2024年這一市場(chǎng)將增長(zhǎng)31%至116億美金。2023年NAND設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)將大幅收縮51%至84億美金，同時(shí)2024年亦將同比強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)59%至133億美金。

圖:全球半導(dǎo)體設(shè)備分環(huán)節(jié)市場(chǎng)規(guī)模（億美金）

圖: 全球晶圓制造設(shè)備分應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模（十億美金）

資料來源：SEMI，方正證券研究所

中國大陸引領(lǐng)2024年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)。分地域來看，中國大陸、中國臺(tái)灣省、韓國主導(dǎo)全球設(shè)備市場(chǎng)。其中SEMI預(yù)計(jì)中國大陸將在2024年引領(lǐng)全球市場(chǎng)規(guī)模，同時(shí)我們也看到近年來中國大陸在全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)份額呈上升趨勢(shì)，大陸設(shè)備市場(chǎng)重要性日益提升。

圖: 中國大陸設(shè)備市場(chǎng)重要性日益提升（左軸：十億美金）

資料來源：Wind，方正證券研究所

半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)呈現(xiàn)明顯的周期性，受下游廠商資本開支節(jié)奏變化較為明顯。2017年，存儲(chǔ)廠商的大幅資本開支推動(dòng)半導(dǎo)體設(shè)備迎來巨大需求，且這一勢(shì)頭一直延續(xù)到2018年上半年。但隨后產(chǎn)能過剩致使存儲(chǔ)價(jià)格走低，導(dǎo)致DRAM和NAND廠商紛紛推遲設(shè)備訂單。存儲(chǔ)產(chǎn)能過剩一直持續(xù)到2019年上半年，同時(shí)上半年整體半導(dǎo)體行業(yè)景氣度不佳，雖然下半年隨著行業(yè)景氣度恢復(fù)，以臺(tái)積電為代表的晶圓廠陸續(xù)調(diào)高資本開支大幅擴(kuò)產(chǎn)，2019年全年半導(dǎo)體設(shè)備需求同比仍回落約2%。2020年全球各地先后受疫情影響，但存儲(chǔ)行業(yè)資本支出修復(fù)、先進(jìn)制程投資疊加數(shù)字化、5G帶來的下游各領(lǐng)域強(qiáng)勁需求，全年設(shè)備市場(chǎng)同比增長(zhǎng)19%。伴隨半導(dǎo)體廠商新一輪資本開支開啟，2021年全球設(shè)備市場(chǎng)繼續(xù)大幅增長(zhǎng)44%。當(dāng)前海外設(shè)備龍頭應(yīng)用材料、泛林集團(tuán)等均預(yù)計(jì)2022年全球設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步增長(zhǎng)。

圖: 半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)增速周期性

資料來源：Wind，方正證券研究所

過程控制全球半導(dǎo)體設(shè)備總市場(chǎng)占比約10.5%，持續(xù)有升級(jí)需求。2021年全球過程控制設(shè)備市場(chǎng)空間約104億美元，其中光刻相關(guān)（套刻誤差量測(cè)、掩膜板測(cè)量及檢測(cè)等）相關(guān)需求約28億美元、缺陷檢測(cè)需求約58億美元、膜厚測(cè)量需求約17億美元。過程控制市場(chǎng)中在全球半導(dǎo)體設(shè)備總市場(chǎng)（包括晶圓制造和封裝測(cè)試設(shè)備）占比約10.5%，相對(duì)穩(wěn)定，隨著制程微縮、3D堆疊推進(jìn)，晶圓制造對(duì)于量測(cè)、檢測(cè)需求不斷增加，精度要求也不斷提高，過程控制設(shè)備持續(xù)有升級(jí)需求。

圖: 全球過程控制市場(chǎng)（億美金）

資料來源：VLSI，中科飛測(cè)招股書，Gartner，Wind，方正證券研究所

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