光刻機、刻蝕機對造芯片的重要性已不言而喻，但若沒有質量控制設備，同樣無法造芯。就像醫(yī)療領域的 CT、彩超、生化分析儀等輔助檢測身體狀況的設備一樣，半導體質量控制設備也是給芯片“體檢”的工具，統(tǒng)稱半導體檢測設備。

今年 5 月 19 日，中科飛測科創(chuàng)板上市，其主要業(yè)務便是國產化率只有 2% 的半導體檢測和量測設備 ^[1]，上市首日較發(fā)行價漲 189.62% 的成績，預示著半導體質量控制設備將不再是隱形賽道。

在本文中，你將了解到：半導體質量控制設備概念具體指代什么，半導體質量控制設備國內外整體發(fā)展情況，國產設備商的出路。

付斌丨作者

李拓丨編輯

1、易于混淆的概念

半導體檢測作為半導體質量控制較為廣義的表達方式，業(yè)內指稱較為混亂。嚴格意義上，半導體質量控制分為檢測、量測、測試三種工藝，所指代的技術也有所不同：

• 檢測（Inspection） ：指對晶圓表面或電路的特征性結構缺陷進行檢測，防止影響芯片成品的工藝性能，比如顆粒污染、表面劃傷、開短路等；

• 量測（Metrology）：指對晶圓電路的結構尺寸和材料特性做出量化描述，如薄膜厚度、關鍵尺寸、刻蝕深度、表面形貌等；

• 測試（Test）：指對已制造完成的半導體元件進行性能確認，是一種電性、功能性的檢測。^[2]

對應上述三種工藝的設備，分別稱為半導體檢測設備、半導體量測設備、半導體測試設備。另外，除工藝制程的檢測設備外，設計驗證階段也存在第三方檢測公司進行芯片失效分析，有時也會略稱為檢測，容易混淆。^[3]

質量控制決定著芯片生產的良率，集成電路生產工藝復雜，僅前道制程就存在數(shù)百道工序，量變引發(fā)質變，每道工序的缺陷都會隨時間推移而被放大到數(shù)倍甚至數(shù)十倍，所以只有保證每道工序都不存在缺陷，才能保證最終成品的性能。

換句話說，生產每走一步，就要用半導體質量控制設備查看一次生產情況。根據(jù)生產環(huán)節(jié)不同，半導體質量控制分為前道檢測、中道檢測和后道測試。

• 前道檢測：又稱為過程工藝檢測，面向晶圓制造，檢查光刻、刻蝕、薄膜沉積、清洗、CMP 等晶圓制造環(huán)節(jié)后產品加工參數(shù)是否達到設計要求或存在影響良率缺陷，偏向物理性檢測；

• 中道檢測：一種新興概念，面向先進封裝，以光學等非接觸式手段針對重布線結構、凸點與硅通孔等晶圓制造環(huán)節(jié)的質量控制；

• 后道測試：面向晶圓檢測（CP，Circuit Probing，又稱中測）和成品測試（FT，F(xiàn)inal Test，又稱終測），檢查芯片性能是否符合要求，偏向電性能檢測。^[4]

2、兩種截然不同的現(xiàn)狀

從全球半導體制造設備市場來看，15%~20% 的錢都花在了質量控制設備上。細分市場方面，檢測設備、量測設備、測試設備分別占全球質量控制設備市場的 48%、6%、46%，同時形成了截然不同的前道檢測和后道測試市場。^[5]

難造的檢測和量測設備

幾納米的誤差、尺寸變化、顆粒或圖像錯誤，都會導致芯片無法正常工作，假若前道工藝每道工藝良率損失 0.1%，最終良率就會降低到 36.8%^[7]。檢測和量測設備作為前道檢測兩大設備，能夠有效控制制造過程，提高產量。

• 量測設備：用于測量透明 / 不透明薄膜厚度、膜應力、摻雜濃度、關鍵尺寸、光刻套準精度等指標，對應設備分為橢偏儀、四探針、原子力顯微鏡、CD-SEM、OCD-SEM、薄膜量測等；

• 檢測設備：用于檢測晶圓表面缺陷（包括異物缺陷、氣泡缺陷、顆粒缺陷等），分為明 / 暗場光學圖形圖片缺陷檢測設備、無圖形表面檢測設備、宏觀缺陷檢測設備等。^[2]

檢測和量測設備有三個基礎要點：一是掃描必須覆蓋整個晶圓，同時保證缺陷密度在數(shù)百個工藝步驟后趨近于零；二是掃描速度必須足夠快，否則難以及時反饋制造過程的真實情況，普遍為幾分鐘到一小時之內，要在幾分鐘內檢查整個晶圓，需要大于 10¹⁰ 像素每秒的數(shù)據(jù)速率，現(xiàn)今多數(shù)先進系統(tǒng)常采用并行讀取數(shù)百像素的方式保證傳輸速率；三是檢測和量測系統(tǒng)必須完全自動化，且 24 小時不間斷運行，而預防性維護至少每三個月執(zhí)行一次。^[9]

技術路線上，檢測和量測分為光學檢測、電子束檢測、X 光量測三種，三種技術在靈敏度、吞吐量等參數(shù)上各有所長，實現(xiàn)的應用場景有所差別，同時三種技術均可應用于 28nm 及以下（成熟制程和先進制程分界線）的全部先進制程。

隨著半導體行業(yè)發(fā)展?jié)u深，檢測和量測設備也逐漸跟上步伐，行業(yè)發(fā)展可分為兩個階段。第一階段是對靈敏度和可重復性要求不斷提升，隨之而來的，是監(jiān)控晶圓成本的上升；第二階段是對可靠性和易用性上提出需求，與此同時，芯片制造商對于性價比的追求，壓力不斷回傳至制造商。展望未來，兩種設備擁有以下發(fā)展趨勢：

• 量測設備：薄膜測量已從簡單的單層厚度測量發(fā)展到多層厚度和折射率測量，同時薄膜質量和化學計量已變得和薄膜厚度控制一樣重要，隨著晶圓尺寸增加，行業(yè)對其經濟效益、精度和系統(tǒng)對系統(tǒng)匹配上提出更多要求，未來趨勢是監(jiān)測加工腔內加工參數(shù)，而不是薄膜特性，此外，因分辨率高、速度低、點掃描等特性，而只能活躍在研究領域的電子顯微鏡，也已開始在特定缺陷檢查中應用，如測量光刻膠中線空間陣列的臨界尺寸；^[9]

• 檢測設備：從 300mm 晶圓，再到越來越逼近極限的制程節(jié)點，對檢測系統(tǒng)靈敏度、吞吐量、可重復性和自動化等指標要求早已不同往日，伴隨臨界尺寸逐漸縮小，靈敏度要求只會越來越高，與之相對的是，高靈敏度檢測成本極高，這是行業(yè)不得不面對的現(xiàn)實 ^[10]。未來，新器件結構（GAAFET）、新材料（石墨烯、碳納米管、二硫化鉬等）、新芯片形態(tài)（神經擬態(tài)計算）等都會為檢測設備帶來更多難題，而機器學習、深度學習、亞波長成像技術是潛在的顛覆性技術。^[11]

半導體檢測和量測設備研發(fā)難度高，投入大，但市場空間不如中下游集成電路或芯片那般大，且增速較為平穩(wěn)。數(shù)據(jù)顯示，全球半導體量測設備將從 2021 年的 73 億美元提升至 2031 年的 133 億美元，年復合增長率 6.2%，同時這一領域全球集中度極高，科磊半導體（KLA）、應用材料（Applied Materials）、日立（Hitachi）三家全球市場占比分別為 50.8%、11.5%、8.9%。^[12]

我國半導體檢測與量測設備國產化率極低，2020 年我國半導體檢測和量測設備國產化率約為 2%，科磊半導體、應用材料、日立三家公司分別占據(jù)我國檢測和量測設備市場的 54.8%、9.0%、7.1%。而我國整體市場占全球市場約 27.4%，根據(jù)推算，2023 年我國檢測和量測設備市場規(guī)模能夠達到 326 億元。^[13][14]

專利角度來看，中國非常重視半導體檢測技術，并已展開市場競爭。智慧芽數(shù)據(jù)顯示，以半導體檢測為關鍵詞搜索，在 170 個國家 / 地區(qū)中，共 3210 條專利，總價值 109,148,100 美元。

技術生命周期方面，自 1957 年開始，半導體檢測技術開始被關注。1957 年~1975 年相關專利申請書一直為個位數(shù)，技術關注度并不高。1976 年~2001 年時期，申請量和申請人逐年上升，可視作技術萌芽期。2002 年~2022 年，每年相關專利申請數(shù)量保持在 100~132 個，市場關注度保持穩(wěn)定，綜合各種因素預計，未來兩年專利申請數(shù)將微量增長。

技術來源國 / 地區(qū)方面，日本、中國、美國、韓國、德國位列半導體檢測領域前五，分別占比 39.43%、15.26%、15.22%、8.7%、6.84%。

縱觀五局流向圖，日本與美國的半導檢測技術相關專利出海情況較為良好，而中國則集中在國內，缺乏出海專利。

從半導體檢測領域專利申請人情況來看，科磊、日立專利儲備大幅領先市場其余玩家，東芝、松下、三菱、濱松光子、三星電子、通用電氣、住友重機械、瑞薩、日本電氣、橫河電機等企業(yè)在半導體檢測專利領域也極為活躍。

不過，專利集中度自 2017 年后逐年下降。過去二十年內，2006 年、2010 年、2013 年、2017 年半導體檢測集中度超過了 50%，分別達到 57.5%、51.85%、65.81%、65.38%，而到 2022 年，集中度已下降至 27.97%。

國內方面，開爾文測控、中科飛測、長鑫存儲、翼云電子、聯(lián)訊儀器等國內新進入者在近幾年較為活躍，后續(xù)表現(xiàn)值得關注。

半導體量測專利領域不如檢測領域那樣熱鬧，智慧芽數(shù)據(jù)顯示，在 170 個國家 / 地區(qū)中，共 27 條專利，總價值 2,487,600 (美元)，其中中國包攬了 47.62% 的相關專利，其次是美國（33.33%）、韓國（9.52%）。主要企業(yè)包括科磊、上海精測半導體、汎銓科技、長鑫存儲、思達科技、真芯半導體、中科院微電子所等。

缺乏高端的測試設備

在行業(yè)中，封裝和測試多被劃入一個領域，即封測 (Semiconductor assembly and test manufacturing，ATM) ，工藝流程包括劃片、裝片、 鍵合、塑封、去飛邊、電鍍、打印、切筋和成型、外觀檢查、成品測試、包裝出貨等。^[15]

相對于穿插在每道工序間的檢測和量測設備，測試設備穿插在封裝工藝的一前（晶圓檢測）和一后（成品測試）。

簡單來說，就是在一顆顆芯片從刻好電路的晶圓上切割下來前，測試一遍各種參數(shù)，通過測試后，再像裝香腸一樣，封裝成芯片，之后再測試一遍芯片的性能。

測試設備包括測試機（Tester）、探針臺（Prober）、分選機（Test Handler）三種，無論是晶圓檢測還是成品測試，測試芯片均需先將芯片引腳與測試機功能模塊相連（探針臺和分選機的作用），再通過測試機向芯片輸入信號，并檢測輸出信號。^[16]

三種測試設備中，測試機市場更大，技術壁壘也更高，不止如此，客戶還對測試精度、響應速度、存儲能力、采集分析能力、應用程序定制化、平臺延展性等方面提出越來越高的要求。^[17]

半導體測試設備可分為 3 個發(fā)展階段：1990 年~2000 年，是功能時代，制程工藝集中在 0.8μm~0.13μm，芯片搭載功能越來越多，傳統(tǒng)測試平臺逐漸被淘汰；2000 年~2015 年，是效率時代，隨著工藝從 0.13μm 發(fā)展到 14nm，并行測試需求擴大，4 工位、8 工位測試成為標配；2015 年至今，是新興時代，制程工藝步入 3nm，此時單純的芯片測試只是基礎性功能，trim（微調）等更多復雜性功能成為標配，這些功能可以有效減少設計時間、提高產品良率。^[7]

半導體封測是我國最早轉型的制造環(huán)節(jié)，迄今為止，它已成為我國集成電路產業(yè)鏈中相對成熟的環(huán)節(jié)。早在 2010 年，我國就已在封裝測試環(huán)節(jié)實現(xiàn) 632 億元的銷售額，其產值一度占據(jù)我國集成電路產業(yè)總產值的 70% 以上 [15]。而在 2020 年，我國半導體測試設備市場規(guī)模達到 91.4 億元，并且連續(xù)多年成為全球最大半導體銷售市場。^[18]

雖然看似一片繁榮，但實際核心的測試機國產市占率較低。通過查看 2015 年到現(xiàn)在國內封測廠商長電科技公開招標信息，測試機主要以海外頭部廠商為主。

2019 年，美國泰瑞達（Teradyne)、日本愛德萬（Advantest）兩大龍頭全球合計市占率達到 90%，占據(jù)國內測試設備市場將近 91.2% 的市場份額，此外，美國科休（Cohu）、美國安捷倫（Agilent)、美國科利登（Xcerra）等廠商也長期盤踞位居前幾。反觀國內本土市場，華峰測控占比國內市場份額僅 6.1%，長川科技為 2.4%。^[19]

相比來說，愛德萬、泰瑞達早在 20 世紀 60~70 年代進入半導體測試領域，我國則起步較晚，所以產品線單一，側重于模擬 / 混合測試機，海外廠商則在 SoC 測試機、存儲測試機、模擬 / 混合測試機三大種類均有涉獵。

探針臺方面，Tokyo Electron 和 Accretech 占據(jù)全球 73% 份額，惠特科技（Fittech）、旺矽科技（MPI）兩家中國臺灣企業(yè)占據(jù)剩余市場份額大部分空間。^[19]

專利角度來看，日本建立的專利墻極高，國內也在突破這道墻。智慧芽數(shù)據(jù)顯示，以半導體測試為關鍵詞搜索，在 170 個國家 / 地區(qū)中，共 7057 條專利，總價值 127,781,900 美元。

技術生命周期方面，自 1955 年開始，半導體測試技術開始受到關注。1955 年~1981 年相關專利申請書一直為個位數(shù)。1982 年~1993 年，短短十幾年，專利申請量就已破百。1994 年~2007 年，專利申請數(shù)和申請人逐年上升，市場進入萌芽期，同時 2007 年成為歷史上半導體測試專利申請最多的一年，而此后申請專利開始放緩，直到現(xiàn)在市場開始顯現(xiàn)上升趨勢。2008 至今，市場仍然保持一定量的專利申請數(shù)量，市場進入穩(wěn)定期，且未來兩年呈增長趨勢。

技術來源國 / 地區(qū)方面，日本、中國、美國、韓國、中國臺灣位列半導體測試領域前五，分別占比 49.72%、18.18%、15.31%、13.29%、2.32%。

五局流向圖方面，與半導體檢測領域類似，日本與美國的半導檢測技術相關專利出海情況較為良好，而中國則幾乎沒有出海的專利。

從半導體測試領域專利申請人情況來看，愛德萬專利儲備大幅領先市場其余玩家，橫河電機、三菱、三星、日立、東芝、瑞薩、泰瑞達、富士通、臺積電、日本電氣、中芯國際等企業(yè)在半導體測試專利領域也極為活躍。此外，2004 年~2017 年，半導體測試專利集中度常年保持在 50% 以上，而在 2018 年后至今，專利集中度逐漸至 30% 左右。

國內方面，勝達克、長川科技、華峰測控、精測電子、澤豐半導體、加速科技、木王智能、英鉑科學儀器等國內新進入者在近幾年較為活躍，后續(xù)表現(xiàn)值得關注。

3、設備商需更多關注

國內在前道檢測和后道測試領域均有不同程度發(fā)展，相對來說，后道測試的整體發(fā)展比前道檢測更快一些，但無論是哪一方面，國內均缺乏高端設備。對于現(xiàn)階段發(fā)展，應注意以下幾點：

• 業(yè)界較為統(tǒng)一的觀點是，國產半導體設備自給率低主因在于系統(tǒng)、終端、制造和封測廠商習慣性采購國外大廠產品，造成本土設備難以自證自身實際生產制造能力，這種情況下，產學研與產業(yè)鏈溝通是關鍵；^[20]

• 現(xiàn)階段產業(yè)鏈發(fā)展不平衡已成事實，擺在國產廠商面前的路并不只是追求最低的成本，也需要不斷改善設備的穩(wěn)定性、可靠性、一致性，為了擴大應用，應不斷推動產業(yè)鏈上下游合作聯(lián)動；^[7]

• 我國半導體行業(yè)起步晚，缺乏高技能高創(chuàng)新人才，且人才黏度不足、人才結構不合理，現(xiàn)有人才水平難以支撐行業(yè)發(fā)展需求，國內制造業(yè)發(fā)展大環(huán)境正在逐漸改善，但仍需進一步優(yōu)化人力資源結構；^[19]

• 芯片的制程工藝依然遵循著摩爾定律所規(guī)劃的路線向前發(fā)展，可以說，晶體管密度越大，對相關檢測、量測、測試設備的靈敏度、速度等參數(shù)要求就越高，誰能更快且非破壞性地找出缺陷所在，誰就能夠得到市場青睞，而這種技術的變化也會是國產化的機遇，國產并非沒有機會，此時，國內廠商應發(fā)揮出自身高性價比和優(yōu)質服務的優(yōu)勢，持續(xù)降本增效；

• 中道檢測是伴隨先進封裝所提出，其中也包括了行業(yè)大熱的 Chiplet（芯粒），當芯片越來逼近 1nm 極限，行業(yè)正藉由優(yōu)化其它工藝提升芯片整體性能，這些全新工藝也對檢測、測試設備提出新要求，國內應該抓住這樣的發(fā)展機會。^[7]

雖說困難重重，但實際上情況也沒有想象中那樣差，在地緣政治摩擦加劇之下，更多關注度、資金、技術也開始流向半導體設備廠商，同時在各項政策激勵和基金加持下，這些廠商也將擁有越來越多的試錯機會。

References：

• [1] 科創(chuàng)之道：國產化率只有 2% 的半導體量測設備.2023.5.10.https://mp.weixin.qq.com/s/ZYi1StaVfZcveIv_ZvZz6Q

• [2] 深圳中科飛測科技股份有限公司：首次公開發(fā)行股票并在科創(chuàng)板上市招股意向書.2023.4.27.http://static.sse.com.cn/ disclosure / listedinfo / announcement / c / new / 2023-04-27/688361_20230427_YWP4.pdf

• [3] 華西證券：誰有機會成為中國的科磊？.2020.2.24.https://stock.tianyancha.com/ qmp / report / 2 / fbf158110231d6124162b67ecf6bfccb.pdf

• [4] 武漢精測電子集團股份有限公司：2020 年年度報告.2021.4.http://static.cninfo.com.cn/ finalpage / 2021-04-27/1209811175.PDF

• [5] 廣發(fā)證券：半導體 ATE：國產裝備向中高端進階，細分領域多點開花.2020.5.21.https://data.eastmoney.com/ report / zw_industry.jshtml?infocode=AP202005211380072612

• [6] 未來半導體：測試設備之爭 | 美日測試機巨頭引領創(chuàng)新，國產設備需求巨大.2023.5.6.https://mp.weixin.qq.com/s/4wDOPCVqfELpM62RDjjvWw

• [7] 陳炳欣.全球將新建多座晶圓廠 半導體測試市場迎來黃金時代 [N].中國電子報，2022-02-15 (008)

• [8] 安信證券：半導體測試設備：百億美元國產替代空間，細分領域正在加速突破.2021.6.27.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202106281500490854_1.pdf

• [9] Fielden J. Semiconductor inspection and metrology challenges[C]//2018 31st International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC). IEEE, 2018: 1-2.

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• [11] Orji, N G et al. “Metrology for the next generation of semiconductor devices.” Nature electronics vol. 1 (2018): 10.1038/s41928-018-0150-9. doi:10.1038/s41928-018-0150-9

• [12] Allied Market Research：https://www.alliedmarketresearch.com/semiconductor-metrology-and-inspection-market-A31718

• [13] 平安證券：半導體系統(tǒng)報告（二）半導體設備篇.2021.5.28.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202105281494477002_1.pdf?1622217308000.pdf

• [14] 東吳證券：半導體量 / 檢測設備專題報告：前道設備彈性最大環(huán)節(jié)之一，迎國產替代最佳機遇.2022.12.6.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202212081580922462_1.pdf?1670505704000.pdf

• [15] 姚麗麗，史海波，劉昶.半導體封裝測試生產線排產研究 [J]. 自動化學報，2014, 40 (5): 892-900.

• [16] 周萬成.半導體測試設備選型研究 [D].蘇州大學，2012.

• [17] 北京華峰測控技術股份有限公司：首次公開發(fā)行股票并在科創(chuàng)板上市招股說明書.2019.8.7.http://static.sse.com.cn/ stock / information / c / 201908 / ace0ef4d6d9640ffbe1e2bb3947b26b0.pdf

• [18] 中商情報局：2022 年中國半導體測試設備產品結構及發(fā)展趨勢預測分析（圖）.2022.11.10.https://www.askci.com/ news / chanye / 20221110/1144512017286.shtml

• [19] 彭榮超.晶圓檢測設備產業(yè)的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢研究 [J].中國設備工程，2023,(07):174-176.

• [20] 張倩.關于我國集成電路裝備國產化問題的研究 [J].電子測量技術，2019,42 (02):28-32.

本文來自微信公眾號：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌

總結

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