半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)科普（基礎(chǔ)篇）

1. 行業(yè)趨勢：半導(dǎo)體周期拐點，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)動源于技術(shù)發(fā)展

2022年全球半導(dǎo)體行業(yè)市場規(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“M”形波動，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)計迎來下行周期拐點。2024年，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)芯片將進(jìn)入庫存拐點，另一方面AIGC對算力需求的大幅提升，將帶動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，浙商證券研究所

2012-2022年全球及中國半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模年復(fù)合增長率分別達(dá)11%、27%，中國市場增速快于全球。中國大陸是全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備市場。2022年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場為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。

圖：中國在全球設(shè)備市場占比從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

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

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

芯片制程縮小，帶動設(shè)備資本開支提升，驅(qū)動半導(dǎo)體設(shè)備市場規(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個月到24個月會增加一倍。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2022年全球半導(dǎo)體資本開支1817億美元，同比增長19%。內(nèi)存市場疲軟及美國對華制裁下，2023年全球半導(dǎo)體設(shè)備資本開支預(yù)計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年一個周期。2023年處于行業(yè)周期底部，預(yù)計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，約3年一個周期

資料來源：IC insights，麥肯錫，浙商證券研究所

2. 過程控制：量測、檢測是半導(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)行尺寸測量、缺陷檢測等，用于工藝控制、良率管理，要求快速、準(zhǔn)確。尺寸測量、缺陷檢測等應(yīng)用于每道制程工藝之后。IC量測設(shè)備用于工藝控制、良率管理，檢測要求快速、準(zhǔn)確、非破壞。IC量測在發(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，面對諸如存儲、CIS、化合物半導(dǎo)體等不同半導(dǎo)體檢測等多種需求不斷升級。IC量測設(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，并聯(lián)合多種測量手段和機(jī)器學(xué)習(xí)實現(xiàn)混合測量等。

過程控制設(shè)備包括應(yīng)用于工藝過程中的測量類設(shè)備（Metrology）和缺陷（含顆粒）檢查類設(shè)備（Inspection）。芯片生產(chǎn)過程中，在線工藝檢測設(shè)備要對經(jīng)過不同工藝后的晶圓進(jìn)行無損的定量測量和檢查，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，同時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷并對其進(jìn)行分類，剔除不合格的晶圓，避免后續(xù)工藝?yán)速M。工藝檢測設(shè)備的另一個作用是協(xié)助工藝開發(fā)和試生產(chǎn)時優(yōu)化設(shè)備運行參數(shù)和光掩模的設(shè)計，優(yōu)化整個工藝流程，縮短開發(fā)時間，提升成品率并實現(xiàn)量產(chǎn)。

半導(dǎo)體量測Metrology主要包括：

1）套刻對準(zhǔn)的偏差測量；

2）薄膜材料的厚度測量；

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，四點探針測電阻RS，XPS測注入含量等，AFM（原子力顯微鏡）/Metal plus（超聲波）測臺階高度（Step Height）等。

半導(dǎo)體檢測Inspection主要包括：

1）無圖形缺陷檢測，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，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，包括顆粒等；

4）缺陷復(fù)檢，針對檢測掃出的缺陷（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)體量測與檢測分類

資料來源：中科飛測招股書，方正證券研究所

中道檢測面向先進(jìn)封裝環(huán)節(jié)，主要是芯片倒裝（Flip-Chip）、圓片級封裝（Wafer-LevelPackage）和硅通孔（ThroughSilicon Via，TSV）等先進(jìn)工藝要求對凸點（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量。后道測試則主要是利用電學(xué)對芯片進(jìn)行功能和電參數(shù)測試，主要包括晶圓測試和成品測試兩個環(huán)節(jié)。

圖: 過程控制（檢測、測量）和ATE（測試）2021年市場空間

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

圖: 檢測缺陷&量測尺寸

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，因此對檢測設(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)檢測技術(shù)、電子束檢測技術(shù)和X 光量測技術(shù)特征比較

資料來源：中科飛測招股書，方正證券研究所

應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)的設(shè)備可以相對較好的實現(xiàn)有高精度和高速度的均衡，并能夠滿足其他技術(shù)所不能實現(xiàn)的功能，如三維形貌測量、光刻套刻測量和多層膜厚測量等應(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)體檢測和量測設(shè)備市場中，光學(xué)檢測技術(shù)、電子束檢測技術(shù)及X光量測技術(shù)的設(shè)備市場份額占比分別為75.2%、18.7%及2.2%。

圖: 2021年過程控制分類及市場規(guī)模（億美元）

資料來源：Gartner，方正證券研究所

2.1量測

套刻精度測量設(shè)備：用于測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量，測量速度較慢。

套刻精度測量的對象是套刻目標(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: 套刻誤差測量

圖: 常用的套刻誤差測量目標(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測量技術(shù)，可測量多種套刻目標(biāo)圖形；YieldStar使用DBO測量技術(shù)；Hitachi的CD-SEM CV系列使用高壓加速掃描電子顯微鏡（SEM-OL）。

薄膜厚度測量：晶圓在進(jìn)行多次各種材質(zhì)的薄膜沉積后，需要對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)計要求。測量薄膜厚度的方法很多，傳統(tǒng)的方法主要是通過臺階儀直接測量，但是這種方法對薄膜本身破壞較大，同時測量結(jié)果受儀器精度的影響較大，因此精確測量成本較高。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，并且能同時測量薄膜的光學(xué)參數(shù)。

圖: 薄膜測量方法

資料來源：《基于橢圓偏振法的薄膜厚度測量》，方正證券研究所

四探針法（4PP）是指用四個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測量電壓降，基于所測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，一般通過軟件計算得出。渦流法（EC）是指通過線圈的時變電流在導(dǎo)電層中產(chǎn)生時變的渦流。這些時變的渦流反過來產(chǎn)生一個磁場，改變驅(qū)動線圈的阻抗，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)測量薄膜膜厚產(chǎn)品主要有科磊的Filmetrics R50系列，光學(xué)測量薄膜膜厚產(chǎn)品主要有包括科磊的Aleris系列和SpectraFilm系列。國內(nèi)光學(xué)測量薄膜膜厚產(chǎn)品有上海精測的EFILM系列。

關(guān)鍵尺寸測量設(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量技術(shù)，光學(xué)散射儀又稱為光學(xué)關(guān)鍵尺寸測量儀（OCD），其原理是通過測量樣品的散射信息，求解逆散射問題來重構(gòu)待測樣品的三維形貌。

圖: 光學(xué)散射測量基本流程

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

OCD測量的基本流程主要包括正問題和反問題兩個重要步驟，正問題是通過一定的散射測量裝置獲得待測樣品結(jié)構(gòu)的散射信息，需要解決的是儀器測量問題，反問題是需要從測量得到的散射數(shù)據(jù)中提取待測樣品的三維形貌參數(shù)，需要解決的是構(gòu)建光與待測樣品結(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。

測量儀器：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)點在于由于采用單一波長，在數(shù)據(jù)分析時不需要對樣品材料的介電函數(shù)進(jìn)行假設(shè)；此外可以相對容易擴(kuò)展到較短的波長范圍，如EUV和X射線。其劣勢在于其中包含移動組件，限制了測量速度。光譜散射儀的優(yōu)勢在于測量速度非?？?，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，相對于角分辨散射儀，可以獲得更多的測量信息。其劣勢在于，為了精確測量，尤其是在橢偏散射測量中，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)。實際使用中，為了提高測量靈敏度，通常將兩種散射測量方式相結(jié)合。

圖: 不同光學(xué)散射測量裝置示意圖注：(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)測量檢測技術(shù)：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢》，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)散射測量中，從散射測量數(shù)據(jù)中提取出待測樣品三維形貌參數(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，然后將測量數(shù)據(jù)跟仿真數(shù)據(jù)比較，得到最佳匹配測試數(shù)據(jù)的仿真數(shù)據(jù)所對應(yīng)的待測參數(shù)值。非線性回歸法是不斷調(diào)整輸入?yún)?shù)，使得測量數(shù)據(jù)與正向散射模型計算出來的仿真數(shù)據(jù)差異降至允許范圍內(nèi)。庫匹配法的優(yōu)勢在于可以快速提取待測參數(shù)，但是需要事先建立并存儲龐大的仿真數(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算仿真數(shù)據(jù)，因此非常耗時。

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）是具有自動定位并測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)專題報告15敬請關(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。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，再利用不同的信號探測器接受物理信號轉(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)用實例》，方正證券研究所資料來源：鑠思百檢測，方正證券研究所

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

圖: SEM圖像

圖: 將SEM圖像做成Line Profile計算出測定值

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

2.2檢測

圖形晶圓缺陷檢測：光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備是通過高精度光學(xué)檢測技術(shù)，對晶圓上的缺陷和污染進(jìn)行檢測和識別，向晶圓廠提供不同生產(chǎn)節(jié)點中晶圓的產(chǎn)品質(zhì)量問題，并確認(rèn)工藝設(shè)備的運行情況是否正常，從而提高良率，節(jié)約成本。光學(xué)檢測技術(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高功率的激光照明，以高分辨率大成像視野的光學(xué)明場或暗場的成像方法，獲取晶圓表面電路的圖案圖像，實時地進(jìn)行電路圖案的對準(zhǔn)、降噪和分析，以及缺陷的識別和分類，實現(xiàn)晶圓表面圖形缺陷的捕捉。

光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備分為明場和暗場兩大類別，兩者的主要區(qū)別是：明場設(shè)備是收集晶圓表面垂直反射的光信號來分析缺陷，而暗場設(shè)備是收集晶圓表面散射回來的光信號來分析。如果晶圓表面是平整沒有缺陷的，則明場設(shè)備反射回來的光是相對比較完整的入射光，而暗場設(shè)備的入射光則被全反射,其接收到的是散射光信號。

隨著設(shè)備行業(yè)不斷發(fā)展，明場與暗場的定義也在變化，現(xiàn)在明場一般指的照明光路和采集光路在臨近晶圓段共用同一個顯微物鏡，而暗場指照明光路和采集光路在物理空間上是完全分離的。因為垂直反射和散射光信號的差別，明場設(shè)備的檢測靈敏度比暗場設(shè)備的高，但明場設(shè)備掃描速度也較慢。

圖表23:明場和暗場光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備

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

明場光學(xué)圖形圓片缺陷檢測設(shè)備發(fā)展趨勢：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。光源波長范圍為180~650nm，光學(xué)系統(tǒng)以透鏡為主，為了在寬光譜波長范圍中達(dá)到更好的光學(xué)分辨率，會加入多層反射鏡片降低色差。針對不同類型的晶圓，明場光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測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設(shè)備。隨著半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步和先進(jìn)工藝對缺陷容忍度降低，與普通光學(xué)明場和暗場晶圓缺陷檢測設(shè)備相比，電子束圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備對圖形的物理缺陷（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隱藏缺陷的能力。由于具有可以通過電壓襯度成像檢測到光學(xué)顯微鏡下不可見的缺陷等優(yōu)勢，逐步發(fā)揮越來越大的作用，成為光學(xué)檢測設(shè)備的有力補(bǔ)充。

電子束圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備是一種利用掃描電子顯微鏡在前道工序中對集成電路晶圓上的刻蝕圖形直接進(jìn)行缺陷檢測的工藝檢測設(shè)備。其核心是掃描電子顯微鏡，通過聚焦電子束對晶圓表面進(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)換成對應(yīng)的晶圓表面形貌的灰度圖像。通過比對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)計圖形的直接比對，可以找出刻蝕或設(shè)計上的缺陷。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、高速的樣品運動定位能力以及在低入射電壓下的圖像質(zhì)量。

與光學(xué)缺陷檢測設(shè)備相比，雖然電子束檢測設(shè)備在性能上占優(yōu)，但因逐點掃描的方式導(dǎo)致其檢測速度太慢，不能滿足晶圓廠對吞吐能力的需求，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。當(dāng)前市場上的主流供應(yīng)商是ASML（收購漢民微測科技）和應(yīng)用材料。

無圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備：其作用是檢測裸晶圓缺陷，為后續(xù)圖形化檢測打下基礎(chǔ)。無圖形晶圓表面檢測系統(tǒng)能夠檢測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、工藝控制、晶圓背面污染檢測、設(shè)備潔凈度監(jiān)測等；

（2）硅片制造：主要包括工藝研發(fā)中的缺陷檢測、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、設(shè)備的工藝品質(zhì)評估（顆粒、金屬污染）等。

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

圖: 無圖形晶圓缺陷檢測過程

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

暗場無圖形檢測：光學(xué)缺陷檢測中，暗場散射技術(shù)通常用于晶圓等精密元件的表面缺陷檢測，具有非接觸、非破壞、靈敏度高以及檢測速度快等諸多優(yōu)點。同時，相比于明場檢測，暗場檢測檢測速度更快，更適用于高頻的三維形貌，并能檢測遠(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。

圖: 典型暗場散射示意圖和不同缺陷散射示意圖

資料來源：《基于暗場散射的無圖形晶圓表面缺陷檢測系統(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)備能夠檢測到晶圓表面更小尺寸的缺陷；吞吐量表示該設(shè)備單位時間內(nèi)完成檢測的晶圓數(shù)量，該指標(biāo)的數(shù)值越大，表明設(shè)備的檢測速度越快。

3. 量測檢測持續(xù)升級，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)測報告，2023年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售市場規(guī)模預(yù)計將從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規(guī)模。2023年市場規(guī)模的下降主要是芯片需求疲軟及消費及移動終端產(chǎn)品庫存增加。2024年市場需求的回暖主要得益于半導(dǎo)體庫存修正結(jié)束以及高性能計算（HPC）和汽車領(lǐng)域半導(dǎo)體需求增長。

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

先進(jìn)制程設(shè)備需求較穩(wěn)定，存儲用設(shè)備市場波動劇烈。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)備市場預(yù)計同比下降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)點的設(shè)備需求略有下降，預(yù)計2024年這一領(lǐng)域的投資規(guī)模將增長3%。由于消費和企業(yè)市場需求同時疲軟，2023年DRAM設(shè)備市場預(yù)計收縮28.8%至88億美金，但隨著市場逐步修復(fù)，SEMI預(yù)計2024年這一市場將增長31%至116億美金。2023年NAND設(shè)備市場預(yù)計將大幅收縮51%至84億美金，同時2024年亦將同比強(qiáng)勢增長59%至133億美金。

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

圖: 全球晶圓制造設(shè)備分應(yīng)用市場規(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。分地域來看，中國大陸、中國臺灣省、韓國主導(dǎo)全球設(shè)備市場。其中SEMI預(yù)計中國大陸將在2024年引領(lǐng)全球市場規(guī)模，同時我們也看到近年來中國大陸在全球半導(dǎo)體設(shè)備市場份額呈上升趨勢，大陸設(shè)備市場重要性日益提升。

圖: 中國大陸設(shè)備市場重要性日益提升（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，存儲廠商的大幅資本開支推動半導(dǎo)體設(shè)備迎來巨大需求，且這一勢頭一直延續(xù)到2018年上半年。但隨后產(chǎn)能過剩致使存儲價格走低，導(dǎo)致DRAM和NAND廠商紛紛推遲設(shè)備訂單。存儲產(chǎn)能過剩一直持續(xù)到2019年上半年，同時上半年整體半導(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)備市場同比增長19%。伴隨半導(dǎo)體廠商新一輪資本開支開啟，2021年全球設(shè)備市場繼續(xù)大幅增長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2022年全球設(shè)備市場規(guī)模將進(jìn)一步增長。

圖: 半導(dǎo)體設(shè)備市場增速周期性

資料來源：Wind，方正證券研究所

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

圖: 全球過程控制市場（億美金）

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

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