半导体前道量检测设备市场规模、技术壁垒及国产替代趋势如何？

市场规模达 114 亿美元，美国 KLA 垄断市场。

1.半导体前道量检测设备市场超百亿美元

根据 SEMI 的统计，2020 年全球半导体设备市场规模约 712 亿美元，同比增长 19.2%，其 中前中道晶圆制造设备 613 亿美元，占比 86.1%；后道封装测试设备市场规模约为 98.6亿美元，占比约 14%， 在所有地区均显示强劲增长，其中封装设备 38.5 亿美元，后道测 试设备 60.1 亿美元。 受消费电子、PC 等下游景气度提升和 5G、AI、云计算等新应用拓展，全球半导体需求整体 向好，半导体厂商资本开支进入新一轮上升周期，半导体设备市场规模随之提升，2021 年 全球半导体设备市场销售额达 1,026 亿美元，同比增长 44.1%，其中前道晶圆制造设备 880 亿美元，后道测试设备 78 亿美元，后道封装设备 70 亿美元。 分地区来看，2021 年中国大陆半导体设备市场达 296 亿美元，同比增长 58%，占全球市场 比 29%，第二次成为全球最大半导体设备销售市场，近年来全球半导体产业链呈向中国大陆 转移趋势，中国半导体设备市场国产替代进程明显。

2021 年前道量测设备市场规模 114 亿美元。在前道的晶圆制造设备中，市场投资占比最高 的是薄膜沉积设备和刻蚀设备分别为 28%和 22%，其次是光刻设备占比约为 20%，累计合计 市场规模占比近 70%；除此之外工艺过程量检测设备也是质量监测的关键，占前中道投资比 重约 13%；其他设备占比相对较小。结合此前 SEMI 给出的 2021 年前道晶圆制造设备市场 880 亿美元的数据，按此比例测算，半导体前道量测设备 2021 年市场规模达到 114 亿美元。 从国内来看，如果按照 2021 年半导体设备国内占全球 29%的比例来测算，中国大陆半导体 前道量测设备市场规模为 33 亿美元。

前道量测设备进一步细分为量测设备、缺陷检测设备以及过程控制软件，据 VLSI Research 数据，缺陷检测设备占前道检测设备市场规模比例最大，超一半以上达到 62.6%；量测设备 占前道检测设备的 33.5%；过程控制软件占前道检测设备的 3.9%。 进一步按产品细分，根据智研咨询数据，价值量占比方面膜厚测量占比 12%、OCD-SEM 测量 占比 10%，CD-SEM 占比 11%、套刻误差测量占比 9%；缺陷检测中有图形晶圆检测占比 32%、 无图形晶圆检测占比 5%、电子束检测占比 12%、宏观缺陷检测占比 6%。

2.前道量测技术壁垒高，美国 KLA 垄断市场

前道设备精密复杂、制造难度大，需要企业长时间的投入及技术积淀。量测设备涉及电学、 光学、光声技术等多个技术领域，对设备制造企业的技术研发实力和跨领域技术资源整合 能力有较高要求。国内设备厂商起步晚基础薄，国产设备仍有很大的突破空间。前道设备 种类复杂，细分市场较多；其中膜厚量测技术门槛较低，集中度相对分散，为国内厂商进 入检测设备的突破口。

测试设备具有非标定制化的特点，客户需求多样化。根据性能要求的不同，在外观尺寸测 试、视觉测试等方面存在高度不统一性，所需要的检测设备种类多，是所有半导体检测赛 道中壁垒最高的环节，单机设备的价格比后道测试设备高，且不同功能设备价格差异也较 大。 海外龙头企业垄断全球 80%量测设备市场。根据 SEMI 资料，全球主要赛道由海外厂商主导 并垄断，中高端领域由 KLA-Tencor 占据主要市场，并在大多细分领域具有明显优势。根据 Gartner 数据统计，2021 年全球量测设备市场上，KLA 市占率 51%，应用材料市占率 12%， 日立科技市占率 9%，行业前五大公司合计市场份额占比超过了 80%，全球市场高度集中。 国内市场国产化率较低， 2020 年我国半导体量测检测设备国产化率约为 2%，市场主要由几 家垄断全球市场的国外企业占据主导地位。

3.量检测设备国产替代持续推进，潜力巨大

国内量测设备厂家主要为中科飞测、上海睿励、上海精测、东方晶源、埃芯半导体、优睿 谱等，其部分产品已进入一线产线验证，推动量测设备国产化发展。 上海睿励：主要聚焦于薄膜测量和尺寸光学检测设备，已成功进入三星和长江存储生产线， 新研制的缺陷检测设备也已进入下游客户厂家。 上海精测：在膜厚产品（含集成式膜厚产品）、电子束、OCD 量测等设备产品和相关技术通 过自主研发均实现了技术突破，获得了国内一线客户的批量订单或验证通过。 中科飞测：公司在无图形晶圆缺陷检测设备、图形晶圆缺陷检测设备、三维形貌量测设备 系列具备较强竞争力，并获得了中芯国际、长电科技、长江存储等国内龙头客户订单，填 补了国内量测设备市场的关键空缺领域。 东方晶源：公司目前已实现国内首台套 EBI 设备在客户主流制程的验证，并完成了国内首 台 CD-SEM 的研发。 赛腾股份：公司通过收购 Optima 进入高端半导体检测设备赛道，涉足硅片端和晶圆加工检 测。

目前公司完整收购后，主要检测产品有光学晶圆缺陷检测设备、宏观检测设备、封测 自动端设备等，客户涵盖各国一线大厂，包括新晟、中环等客户。 埃芯半导体：公司产品涵盖光学薄膜量测、光学关键尺寸量测、X 射线薄膜量测、X 射线材 料性能量测、X 射线成分及表面污染量测等系列产品及解决方案。 南京中安：公司已量产具有国际领先水平的晶圆几何形貌量测设备，能够提供晶圆制造过 程中所需要的应力、翘曲度等重要参数。 御微半导体：公司已经形成了掩模版检测、晶圆检测、泛半导体检测、晶圆测量等 4 大领域 6 大类量检测产品。2022 年 5 月，公司首台半导体晶圆检测设备顺利发往长鑫存储，并且半 导体晶圆缺陷检测设备 i12-F200 首次发往北京中芯京城。2022 年 7 月，公司首台全自动掩 模缺陷检测设备 i6R-300 顺利发运国内集成电路先进制程生产线。

优睿谱：2022 年 6 月，公司首台半导体专用 FTIR(傅立叶变换红外光谱)测量设备 Eos200 正 式交付客户，也是国内首家率先实现 FTIR 设备交付的半导体量测设备公司，可用于测量一 代半导体（硅外延片）、二代半导体（砷化镓、磷化铟衬底外延）、三代半导体（碳化硅、 氮化镓外延片）、分子束外延（MBE）等的外延层厚度、光刻胶厚度及 CMP 抛光后的厚度， 以及测定半导体制程各种元素浓度。

上海睿励：公司于 2005 年注册成立，致力深耕于半导体量测领域。主营产品为光学膜厚测 量设备和光学缺陷检测设备，以及硅片厚度及翘曲测量设备等。其自主研发的 12 英寸光学 测量设备 TFX3000 系列产品，已应用在 28 纳米芯片生产线并在进行 14 纳米工艺验证，在 3D存储芯片上能够支持完成 64 层芯片生产能力。产品目前已成功进入世界领先芯片客户 3D 闪 存芯片生产线，是目前进入该国际领先芯片生产企业唯一的国产集成电路设备产品。 2021 年 4 月，睿励首台自主研发的高精度光学缺陷检测设备（WSD200）装箱出货。2021 年 6 月，公司自主研发的第三代光学膜厚测量设备 TFX4000i 交付，TFX4000i 延续使用了与 TFX3000P 相同的主框架及软件架构，在保持二代产品的优良测量性能和可靠性的同时新增 了反射测量模块和深紫外测量模块，由此涵盖了更广泛的工艺段应用，可以适用于 5nm 的前 后道工艺、10 nm 级 DRAM，3D NAND 等制造生产线。2021 年，公司累计出货 TFX3000 和 TFX4000 系列设备 30 余台，并于一季度获得中微公司增资 1 亿元，推动布局工艺检测设备。

海精测：上海精测成立于 2018 年 7 月，主要聚焦半导体前道检测设备领域，产品覆盖领 域较为齐全，检测领域覆盖了电子束检测及缺陷复查设备，量测领域以椭圆偏振技术为核 心开发了适用于半导体工业应用的膜厚量测以及光学关键尺寸量测系统，已经取得长江存 储、广州粤芯等国内半导体客户的批量重复订单；电子显微镜相关设备已完成首台套的交 付。 半导体电子束检测设备顺利交付。2020 年 12 月 23 日，上海精测半导体技术有限公司宣布 推出首款半导体电子束检测设备：eViewTM 全自动晶圆缺陷复查设备，并于当日正式交付国 内客户，助力半导体产业国产化。该设备采用了自主开发的扫描电子显微镜技术，具有超 高的的分辨率，满足 10x nm 集成电路工艺制程的需求。 国内首台 OCD 设备完成出机。2021 年 7 月 13 日，上海精测半导体技术有限公司实现国内首 台 12 寸独立式光学线宽测量设备（OCD）与国内唯一 12 寸全自动电子束晶圆缺陷复查设备 （Review SEM）顺利出机。12 寸独立式光学线宽测量机台(OCD)是该类型的国内首台机台， 主要用于 45nm 以下、特别是 28nm 平面 CMOS 工艺的量测，并可以延伸支持上述先进工艺节 点的快速线宽测量。EPROFILE 300FD 测量系统拥有完全自主知识产权，包括宽谱全穆勒椭 偏测头、对焦对位系统、系统软件等核心零部件均为自主研发，是真正意义上的高端国产 化机台。

中科飞测：深圳中科飞测科技股份有限公司是与中科院微电子研究所达成深入合作、国内 唯一一家自主研发先进封装检测设备和光学三维尺度量测设备的企业，代表性的产品和服 务有： 三维封装量测系统 SKYVERSE-900，表面缺陷检测系统 SPRUCE 系列以及智能视觉检 测系统 BIRCH 系列等。目前也是唯一一家在 Metrology(量测)和 Inspection(缺陷检测)两 大领域均在国内 TOP 的芯片厂商取得批量订单并安装使用的半导体光学检测设备供应商，在 半导体与显示业界检测技术综合实力全国领先。 公司多年深耕技术领域布局，形成多系列具有自主知识产权的核心技术体系，并在量测、 检测产品和服务上的多线布局，主要设备包括：三维封装量测系统 SKYVERSE-900，表面缺 陷检测系统 SPRUCE 系列以及智能视觉检测系统 BIRCH 系列等。中科飞测经过数年技术累 计与研发，相关核心技术在国内处于领先地位，并实现与产业的深度融合应用， 相关设备 已与国际竞品整体性能相当，可以在相关知名晶圆制造厂商的产线上实现无差别应用，助 推检测设备国产化进程。

半导体设备技术的先进性和稳定性对产品的质量和生产效率起着重要作用，是下游客户选 择的关键条件。公司多年在深耕半导体质量控制领域，进行持续研发创新，在灵敏度/重复 性精度、吞吐量、功能性等不同维度技术上实现了多维度的创新：

在灵敏度方面，公司实现了无图形晶圆缺陷检测设备系列最小灵敏度 23nm 缺陷尺度的 检测，图形晶圆缺陷检测设备系列最小灵敏度 0.5μm 缺陷尺度的检测，三维形貌量测 设备系列和薄膜膜厚量测设备系列重复性精度的显著提高，分别达到 0.1nm 和 0.003nm。 公司技术实现了晶圆表面的纳米量级微小凹坑深度等不同重要尺度的高精度测量。

在吞吐量方面，无图形晶圆缺陷检测设备系列实现了灵敏度 102nm 下 100wph 的吞吐量、 灵敏度 26nm 下 25wph 的吞吐量；图形晶圆缺陷检测设备系列实现了灵敏度 3μm 下 80wph 的吞吐量。公司技术实现了设备高灵敏度下的高吞吐量。

在功能性方面，实现了对晶圆正面、背面和边缘的缺陷分布检测，能够满足客户对晶 圆全维度的缺陷检测，可以在制程工艺的早期就及时发现 3D NAND 多层 Bonding 工艺 （边缘）和 CMP 工艺（背面）中的缺陷，从而提高晶圆制造的良率。 公司将技术创新在质量控制设备相关产品中进行平台化运用，进一步提升了公司整体的技 术和产品优势，在国内主要集成电路制造厂商获得验证并取得批量订单，在国内市场上打 破了国外厂商的垄断，其设备近年来陆续进入中芯国际、长江存储、士兰集科、长电科技、 华天科技、通富微电等集成电路前道制程及先进封装知名客户，在精密加工领域，亦进入 了蓝思科技等知名厂商。

东方晶源：东方晶源微电子科技（北京）有限公司成立于 2014 年，，是一家专注于集成电路 良率管理的企业。公司现主要产品为纳米级电子束缺陷检测装备（EBI）和关键尺寸量测装 备（CD-SEM）、计算光刻产品（OPC）以及微电子设计与制造智能良率优化平台（HPOTM）。 目前公司成功研发出国内首台电子束缺陷检测设备 SEpA-i505，可提供完整的纳米级缺陷检 测和分析解决方案，并已通过我国头部芯片制造厂商产线验证，主要指标与国外一线对标 机台达到同等水平。同时在 CD-SEM 领域，实现国内首台关键尺寸量测设备的研制，并于 2021 年斩获订单并出机交付中芯国际，公司产品均为自主研发且处于国内领先水平，有效 解决国内集成电路产业多个难点，为目前 EBI 与 CD-SEM 领域填补关键技术空缺。 此外，公司旗下首台 12 英寸关键尺寸量测设备 CD-SEM 于 2021 年 6 月进入产线验证，目前 完成成熟制程量产验证；首台 8 英寸 CD-SEM 于今年 3 月进入产线验证，目前已经进入客户 产线小规模试产。并致力于DR-SEM设备研发，其工程机（Alpha机）通过首轮wafer demo， 可以满足 28nm 及以上的制程需求，Beta 机已拿到客户订单，进入产线验证指日可待。

根据数据显示，2020 年我国半导体量测检测设备国产化率约为 2%，设备市场国产化率较低， 与海外市场相比仍具备很大的发展空间。根据公开招投标信息统计，截止 2021 年长江存储 项目累计中标过程控制类设备约 350 台，其中中科飞测、精测半导体、睿励科学仪器分别中 标 7 台、6 台、2 台，中科飞测中标设备主要为光学表面三维形貌量测设备，精测半导体中 标设备主要为膜厚光学关键尺寸量测仪，睿励科学仪器中标设备为介质薄膜测量系统。 目前，国内半导体市场步入高速增长期，国产化需求紧迫，本土企业加速替代进程，精测 及睿励在集成式膜厚关键尺寸量测领域已获得重复订单，中科飞测在三维形貌量测设备领 域及晶圆表面凹陷检测系统已获取该品类全部订单，有望在量检测领域加速实现国产替代， 缩短与国外厂商差距。