半导体量/检测设备销量、种类及驱动因素分析

半导体制造端“标尺”把关良率，全球百亿美元市场空间广阔。

1、半导体量/检测设备贯穿制造全流程，前道占比 11%，全球百亿美元市场

半导体过程控制（量/检测）设备为集成电路生产过程中的核心设备之一，是保证芯片生 产良品率的关键。集成电路制造过程的步骤繁多，工艺极其复杂，仅在集成电路前道制程 中就有数百道工序。随着集成电路工艺节点的提高，制造工艺的步骤将不断增加，工艺中 产生的致命缺陷数量也会随之增加，因此每一道工序的良品率都要保持在几乎“零缺陷” 的极高水平才能保证最终芯片的良品率。量/检测设备主要用在晶圆制造和先进封装等环 节，主要以光学和电子束等非接触式手段，针对光刻、刻蚀、薄膜沉积、清洗、CMP、重 布线结构、凸点与硅通孔等环节进行检测。 根据 SEMI 报告，2022 年全球半导体设备销售额 1077 亿美元，同比增长 5%，中国大陆销 售额 283 亿美元，同比下滑 5%。其中全球前道晶圆制造设备占设备总市场约 85-87%，SEMI 预计前道晶圆制造设备销售额 2023 年下滑 22%至 760 亿美元，2024 年恢复性增长 21%至 920 亿美元。量/测设备在半导体前道制造设备价值量中占比约为 11%，是仅次于薄膜沉积、 光刻和刻蚀的第四大核心设备，其价值量显著高于清洗、涂胶显影、CMP 等细分领域设备。 量/测设备在半导体制造设备中占比较为稳定，根据 SEMI，2022 年全球量/检测设备市场 规模约 108 亿美元，中国大陆市场规模约为 32 亿美元。

从工艺上看，量/检测设备为检测（Inspection）和量测（Metrology）两大环节。根据 VLSI Research，市场份额分别占比 63%、34%。 检测指在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划 伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷； 量测指对被观测的晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、 关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测。

从技术原理上看，检测和量测包括光学检测技术、电子束检测技术和 X 光量测技术等， 根据 VLSI Research、QY Research 统计市场份额占比分别为 75.2%、18.7%、2.2%。 光学检测技术基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得检测结果，光学检测 技术对晶圆的非接触检测模式使其具有对晶圆本身的破坏性极小的优势；通过对晶圆 进行批量、快速的检测，能够满足晶圆制造商对吞吐能力的要求。在生产过程中，晶 圆表面杂质颗粒、图案缺陷等问题的检测和晶圆薄膜厚度、关键尺寸、套刻精度、表 面形貌的测量均需用到光学检测技术。 电子束检测技术通过聚焦电子束扫描样片表面产生样品图像以获得检测结果，通常用 于部分线下抽样测量部分关键区域。精度比光学检测技术更高，但速度相对较慢，适 用于部分晶圆的部分区域的抽检应用。X光量测技术基于X光的穿透力强及无损伤特性进行特定场景的测量，具有穿透性强， 无损伤的特点，在特定应用场景的检测具有优势，可以检测特定金属成分等。

2、量/检测设备细分种类众多

根据 VLSI Research 划分，全球量/检测设备共包含检测 6 类、量测 8 类共计 14 小类，是 半导体设备中细分种类最多的设备。不同的细分设备技术原理不尽相同，市场份额占比差 距大。检测设备主要以光学检测为主，包括图形晶圆检测、无图形晶圆检测、掩膜版缺陷 检测等设备。市场份额占比由高到低的为（纳米）图形晶圆缺陷检测、掩膜版缺陷检测、 无图形晶圆缺陷检测、电子束缺陷检测（复查）设备。量测设备同样使用光学、电子束和 X 光等检测手段，市场份额占比由高到低为关键尺寸量测（光学&电子束）、套刻精度量 测、薄膜量测（介质&金属）、X 光量测和三维形貌量测等。从半导体主要工艺环节看， 光刻、刻蚀、离子注入、CMP 等环节对量检、检测设备需求量较大。

量/检测设备的核心技术涉及光学检测技术、大数据检测算法及自动化控制软件等方面， 涵盖运动控制、光学、电气、精密加工、人工智能等多个学科，包括：激光、DUV/UV，可 见光，电子束，x 射线光学、高速数据处理， 高性能计算、人工智能算法, 机器学习, 机 器视觉，计算物理学，成像技术、精确的运动控制，机器人、宽带等离子体等。

3、下游产能扩张+工艺节点推进驱动量/检测行业持续发展

根据 SEMI《300mm 晶圆厂展望报告-至 2026 年》，预计 2023 年全球今年 300mm 晶圆厂设 备支出预计将下降 18%至 740 亿美元，2024 年将增长 12%至 820 亿美元，2025 年增长 24% 至 1019 亿美元，2026 年增长 17%至 1188 亿美元。对高性能计算、汽车应用的强劲需求和 对存储器需求的提升将推动支出增长。

主流半导体制程正从 28nm、14nm 向 10nm、7nm 发展，部分先进半导体制造厂商已实现 5nm 工艺的量产并开始 3nm 工艺的研发，三维 FinFET 晶体管、3D NAND 等新技术亦逐渐成为目前行业内主流技术。随着工艺不断进步，产品制程步骤越来越多，微观结构逐渐复杂， 生产成本呈指数级提升。为了获取尽量高的晶圆良品率，必须严格控制晶圆之间、同一晶 圆上的工艺一致性，因此对集成电路生产过程中的量/检测需求将越来越大。未来检测和 量测设备需在灵敏度、准确性、稳定性、吞吐量等指标上进一步提升，保证每道工艺均落 在容许的工艺窗口内，保证整条生产线平稳连续的运行。

所有芯片制造阶段都需要过程控制，过程控制的目的是为了提升良率和产能，研发和量产 的挑战主要体现在精确度和速度上。量/检测设备技术进步方向： 1）更高的光学检测空间分辨精度。目前先进的检测和量测设备所使用的光源波长已包含 DUV 波段，能够稳定地检测到小于 14nm 的晶圆缺陷，能够实现 0.003nm 的膜厚测量重 复性。检测系统光源波长下限进一步减小和波长范围进一步拓宽是光学检测技术发展的重 要趋势之一。提高光学系统的数值孔径也是提升光学分辨率的另一个突破方向，以图形晶 圆缺陷检测设备为例，光学系统的最大数值孔径已达到 0.95，探测器每个像元对应的晶 圆表面的物方平面尺寸最小已小于 30nm。为满足更小关键尺寸的晶圆上的缺陷检测，必 须使用更短波长的光源，以及使用更大数值孔径的光学系统，才能进一步提高光学分辨率。 2）提升检测速度和吞吐量。半导体量/检测设备是晶圆厂的主要投资支出之一，设备的性 价比是其选购时的重要考虑因素。量/检测设备检测速度和吞吐量的提升将有效降低集成 电路制造厂商的平均晶圆检测成本，从而实现降本增效。因此，检测速度和吞吐量更高的 检测和量测设备可帮助下游客户更好地控制企业成本，提高良品率。 3）大数据检测算法和软件重要性凸显。结合深度的图像信号处理软件和算法，在有限的 信噪比图像中寻找微弱的异常信号。晶圆检测和量测的算法专业性很强，检测和量测设备 对于检测速度和精度要求非常高，且设备从研发到产业化的周期较长。因此，目前市场上 没有可以直接使用的软件，企业均在自己的检测和量测设备上自行研制开发算法和软件， 未来对检测和量测设备相关算法软件的要求会越来越高。