量检测设备市场规模、行业壁垒及竞争格局如何？

量检测设备国产化率不足 3%，国产替代空间广阔。

1.市场规模：全球市场约 80 亿美金，下游扩产+制程迭代带动市场增长

大陆是全球第一大半导体设备市场，22 年占比达 26.3%。根据 SEMI 数据，2022 年全球半导体设备市场规模为 1076 亿美元，大陆半导体设 备市场规模为 283 亿美元，占比约 26.3%，连续三年稳居全球第一大半 导体设备市场。在市场规模稳步增长的同时，大陆下游晶圆厂商基于供 应链安全，积极扶持大陆半导体设备企业的发展，半导体设备国产替代 正加速进行中，空间广阔。

21 年大陆量检测市场规模约 25 亿美元，近 5 年 CAGR 约 30%。根据 SEMI 统计，2021 年全球量检测设备市场规模在晶圆生产设备总市场规 模中位列第四，排名前三的依次为刻蚀、光刻、CVD 设备。具体数值来 看，2021 年全球半导体量检测设备市场规模为 80.3 亿美元，2016-2021 年全球半导体量检测设备市场的 CAGR 为 11.0%。受益于下游晶圆厂大 幅度扩产，近年来大陆量检测设备市场迅速扩张。VLSI Research 数据 显示，2021 年中国大陆半导体检测与量测设备的市场规模为 25.3 亿美 元，同比增长 20.5%，是全球第一大市场，同时，大陆市场增长迅速， 2016-2021 年复合增长率为 29.3%，显著高于全球市场的增长率。

细分领域中检测设备占比为 62.6%，量测设备占比为 33.5%。根据 VLSI Research 的统计，2020 年半导体检测和量测设备市场销售额为 76.5 亿 美元，其中，检测设备占比为 62.6%。主要产品包括无图形晶圆缺陷检 测设备、图形晶圆缺陷检测设备、掩膜检测设备等；量测设备占比为 33.5%，包括三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备（晶圆介质薄膜量 测设备）、套刻精度量测设备、关键尺寸量测设备、掩膜量测设备等。所 有量检测设备中，纳米图形晶圆缺陷检测设备市场份额占比最高，达 24.7%。

2.行业壁垒：多学科技术融合，硬件端+软件端筑造高技术壁垒

光学检测技术占据 75%的市场份额，电子束、X 光技术应用场景较小。 半导体量/检测技术路线有光学检测技术、电子束检测技术、X 光量测技 术等，其中应用最为广泛的是光学检测技术。根据 VLSI Research 和 QY Research 的数据，2020 年全球量/检测设备市场中，光学检测技术、 电子束检测技术、X 光量测技术所占据的市场份额分别为 75.2%、18.7% 及 2.2%。1）光学检测技术。指使用光束照射晶圆表面，通过收集反射 光或散射光信息得到检测结果。该技术特点是精度高、速度快，因此应 用场景广泛，可用来测量套刻精度、三维形貌、膜厚等，是目前最关键 的检测技术。2）电子束检测技术。指电子束打到硅片表面后会反射二 次电子，通过收集二次电子并把它转化为电信号从而得到硅片表面放大 的形貌像。由于电子束波长远短于光的波长，波长越短，精度越高，因 此电子束检测的精度高于光学检测技术，但电子束技术速度较慢，仅为 光学检测技术速度的 1/1000 不到，实际使用受限，并不能取代光学检测 技术进行大规模检测，常用于晶圆关键区域的抽样检测及纳米量级尺度 缺陷的复查，和光学检测技术互补使用。3）X 光量测技术。指基于 X 光的穿透力对晶圆进行测量。X 光量测技术具有无损伤的优点，但速度 慢，因此常用于检测特定金属成分等特定场景。

光学检测技术按功能分为检测和量测，检测领域的光学检测技术可进一 步划分为明场和暗场检测。 1）在检测领域，光学检测技术应用于无图形晶圆激光扫描检测、图形 晶圆成像检测和光刻掩膜板成像检测。根据接收的光学信号的不同，光 学缺陷扫描分为明场和暗场缺陷扫描。原理是：通过分析晶圆上 3 个相 邻的晶粒差异来实现，通过对左右晶粒的对比，有差异的地方就判定为 是缺陷。明/暗场区别是：明场设备通过晶圆表面垂直反射的光信号来分 析缺陷，而暗场设备以小角度将光线投射到晶圆表面，通过晶圆表面散 射的光信号来分析缺陷，明场设备相较于暗场设备灵敏度更高但扫描速 度更慢。目前主流的无图形晶圆表面缺陷检测设备基于暗场散射检测原 理，图形晶圆成像检测设备既有明场设备也有暗场设备。 2）在量测领域，光学检测技术基于光的波动性和相干性实现测量远小 于波长的光学尺度，应用于三维形貌量测、薄膜膜厚量测、套刻精度量 测、关键尺寸量测。

量/检测设备壁垒体现在硬件端和软件端：硬件端：为了提高检测精度与检测效率，对硬件端的要求越来越高。量 检测设备包含众多零部件，是多学科技术的整合与集成，其中难度较大 的零部件有光源、物镜、工件台和 TDI 相机。1）光源。根据瑞利衍射 公式，主要有两种途径提高显微镜分辨率，一种是缩短波长，另一种是 增加物镜的直径，因此光源波长不得不朝着越来越短的趋势发展，尤其 是 EUV 光刻机问世后，193nm 的光学检测分辨率在光罩检测中已经无 法满足要求。而 EUV 波段光学检测技术具备无可替代的优势：①可以检 测光罩相位缺陷；②部分缺陷只有 13.5nm 波段可以检测出来。随着 IC 制程不断发展，未来量检测设备离不开 EUV 波段和 X 射线波段。2）物 镜。为了提高显微镜分辨率，需要增加物镜的数值孔径，镜片的直径越 大，则对镜面的平整度要求越高。3）工件台。半导体量测设备是晶圆 厂主要的设备投资之一，量测设备检测速度和吞吐量的提升能有效降低 晶圆的平均检测成本——故量测设备的检测效率是晶圆厂选购时的重要 考量。工件台的速度和加速度会影响设备吞吐量，因此对工件台的速度 和加速度要求不断增加。4）TDI 相机。晶圆表面的图像拾取由时域延迟 积分(TDI)传感器完成。该传感器可在较低的光照水平下提供高速、连续的图像拾取，其行频参数影响设备吞吐量。目前大陆厂商的 TDI 相机技 术积累远落后于日本滨松等海外厂商。

软件端：大数据检测算法和软件重要性凸显。随着晶圆制程已达到或接 近量测设备光学系统的极限分辨率，最新的光学检测技术，已不再简单 依靠解析晶圆的图像来捕捉缺陷，而需结合深度的图像信号处理软件和 算法，从有限的信噪比图像中寻找微弱的异常信号。相关软件和算法专 业性强，需要较长时间的数据积累与训练，周期长。而国产厂商起步时 间较海外龙头晚，算法积累深度上不及海外龙头，且未来随着量测设备 精度、速度要求越来越高，对算法的要求亦越来越高。这些都进一步强 化了量测设备的技术壁垒。

全球量检测龙头厂商 KLA 的最高技术壁垒产品是 Axion 设备。3D 结构 分析一直是量检测领域的一大难点，目前代表着 KLA 最高技术水平的量 检测设备是 Axion 就是用来测量 3D NAND 和 DRAM 芯片中高深宽比的 孔和沟槽以及其他复杂形状的极高结构。Axion 设备原理是发射透射式 X 射线致晶圆表面产生小角散射，再采用超长传输路径使光散射出来，利 用传感器检测 X 光在不用角度上的角谱，重建三维结构。该设备代表着 KLA 领先的技术创新精神，是目前量检测设备行业的巅峰产品。

3.竞争格局：美日厂商垄断市场，国产替代道阻且长

全球市场：KLA 一马当前，前五大公司合计占比为 82.4%。全球半导体 检测和量测设备市场集中度较高，根据 VLSI Research 的统计，前五大 公司均来自美国和日本，分别为 KLA（美国）、应用材料（美国）、日立 （日本）、雷泰光电（日本）、创新科技（美国），合计市场份额占比超过 了 82.4%，其中 KLA 半导体一马当先，在检测与量测设备的合计市场份 额占比为 50.8%，是全球量检测设备龙头厂商。

中国市场：KLA 占比超 50%，美日公司垄断大陆市场。目前大陆市场 由海外企业占据主导地位，其中 KLA 半导体在中国市场的占比最高且增 速较快，根据 VLSI Research 的统计，KLA 半导体在中国大陆市场的占 比超过 50%，近 5 年的销售额复合增长率超过 35.7%，高于其在全球约13.2%的复合增长率。

大陆厂商奋起直追，未来国产替代空间广阔。大陆量检测设备厂商目前 主要分为两类。一类以精测电子、中科飞测、上海睿励为代表。该类公 司专注研发，依靠自身产品优势在无图形缺陷检测、形貌量测、膜厚量 测多领域开拓市场。另一类主要有长川科技、赛腾股份、天准科技等公 司。通过收购海外公司进入市场，依靠海外公司已有技术和客户资源抢 占市场份额。2018/2019/2020 年，精测电子、上海睿励及中科飞测三家 厂商在量/检测设备市场中的合计市占率分别为 0.69%/0.60%/2.31%， 国产化率较低但呈现快速增长趋势。在当前美国制裁不断升级的国际背 景下叠加需求稳定增长，未来国产设备替代空间广阔。