2024年半导体前道量检测设备行业研究：重点产品持续突破，国产替代正在加速

1、量检测设备是芯片良率的关键保障

根据不同工序，半导体检测分为前道量检测、后道检测及实验室检测，其中，前道量检测主要应用于晶圆加工环节，目前以厂内产线在线监控为主；后道检测主要应用于晶圆加工后的芯片电性测试及功能性测试，目前主要分为第三方测试和厂内产线在线监控；实验室检测主要针对失效样品进行缺陷定位和故障分析，目前主要分为第三方实验室检测和厂内自建实验室。

质量控制贯穿晶圆制造全过程，是芯片生产良率的关键保障。 按Kaempf标准，晶圆缺陷可分为随机缺陷和系统缺陷，其中，随机缺陷主要由附着在晶圆表面的颗粒引起，其分布位置具有一定随机性；系统缺陷主要来自光刻掩膜和曝光工艺中的系统误差，一般出现在具有亚分辨率结构特征的区域，通常位于一片晶圆上不同芯片区域的同一位置。 按缺陷表征，晶圆缺陷可分为形貌缺陷、污染物和晶体缺陷，其中，形貌缺陷包括微小粗糙面、凹坑，污染物缺陷包括分子层面的有机层和无机层等污染物、原子层面的离子、重金属缺陷等，晶体缺陷包括硅原子失位/错位、非硅原子掺杂等。

前道量检测设备具有两大类功能，一是确保IC产线量产良率，二是定量监控生产设备，为设备验收、维保提供依据。前道量检测设备可按基本功能、技术手段和缺陷类型等方式进行分类，本文将重点对比光学/电子束、明场/暗场、有图形/无图形等三类设备。

关键对比：光学检测目前是主要方案

光学检测速度快、无接触，目前是主要检测技术。光学检测技术通过对光信号进行计算分析获得检测结果，具有速度快、无接触、易于在线集成等优势，根据中科飞测招股书，光学技术的检测速度可以较电子束技术快1000倍以上，可以应用于28nm及以下全部先进制程，在技术成熟度、通用性、可靠性等方面均已获得晶圆厂的普遍认可，目前是半导体质量控制的主要检测技术，根据中科飞测招股书，2020年全球光学检测技术市场规模为57.5亿美元，在量检测设备中的市场份额为75.2%。然而，传统光学检测技术因其检测原理受限于瑞利散射，难以保证对先进节点晶圆缺陷的高灵敏度，并且其检测结果通常含有大量噪声缺陷（非杀伤性缺陷），进而干扰杀伤性缺陷的检测。

关键对比：电子束检测适用于高精度场景

电子束技术检测精度较高，然而速率较慢、设备成本高。电子束检测技术是通过聚焦电子束至某一探测点，逐点扫描晶圆表面产生图像以获取检测结果。电子束的波长远短于光的波长，电子束显微镜分辨率更高，测量精度优于光学技术；然而测量速度慢、设备成本高，鉴于电子束检测通常接收的是入射电子激发的二次电子，无法区分具有三维特征的深度信息，因而部分检测无法采用电子束技术，主要采用光学检测技术，如三维形貌量测、光刻套刻量测和多层膜厚量测等应用。根据中科飞测招股书，2020年全球电子束检测技术市场规模为14.3亿美元，在量检测设备中的市场份额为18.7%。

关键对比：明场系统精度高、暗场系统速度快

暗场系统主要收集被测物体的散射光，适用于大量晶圆的高速检测。然而，1）散射信号强度远低于入射光和反射光，噪声对检测精度影响较大，直接决定系统检测极限；2）晶圆表面并非完全光滑，微观起伏也会产生散射光（薄雾信号），进而影响检测精度。明场系统通过提供均匀明亮的光场，使用图像传感器收集反射光进而分析缺陷，相比暗场系统，具有检测灵敏度较高、扫描速度较慢等特征，适用于晶圆电路详细检测。 现有技术通常只搭配明场或暗场一种系统，因为无缺陷处和有缺陷处存在较大的亮度差异，通过对图形灰度值进行阈值判断实现缺陷分析，目前暗场系统占据晶圆检测设备的主要市场。

2、国内量检测设备市场有望快速发展

驱动力1：全球半导体市场逐步回暖

2024年全球半导体市场有望加速恢复增长。根据SIA数据，2023年11月全球半导体行业销售额为480亿美元，同比增长5.3%，在经历连续6个月同比降幅收窄后，年内首次实现同比增长，连续9个月环比实现环比增长。根据半导体产业纵横公众号，IDC将2023年全球半导体市场规模预测值由5188亿美元上调至5265亿美元，2024E市场规模由6259亿美元上调至6328亿美元，同比增长20.2%，全球半导体市场正在逐步回暖，2024年起有望加速恢复增长，短期复苏动力主要是消费电子逐步回暖，受益于华为、苹果等新品发布后的换机热潮，长期发展动力主要是车用、数据中心、工业及AI等新兴增长点。

驱动力2：中国大陆晶圆厂持续扩产

中国大陆加强成熟制程产能投资，以中芯国际为例，中芯国际三季报将2023全年资本开支上调至75亿美元左右，同比增长约18%，2022年中国大陆12英寸晶圆产能全球占比22%，2026年预计增至25%。半导体行业需求回暖叠加中国大陆晶圆厂持续扩产，国内半导体设备市场长期有望稳健增长。根据SEAJ数据，2023Q1-Q3中国大陆半导体设备销售额为244.7亿美元，同比增长11.7%，2023Q3同比增长42.2%。

驱动力3：先进制程提升设备投资需求

先进制程对应量检测设备价值量有望倍增。AI芯片对性能、功耗和成本等要求较高，先进制程优势显著，同时随着汽车智能化发展，MCU等传统芯片已经难以满足市场需求，汽车芯片功能的逐步丰富有望助力先进制程工艺快速发展。随着芯片制程进步，设备投资成本将呈现大幅上升趋势，根据中芯国际招股说明书（2020年7月），以5nm工艺为例，其投资成本高达数百亿美元，是14nm的两倍以上，28nm的四倍左右。先进制程将对工艺控制水平提出更高要求，检测设备和量测设备价值量有望倍增。

驱动力4：半导体设备国产替代正在加速

国内晶圆厂加速推进设备国产化。根据芯谋研究公众号，2023年中国晶圆厂设备采购总额将达299亿美元，美国、日本、荷兰、中国设备商对应市场份额分别为43%、21%、19%和11%，相比2020年，我国本土设备商的销售额增长约233%，市占率增长约4pct，然而国际巨头依旧主导中国设备市场，半导体设备国产替代空间广阔。2022年10月7日，美国商务部工业与安全局（BIS）发布出口管制规则，进一步限制中国在先进计算、半导体制造领域获得或使用美国产品及技术。2023年10月7日，美国BIS对此前发布的半导体出口禁令再次升级，对于半导体制造设备，新规在受控设备清单中又新增几十个项目。中美高科技摩擦背景下，国内晶圆厂持续推进国产供应链整合，半导体设备国产替代正在加速。

2023年全球/中国大陆量检测设备市场空间为105/35亿美元

量检测设备约占前道设备支出的10%。晶圆厂的资本支出主要包括前道制造设备、后道封测设备及厂房建设，据中科飞测（2022/03），前道制造设备支出占比可达80%，质量控制设备约占前道制造设备支出的10%。根据VLSI Research、QYResearch，2020-2022年全球半导体检测与量测设备市场规模分别为76.5、105.1、126.3亿美元，CAGR为28.49%，2020年中国大陆半导体量检测设备市场规模达21亿美元，全球占比27.45%。

3、KLA主导全球市场，ASML电子束竞争优势显著

全球：国际巨头主导量检测设备市场

全球半导体量检测设备市场集中度较高，根据VLSI Research、QYResearch，2020年行业CR5达82%，前五大设备商均来自美国和日本，主要包括KLA、应用材料、日立等，其中KLA市占率高达51%。

KLA：历经多次并购、产品种类齐全

KLA历经多次并购。KLA仪器和Tencor仪器分别成立于1976年、1977年，并于1997年合并成立科磊半导体（KLA-Tencor）。成立至今，科磊半导体陆续收购多家公司，目前产品线已涵盖质量控制全系列设备。

KLA：分产品，2023Q3晶圆检测/芯片检测收入同比下降8.4%/25.9%

分产品看， KLA主要产品包括晶圆检测（仅系统）、芯片检测（仅系统）、半导体工艺（仅系统）、PCB/显示/器件检测（仅系统）、服务以及其他（KLA Pro），2023Q3营业收入分别为10.1、5.4、1.1、0.7、5.6、1.0亿美元，同比-8%、-26%、-2%、-47%、6%、-10%。我们以晶圆检测（仅系统）、芯片检测（仅系统）及其他（KLAPro）代表KLA量检测业务，2020-2023年前三季度量检测（仅系统）业务收入分别为37.3、54.4、74.1、50.1亿美元，假设KLA市占率维持2020年值50.8%，对应期间全球量检测市场规模分别为73.39、106.73、145.35、98.20亿美元，与本文第二章测算基本一致。

4、国产替代正在加速，重点产品持续突破

国内：量检测设备国产化率不足10%

近年量检测设备国产化率稳步增长。中国半导体检测和量测市场中，设备国产化率较低，国际巨头处于市场主导地位，根据VSLI统计，2020年KLA市占率达54.8%。国产半导体量检测设备供应商主要包括上海精测、中科飞测、上海睿励等，2022年营业收入分别为1.65、5.09、0.72亿元。按收入口径，2018-2022年三家公司国内市场份额合计为0.67%、0.60%、2.11%、2.38%、3.17%，国产化率整体呈现增长趋势。

精测电子：立足面板检测主业，半导体产品持续完善

立足显示检测系统，半导体全产业链布局加速。精测电子成立于2006年，2016年成功登陆创业板，公司成立后主要经历四个发展阶段：1）2006-2014年，立足显示检测系统，打破技术垄断；2）2016-2018年，借助资本市场，实现跨越发展；3）2018-2019年，开拓半导体市场，把握新兴机遇；4）优化全产业链布局，打造未来发展新格局。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）