半导体检测行业深度：市场格局、国产替代机遇及相关企业深度梳理

半导体检测是控制芯片制造良率的关键环节，整个设备市场规模约占半导体设备市场的13%，仅次于刻蚀机、光刻机、薄膜沉积设备。

目前中国检测设备的国产化率仍较低，市场主要由几家垄断全球市场的国外企业占据主导地位。根据VLSI Research，KLA、应用材料、日立在中国市场的占比分别为54.8%、9.0%和7.1%。国产厂商中科飞测、上海精测、上海睿励等企业正在加速布局，逐步改变KLA的长期垄断格局。

下文我们就详细聚焦半导体检测相关问题，当前半导体检测市场整体情况怎样？有哪些不同的种类？在我国市场，其驱动行业发展的因素有哪些？相关产业链情况如何？企业发展现状如何？放眼市场，呈现怎样的市场格局？国产替代当前有哪些进展？针对这些问题，以下我们为大家逐一梳理论述，希望对大家了解我国半导体市场产业现状有所启发。

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半导体检测行业概况

1、半导体检测可分为前道、后道和实验室检测

半导体检测分析是指运用专业技术手段，通过对半导体产品的检测以区别缺陷、失效原因、验证产品是否符合设计目标或分离好品与坏品的过程，是半导体设计、生产、封装、测试全产业链流程中的重要环节。根据对应工序的不同，可分为前道量检测、后道检测和实验室检测。

前道量检测（又称半导体量测）主要应用于晶圆加工制造环节，检测对象是制造过程中的晶圆，通过对制造过程中每一晶圆的测量薄膜厚度、关键尺寸、检查晶圆图案缺陷等方面的质量进行量测或检查，确保工艺符合预设的指标，防止出现偏差和缺陷的不合格晶圆进入下一道工艺流程。

后道检测（又称半导体测试）主要应用于晶圆制造工艺完成后的芯片的电性测试及功能性测试，晶圆测试主要针对加工后的晶圆进行电性测试，在划片封装前将不合格的裸片剔除，减少芯片封装成本；成品测试主要针对封装后的芯片进行功能测试，保证产品出厂的合格率。该类型检测同样可应用芯片设计阶段流片后产品的有效性验证。

半导体实验室检测贯穿于半导体全产业链，包括失效分析（FA）、材料分析（MA）、可靠性分析（RA）等，主要是运用物性分析、电性分析、表面分析、化学分析等多类型检测技术，针对失效样品进行缺陷定位与故障分析，帮助客户实现问题判定，加速产品研发与工艺升级，提高产品良率和生产效率。

2、半导体检测贯穿半导体制造流程，在半导体产业中占据重要地位

检测分析是半导体产业链中的重要环节，有助于加速半导体新品的研发进程、提升产品性能和产成品良品率、提高经营效率与节约成本费用。由于芯片的设计、晶圆代工、封装测试、原材料制备和生产设备制造等各个环节均有可能对半导体产品的质量产生影响，因而，检测服务伴生于各个环节。

检测设备作为能够优化制程控制良率、提高效率与降低成本的关键，在半导体产业中占据重要地位。随着技术发展，半导体芯片晶体管密度越来越高，相关产品复杂度及集成度呈现指数级增长，这对于芯片设计及开发而言是前所未有的挑战。新应用需求驱动了制程微缩和三维结构的升级，使得工艺步骤大幅提升，成熟制程（以45nm为例）工艺步骤数大约需要430道，到了先进制程（以5nm为例）将会提升至1250道，工艺步骤将近提升了3倍；结构上来看包括GAAFET、MRAM等新一代的半导体工艺都是越来越复杂，在数千道制程中，每一道制程的检测皆不能有差错，否则会显著影响芯片的成败。作为重要的专用设备，集成电路测试设备不仅可判断被测芯片或器件的合格性，还可提供关于设计、制造过程的薄弱环节信息，有助于提高芯片制造水平。

3、光学检测技术凭借精度高、速度快的优势市占率超75%

从技术路线原理上看，检测和量测主要包括光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术，其中光学检测技术空间占比较大。三种技术的差异主要体现在检测精度、检测速度及应用场景上。结合三类技术路线的特点，应用光学检测技术的设备可以相对较好实现高精度和高速度的均衡，并且能够满足其他技术所不能实现的功能，如三维形貌测量、光刻套刻测量和多层膜厚测量等应用。根据VLSI Research和QY Research的报告，2020年全球半导体检测和量测设备市场中，应用光学检测技术、电子束检测技术及X光量测技术的设备市场份额占比分别为75.2%、18.7%及2.2%，可以看出应用光学检测技术的设备在占比方面具有领先优势。

未来检测和量测设备的技术提升主要体现在三个方面：提高光学检测技术分辨率、加强大数据检测算法和软件的自主研发、提升设备检测速度和吞吐量。

分辨率：随着DUV、EUV光刻技术的不断发展，集成电路工艺节点的不断升级，市场对检测技术的空间分辨精度也提出了更高的要求。未来设备制造厂商必须使用更短波长的光源以及更大数值孔径的光学系统，才能进一步提高光学分辨率。

软件与算法：在达到或接近光学系统极限分辨率的情况下，光学检测技术在依靠解析晶圆的图像来捕捉其缺陷的基础之上，还需要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。然而目前市场上并没有可以直接使用的软件，因此业内企业均需在自己的检测和量测设备上自行研制开发算法和软件。

吞吐量：半导体质量控制设备是晶圆厂的主要投资支出之一，因此设备的性价比是其选购时的重要考虑因素。质量控制设备检测速度和吞吐量的提升将有效降低晶圆检测成本，从而实现降本增效。

4、量/检测设备是国产化率最低环节之一，本土企业正在快速突破

量/检测设备是前道国产化率最低的环节之一，2022年国产化率仍不足 3%。中科飞测、上海精测、上海睿励三家企业 2022年销售收入合计约为7.46亿元，对应中国大陆市场份额不足3%。若以批量公开招标的华虹无锡为统计样本，据不完全统计，2022年华虹无锡完成量/检测设备招标47台，其中国产设备中标 1 台，国产化率仅2%，远低于去胶机、刻蚀设备、薄膜沉积设备等环节。

本土半导体设备企业正在量/检测领域积极布局，已经基本覆盖主流量/检测设备类型。中科飞测：涵盖无（有）图形晶圆缺陷检测、三维形貌量测、薄膜膜厚量备（介质）和套刻精度量测等系列设备，并积极研发纳米图形晶圆缺陷检测、金属薄膜量测等设备。上海精测：覆盖薄膜测量、光学关键尺寸量测、电子束缺陷检测等设备类别。睿励科学：包括光学薄膜测量和缺陷检测设备两大类，可对多类半导体薄膜实现精准的厚度、折射率、成分比率和应力测量，以及图形&无图形外观缺陷检测。东方晶源：拳头产品包括电子束缺陷检测 EBI、关键尺寸量测设备 CD-SEM。赛腾股份：收购日本 Optima，对硅片、晶圆的边缘、正背面外观缺陷检测具备全球竞争力。

自主可控&技术协同进步驱动下，本土企业快速推进。中科飞测多 款产品通过 28nm 产线验收，2Xnm 产线设备正在验证，1Xnm 产线设备正在研发。此外，上海精测电子束检测设备已经进入1Xnm 验证，上海睿励自主研发的光学薄膜量测设备也已进入14nm产线验证。

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种类解析

检测设备：（纳米）图形晶圆缺陷检测占比最高，光学检测技术为主。在检测环节以光学检测为主，光学检测技术可进一步分为无图形晶圆检测技术、图形晶圆成像检测技术和光刻掩膜板成像检测技术。少部分有图形晶圆缺陷检测和复查使用电子束来检测。

1、有图形晶圆检测设备

图形化是指使用光刻或光学掩膜工艺来刻印图形，引导完成晶圆表面的材料沉积或清除。有图形缺陷检测设备采用高精度的光学技术，对晶圆表面纳米及微米尺度的缺陷进行识别和定位。针对不同的集成电路材料和结构，缺陷检测设备在照明和成像的方式、光源亮度、光谱范围、光传感器等光学系统上，有不同的设计。

图形缺陷检测设备主要可分为明场缺陷检测和暗场缺陷检测两大类。明场缺陷检测设备，采用等离子体光源垂直入射，入射角度和光学信号的采集角度完全或部分相同，光学传感器生成的图像主要由反射光产生；暗场缺陷检测设备通常采用激光光源，光线入射角度和采集角度不同，光学图像主要由被晶圆片表面散射的光生成。其皆通过对晶圆上的图形进行成像后与相邻图像对比来检测缺陷并记录其位置坐标。

光学晶圆缺陷检测设备使用晶圆的旋转位置和光束的径向位置定义晶圆表面上缺陷的位置。在晶圆检测机台中，使用光谱仪检测器PMT或CCD以电子方式记录光强度，并生成晶圆表面上散射或反射强度的图。该图提供了有关缺陷大小和位置以及缺陷的信息由于颗粒污染等问题导致的晶圆表面的状况。

明场光学图形缺陷检测设备的供应商包括美国科磊半导体（39xx系列及29xx系列）、应用材料（UVision系列），暗场光学图形缺陷检测设备的供应商包括科磊（Puma系列）。

2、无图形晶圆检测设备

无图形晶圆检测是对于裸硅片和表面没有图形的晶圆的检测。一般用于在开始生产之前硅片在硅片厂处获得认证，半导体晶圆厂收到后再次认证的检测过程，同时在生产过程中一些用于对比及环境测量的控片挡片的检测。由于晶圆表面没有图案，因此无需图像比较即可直接检测缺陷，其工作原理是将激光照射在圆片表面，通过多通道采集散射光，经过表面背景噪声抑制后，通过算法提取和比较多通道的表面缺陷信号，最终获得缺陷的尺寸和分离。无图形圆片表面检测系统能够检测的缺陷类型包括颗粒污染、凹坑、水印、划伤、浅坑、外延堆垛、CMP突起。一般来说暗场检测是非图案化晶圆检测的首选，因为可以实现高速扫描，从而实现高的晶圆产量。主要供应商包括KLA（Surfscan系列）、Hitachi High-Tech（LS系列）。

3、掩膜版缺陷检测设备

掩膜/光罩检测：掩模在使用过程中很容易吸附粉尘颗粒，而较大粉尘颗粒很可能会直接影响掩模图案的光刻质量，引起良率下降。因此，在利用掩模曝光后，通常会利用集成掩模探测系统对掩模版进行检测，如果发现掩模版上存在超出规格的粉尘颗粒，则处于光刻制程中的晶圆将会全部被返工。针对光刻所用的掩膜板，通过宽光谱照明或者深紫外激光照明，以高分辨率大成像口径的光学成像方法，获取光刻掩膜板上的图案图像，以很高的缺陷捕获率实现缺陷的识别和判定。

4、电子束图形晶圆检测/复查设备

电子束成像也用于缺陷检测，尤其是在光学成像效果较低的较小几何形状中。电子束检测动态分辨率范围比光学检测系统大。随着半导体集成电路工艺节点的推进，光学缺陷检测设备的解析度无法满足先进制程需求，必须依靠更高分辨率的电子束设备。电子束的原理为通过聚焦电子束对晶圆表面进行扫描，接受反射回来的二次电子和背散射电子，进而将其转换成对应的晶圆表面形貌的灰度图像。通过比对晶圆上不同芯片（Die）同一位置的图像，或者通过图像和芯片设计图形的直接比对，可以找出刻蚀或设计上的缺陷。电子束检测的优势为可以不受某些表面物理性质的影响，且可以检测很小的表面缺陷，如栅极刻蚀残留物等，相较于光学检测技术，电子束检测技术灵敏度较高，但检测速度较慢，因此主要用于在研发环境和工艺开发中对新技术进行鉴定，以及光学检测后的复查，对缺陷进行清晰地图像成像和类型的甄别。主要供应商包括KLA（eDR7XXX系列、eSL10系列）、AMAT（SEM VISION系列）。

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行业驱动因素

1、全球产业链转移及国产替代驱动国产半导体高速发展

半导体产品按产品应用可以划分为集成电路、分立器件、光电子器件、传感器等，其中集成电路在全球终端产品中占据80%以上份额，是绝大多数电子设备的核心部件。检测分析服务是半导体产业链的伴生性行业，国内半导体检测行业的发展与产业景气度息息相关，国内半导体产业的发展受益于全球产业链转移和国产替代加速。

一方面，全球半导体产业链分工带来的产业转移带动了国内半导体行业的发展，尤其是封测和晶圆制造环节，5G、智能驾驶、AI等高智能产业的发展也加速了半导体行业需求的释放。根据WSTS世界半导体贸易统计组织的数据，中国半导体市场规模从2015年的984亿美元增长到2021年的1925亿美元，六年复合增速为11.8%，在全球市场规模的占比达到34.6%，为全球最大的单一区域市场。其中，集成电路（IC）设计环节企业数量和市场规模的复合增速分别达到25.0%和22.7%，增速更为可观。

另一方面，中美贸易摩擦后国内产业链安全问题愈发突出，发展国内半导体产业上升到国家战略层面，倒逼国内的国产替代进程，2020年7月国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，提出将从财税政策、投融资政策、研究开发政策、进出口政策、人才政策、知识产权政策、市场应用政策、国际合作政策等八个方面出台政策，该文件为国内集成电路产业发展的指引性文件，促进行业的快速发展。

再者，从终端应用来看，虽然PC/手机市场接近饱和，出货量增速放缓，但随着5G应用的普及，智能汽车、智能家居、云服务、物联网、AI等新兴产业蓬勃发展，预计将成为半导体产业发展的主要驱动力。

半导体产业的中长期快速发展和国产化率的提升预计都将带动检测分析业务的成长，尤其是国产化必然伴随着反复研制和试验的过程，在智能汽车、AI、物联网等应用场景更加复杂化的背景下，中长期来看，半导体检测仍大有可为。

2、作为基础设备之一，量检测设备的需求具备较强韧性

半导体设备市场需求主要受晶圆厂资本开支规模影响。自3Q22以来，半导体终端需求放缓导致全球晶圆厂商资本开支减少，半导体设备行业增速放缓。根据SEMI，2022年全球晶圆厂设备支出为980亿美元，SEMI预计2023年同比下滑22%至760亿美元，但有望在2024年同比增长21%，恢复到920亿美元。

3、先进制程对量检测设备提出了更高的要求

“一代工艺、一代设备、一代材料”的行业特征在量检测设备领同样适用。主流半导体工艺制程已从28nm、14nm、10nm、7nm向5nm发展，部分先进半导体制造厂商正在开发3nm工艺，FinFET、GAA、3D NAND等结构逐渐成为主流技术。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，材料使用也更加的多样化，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质量控制需求将越来越大。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。

随着集成电路器件物理尺度的缩小，需要检测的缺陷尺度和测量的物理尺度也在不断缩小；随着集成电路器件逐渐向三维结构发展，对于缺陷检测和尺度测量的要求也从二维平面中的检测逐渐拓展到三维空间的检测。为满足检测和量测技术向高速度、高灵敏度、高准确度、高重复性、高性价比的发展趋势和