量测设备职业剖析：寸辖制轮事得其要

　　量测/检测设备作为晶圆制作工艺全进程的操控体系，此类设备不只保证产品出货的安稳性 和可预期性，一起有助于监控出产进程中各类出产设备（如光刻、刻蚀、堆积等）的参数 功用，协助工程师及时优化调整，继而进步整条出产线的运转功率。此类设备是保证出产 线敏捷进入量产阶段一起保证产品良率的重要东西。鉴于国内大力展开芯片制作工业，量 测/检测设备职业同步迎来了展开窗口期。

　　KLA 树立于 1976 年，总部设在美国旧金山，公司首要供给先进的进程操控配备及运用进程 解决方案的相关服务，旨在完结客户的出产率方针，包含良率办理及削减糟蹋。KLA 企业涵 盖四大事务部分：半导体进程操控部分、半导体工艺部分、PCB、显现和元件检测部分以及 其他部分。客户首要包含亚洲、美国和欧洲抢先的半导体、半导体相关和电子设备制作商， 其产品销往全球约 20 个国家和地区。截止 2022 年 6 月 30 日，公司共有约 14000 名职工， 其间近对折从事研制及服务作业。经过 20 年多年的展开，现在 KLA 现已成为全球最具规划 的量测/检测设备出产企业。

　　纵观 KLA 的展开进程，并购形式是其首要展开战略。公司在 1976 年树立之际便敏锐辨认 芯片制作的检测需求，其时芯片制作遍及良率较低，在添加薄膜层数及品种后良率进一步 下降，缺点检测作业急需打开。KLA 的榜首个产品是一台掩膜检测设备，该设备完结了机 器检测零的打破，削减检测时长的一起进步掩盖规划，随后公司深耕晶圆检测设备开发， 在安稳完结量产工艺后大举打开并购事务。在 1997 年公司与 Tencor 兼并，Tencor 首要从 事薄膜量测设备开发作业，与 KLA 相同致力于制品检测范畴，因为两边的事务互补优势明 显，与其竞赛不如运用并购完结共赢，两家业界俊彦的兼并有助于进一步完善 KLA-Tencor （科天）前道制程工艺的全掩盖，线 的作用。尔后，公司开端了大举收买 并进一步掌握丰厚的先进技能。依据 KLA 官网并购信息整理，KLA 合计完结并购 25 次， 这些并购悉数环绕检测、量测设备、相关零部件以及供给服务的软件打开，公司经过屡次 并购进一步稳固其独占方位。并购战略的施行有助于 KLA 的事务互补与技能晋级，借此机 会引入很多科研人才，为加深其研制厚度打下坚实基础。在产品端进一步得到完善后， KLA 真实构建了以量测/检测设备为中心，良率服务为增值事务的完好结构。2019 年， KLA 察觉到半导体进程操控配备的事务展开现已挨近饱满，便收买了以色列的光学检测企 业 Orbotech，促进 KLA 继续朝着泛半导体事务的多元化路途继续展开。

　　现在公司在工艺操控范畴的相关事务首要由进程操控部分主导。KLA 的设备可为各类型的 芯片供给质量检测，包含 logic、DRAM、3D NAND、MEMS 等。设备包含膜厚量测及形 貌体系（SpectraFilm 系列、Aleris 系列、ATL 系列等）、图形晶圆缺点检测体系（29xx 宽 光谱等离子、Puma 激光扫描、39xx 系列超分辩率宽光谱等离子、Surfscan 系列等）、套 刻量测体系（Archer750、ATL100 等）等，简直完结前道制程的操控全掩盖。

　　现在来看，全球量测/检测设备职业以美国、日本展开最为先进，包含 KLA、运用资料、日 立等。在各企业的剧烈竞赛格式下，KLA 以 52%的商场占比稳居榜首，远超其他企业， 部分细分范畴（晶圆描摹检测、无图形晶圆检测、有图形晶圆检测范畴）乃至可完结垄 断。由此，咱们可经过 KLA 的成绩表现必定程度看出整个量测/检测设备职业的大致属 性。

　　无论是商场反应仍是财务数据，KLA 比照同类半导体厂商都具有更显着的生长优势及高回 报趋势。这一方面反映出近年来商场关于进程工艺操控设备及其相关服务的注重程度不断 进步，一起也表现出量测/检测设备自身的优势地点。 从毛利率视点来看，KLA 的毛利率一向大幅高于 ASML、AMAT 等企业，其净利率也在近 几年与主营光刻机事务的 ASML 相等。可见现在晶圆制作商关于量测/检测设备的需求旺 盛，一起揣度此类设备的归纳盈余才能较高。

　　KLA 在全球设立了许多分公司及分支机构从事出售、营销及相关服务事务，公司不只运用 设备剖析晶圆制作进程中的缺点及计量问题，一起可为客户供给信息及服务，协助客户更 好解读数据并剖析出产线及制作工艺中的问题，这种良率办理的服务有助于进一步协助企 业构成规划优势，进一步构建更高的生态壁垒，此类供给产品加服务的商业形式更是坡长 雪厚的优势赛道，有助于与客户树立深化的长时间联系。这也为其他半导体设备厂商供给可 学习思路，各企业不只要在中心竞赛产品的技能质量进步一步有所进步，一起需配备灵敏 的定制化服务，进一步安稳客户集体，进步粘性。

　　依据 2021 年 ASMI 对半导体设备细分商场占有率剖析，进程确诊设备（检测/量测设备） 商场占比 11%，略少于刻蚀&清洗、薄膜堆积类设备的一半。在职业增加与国产需求的双 重驱动下，现在国内该职业仍存在较大需求缺口，商场规划具有较大生长空间。

　　在集成电路芯片的制作进程中，简直每一环节都需求工艺检测设备的参加。依据量测/检测 设备的监控内容差异可将此类设备分为两大类：Metrology 丈量要害参数：膜厚丈量、套 壳差错丈量、要害尺度丈量、晶圆描摹丈量；Inspection 检测要害缺点：无图画检测、有 图画检测、缺点复检、光罩/掩模板检测。从完结手法动身，可将工艺操控设备分为：光 学、电子束、电性、X 光等，其间光学相关的设备商场份额占比为 75.2%。在集成电路芯 片前道制作进程中，工艺检测设备需求对出产进程中每一环节的产出品均进行无损害的定 量丈量及缺点检测工序，以保证圆片在进入下一道工艺前的各项参数及功用能够到达相关 方针要求，关于后续或许呈现缺点的圆片进行分类一起除掉不合格的产品，保证制作进程 的安稳性，有助于防止后续工艺的糟蹋。

　　膜厚及要害参数丈量设备：晶圆片在制作进程中需求阅历屡次各种资料的薄膜堆积进程， 薄膜的厚度及均匀度会终究影响产品的功用，因此出产进程中需实时检测薄膜的厚度及其 重要参数方针的状况，保证产品良率客观。现在依据多界面光学干与原理的光学薄膜丈量 设备是最为常用的设备，经过对薄膜实测光谱的回归迭代终究得出薄膜厚度及光学常数。 在实际操作进程中，对光谱的丈量办法中最常用的是椭圆偏振技能，光源宣布的光以必定 视点入射圆片外表，终究接纳端经过对反射光的剖析得出终究成果，得益于较高的精确度 与安稳性，可习惯现在的杂乱多层膜结构及超薄膜结构的丈量。未来跟着芯片制程精度的 进步，芯片上的可监控规划不断缩小、薄膜品种进一步增多，对光学薄膜丈量设备的要求 逐步向灵敏度更高、丈量安稳性更好的方向展开。

　　外表描摹丈量设备：现在的描摹丈量首要经过触摸式丈量的办法对外表的圆片外表的描摹 进行测验，经过仪器的探针在圆片外表划过，描摹的数据信号便可传递到终端设备，当遇 到有崎岖的外表时便可得到有崎岖的信号输出成果。但此类设备未来需考虑怎么削减探针 头触摸圆片带来的损害问题以及探针头自身的损害问题，一起因为探针头较为坚固的，对 于一些软质外表存在无法丈量的问题。

　　要害尺度（CD）的丈量设备：在集成电路芯片中，栅极的尺度精确度尤为重要，在光刻和 刻蚀工艺后要求栅极尺度根本不发生改变，作为电路中最细小的结构，栅极的纤细改变会 对全体功用发生巨大影响，此刻便需求对要害尺度进行丈量。该功用首要经过电子显微镜 （CD-SEM）完结，该设备可运用电子束移动快速且精准的辨认图形然后完结线宽的测 量。在未来，集成电路芯片的要害尺度将越来越小、图形也会逐步趋向 3D 形状展开，量 产后扫描速度要求更快，这些趋势将给 CD-SEM 的晋级提出的更多应战。

　　套刻差错丈量设备：套刻差错用来丈量不同进程构成电路图形的平面间隔并发现其差异， 现在最常运用的套刻差错丈量体系是光学成像体系，其根本原理是运用光学显微成像技能 获得方针图形的数字化图画，然后运用数字图画处理算法得出每一层套刻方针图形的鸿沟 方位，在得出中心方位后即可核算出圆片第 n 层与第 n+1 层图形结构中心的平面间隔，即 套刻差错。因为套刻丈量存在系列差错，例如由丈量体系引发的图形位移、带测圆片引发 的图形位移、总丈量不确认度等，怎么削减丈量差错成为了后续研讨的要害问题。

　　详细运用于前道芯片制作工艺中的缺点检测设备首要是对圆片外表的颗粒及残留异物的检 查，以及工艺进程中圆片存在的缺点查看。包含无图形的外表缺点检测及有图形的外表缺 陷检测设备。 无图形外表缺点检测设备：无图形缺点检测首要用于检测制作进程中物料的质量问题、薄 膜堆积与 CMP 的工艺操控以及晶圆反面污染状况等。该设备作业原理是，将激光光束照 射到圆片外表，经过收集散射光或许反射光，再运用算法提取并比对外表是否存在缺点问 题。现在为合作采纳更高的灵敏度检测，需求选用更短的光学波长，现在研制多选用深紫 外和紫外波段的激光器作为照明光源。未来可进一步结合多光源照明与信息提取的算法优 化进步检测速度与灵敏度，一起需优化收集通道的散布及其孔径巨细，进一步优化收集信 号。

　　有图形标明缺点检测设备：有图形缺点检测是对刻蚀图形直接进行缺点检测的设备。当时 的有图形检测设备大致分为光学检测和电子束检测两种首要技能的运用设备。其间光学检 测的首要原理是将激光光束照在圆片上，经过圆片的滚动完结全扫描，如果在扫描进程中 遇到缺点则会宣布信号并终究记录下缺点方位，运用算法进一步对缺点进行剖析及解构； 电子束缺点检测则是运用聚集电子束对圆片外表进行扫描，经过承受反射的二次电子然后 将其转换为图画，经过比对得出刻蚀或许曝光工艺后的缺点问题。电子束设备相较于光学 设备而言具有更高的分辩度，能够辨认出愈加细小的缺点，但扫描速度更慢，全体二者各 有好坏。未来，怎么进一步进步电子束扫描的速度是重要的研讨课题，现在大致方向包含 进步电子束的电流密度以及完结电子束扫描和图画收集并行运转。

　　运用光学检测技能的设备占比具有抢先优势，为 75.2%。光学设备依托光学原理，经过对晶 圆外表的非触摸式的查找最大程度下降对晶圆片的损坏，并运用得到的光信号进行处理剖析， 因为光学技能能够完结对晶圆快速、批量的检测，得以满意晶圆厂商关于量产进程的检测要 求，现在运用规划非常广泛。在量测范畴包含要害尺衡量测设备（CD）、晶圆介质薄膜量测 设备、套刻精衡量测设备、三维描摹量测设备等；在缺点检测范畴首要包含纳米图形晶圆缺 陷检测设备、无图形晶圆缺点检测设备、掩膜板缺点检测设备等。依据 VLSI Research 和 QY Research 的陈述，2020 年全球半 导体检测和量测设备商场中，运用光学检测技能、 电子束检测技能及 X 光量测 技能的设备商场份额占比分别为 75.2%、18.7%及 2.2%。

　　光学量测设备全体技能同源性较强，其间光学膜厚量测设备、非成像要害尺衡量测设备 （OCD）一般依据椭圆偏振技能。曩昔的椭圆偏振仪遍及选用琼斯矩阵，该办法可运用偏 振剖析器丈量偏振态，但琼斯矩阵丈量一次仅可得到 4 个变量值，丈量面较窄，也就导致 适用资料品种较少；一起当光学元件或样品具有去偏振效应的时分，琼斯矩阵无法精确表 达这种去偏振效应，为了能对具有去偏振效应的体系进行核算，便晋级引入了斯托克斯矢 量来对光进行描绘。而最新的椭偏仪常选用穆勒矩阵的办法承受信息，该办规律依据斯托 克斯偏振理论，可运用矩阵描绘器材的偏振特性及偏振光的传输，然后推导出期间的偏振 相关损耗。穆勒矩阵椭偏仪是一种运用丈量参数的关联性而集成数据处理办法，一次丈量 能够获得 16 个参数值，所以丈量面更宽，可适用于各类各向同性/各向异性微纳薄膜、纳 米光栅结构等丈量目标的几许厚度、几许要害尺度等描摹信息以及资料光学特性的信息提 取。光源、椭偏仪、光学体系是光学量测仪器的主体组成部分，其质量好坏可直接影响设 备的功用。从光源的视点来看，光强的安稳性可影响设备可用性、寿数等方针，光源中所 配备的稀有气体并不是越纯越好；椭偏仪以及光学体系的规划也会对设备的安稳性、功用 发生影响。

　　光学检测设备能够在前段（FEOL）和后段（BEOL）工艺阶段发现良率缺点，并且为光刻 图画供给要害的工艺认证和体系性缺点辨认。现在光学检测设备首要分为明场检测及暗场 检测两大类，全体来看二者的技能较为类似，明场是指照明光视点与收集光视点彻底或部 分相同，终究成像是经过反射光构成；而暗场是指照明光视点与收集光视点彻底不同，最 终的成像是经过被图形外表的结构散射得到。跟着技能的展开，现在二者的不同更多表现 在照明光路与收集光路的物理空间是否别离上。明场光学检测设备的展开进一步寻求更亮 的光学照明、更大的数值孔径、更大的成像视界等，运用光源包含氙灯、汞放电灯、激光 继续放电灯。在针对不同类型圆片进行检测时，明场检测设备可运用不同的配备特征进行 多种组合，当时设备现已可完结万种配备。暗场光学检测设备因为光路别离，在照明光上 也有更多类型的挑选，包含激光光源、环形光、光纤照明等，全体暗场检测寻求更高的成 像分辩率、检测扫描速度以及更高效的噪声操控。暗场光学检测关于具有周期摆放特性的图形外表检测作用更佳，因为周期性特质在暗场中可经过散射将激光打到若干确认的空间 立体角，然后放置和衍射视点对应的矩形或许圆形光阑，便可完结有用遮挡然后最大程度 紧缩图画的布景噪声，得到更好的缺点信号的信噪比。

　　现在国内量测/检测设备出产企业针对不同技能的设备打破有所差异，但全体而言精测电 子、中科飞测、上海睿励等龙头企业在光学设备上优势愈加显着。 在光学量测设备方面，上海精测以椭圆偏振技能为中心开发了适用于半导体工业运用的膜 厚丈量及光学要害尺衡量测体系的系列产品；光源方面以武汉颐光为代表，在与华中科技 大学等国内顶尖高校合作开发后研制出各类椭偏仪，并广泛运用于量测设备中。 睿励光学薄膜丈量设备 TFX1000 出售到 150mm 集成电路出产线 年， 睿励推出自主研制的适用于 65nm 和 45nm 技能节点的 300mm 硅片全自动精细薄膜和线nm 要求的光学丈量设备开端在 12 寸 出产线出售。 中科飞测一向立足于高顶级光学检测设备的研制作业，在光源方面相同具有技能优势，企 业聚集了大批具有光学和算法经历的工程师及专家。

　　在光学检测开发方面，现在国内中科飞测、上海睿励等公司在明/暗场光学缺点检测方面均 有设备批量出货；针对 28nm 的纳米图形晶圆缺点检测设备均处于研制状况，中科飞测、 上海精积微（精测电后代公司）现在已发布了相应的研制方案，相应产品研制成功后在扩 充公司产品线一起将进一步完善国内检测设备供给布局。

　　电子束相关设备在量测方面首要运用在要害尺衡量测，在检测范畴则用于电子束缺点检测、 电子束缺点复查。对栅极要害尺度的掌握可运用光学与电子束两种技能进行丈量，但二者的 功用有着较为显着的差异，依据衍射光学的要害尺度（OCD）丈量设备能够一次性获得许多 工艺尺度参数，便利性较强，但存在必定的丈量差错；而电子束要害尺衡量测设备运用扫描 电子显微镜（CD-SEM）有助于进一步进步丈量精度，但 CD-SEM 的丈量速度较慢且晦气 于集成，因此更多时分作为要害的辅助性设备进行运用。 在检测方面首要包含两品种型：电子束缺点检测设备及电子束缺点复查设备，二者联系密 切，在检测流程中分步运用。

　　电子束缺点检测设备首要合作集成电路先进制程节点工艺运用，与明/暗场光学检测设备相 比关于图形的物理缺点（颗粒、突起、桥接、空穴）等有更高的分辩率，关于电压衬度、 开路、短路、电阻过大等缺点也会有更高的辨认度，但因为其扫描办法为逐点扫描，全体 开展过慢，难以满意厂商对出产吞吐量的需求，因此无法全面铺开运用。现在国内的首要 设备是东方晶源出产的 EBI 系列，该产品经过屡次晋级优化现在已到达较为老练的水平。 电子束缺点复查设备相同是一种扫描电子显微镜，可经过高倍率调查缺点的描摹特征、尺 寸、缺点地点方位的布景环境并进行剖析，然后判别缺点发生的原因和对应的工艺进程， 并对此进行针对性的缺点改进。国内抢先企业是精测电子，其出产的 Review-SEM 系列产 品对光学检测成果具有较高分辩率的复查、剖析、分类功用，现在已交给中芯世界。

　　国内现在正在大力推动芯片制作产能的进一步扩张，竭力进步芯片国产化率，鉴于量测/检 测设备关于进步良率的重要意义，全体晶圆厂产线的国产化会大幅进步国内关于量测/检测 设备的需求。当晶圆厂在拓荒新产线时，出产类设备在刚刚进厂时，其参数往往无法满意产 线的需求，因为产线的每一道工艺都有其特殊需求，此刻量测/检测设备的介入有助于完善 出产类设备的运转参数，使得产线敏捷匹配相应需求并快速完结量产。当时的芯片国产化仍 依据老练工艺展开，而在先进工艺阶段推动缓慢，关于高端芯片的制作仍存在许多需求霸占 的问题。14nm 及以下的先进出产线研制、旧产线引入新设备时，均需求量测/检测设备进行 进程工艺操控，来进步产品良率，一起进一步进步出产设备的匹配程度。跟着近年来各晶圆 厂工艺、产能的不断迭代，检测/量测设备商场呈现快速增加的态势。

　　但现在来看，国内量测/检测设备的出产厂家无法完结进程工艺的全掩盖，各企业掩盖规划 存在必定差异。依据企业布局，国内厂商在纳米图形晶圆缺点检测设备的商场规划最大， 可达 18.9 亿美元，现在精测电子已完结量产，一起中科飞测也在研制阶段；要害尺衡量测 设备仅精测电子一家可投入运用，现在设备商场规划可达 7.8 亿美元；套刻精衡量测设备 仅中科飞测完结工业化验证阶段；晶圆介质薄膜量测设备方面，尽管精测电子、中科飞 测、上海睿励均完结量产，但全体商场放量缺乏，仅有 2.3 亿美元的商场规划。整个进程 操控设备范畴仍呈现高度依靠进口的现状。

　　现在国内晶圆厂首要依靠进口 KLA 相关量测/检测设备完结良率的进步，能够说 KLA 在中 国的客户简直包含了一切晶圆厂。不论是本乡的中芯世界、华虹宏利，抑或是合资企业如 三星、Intel 等。伴跟着国内强壮需求，中国商场也成为 KLA 最大的海外商场，从财务数据 来看，KLA 在大陆的营收自 2017 年以来呈现高速增加的态势。

　　现在来看，国内涵量测/检测设备范畴的代表企业有精测电子、中科飞测、赛腾股份等。各 企业的产品偏重全体差异较大，其间精测电子已在膜厚设备获得重复订单；中科飞测首要 布局无图形晶圆缺点检测设备、图形晶圆缺点检测设备以及三维描摹量测设备等；赛腾股 份深耕晶圆检测配备范畴，公司具有 SUMCO、三星、协鑫、奕斯伟、中环半导体、金瑞 泓等优质客户。

　　精测电子于 2006 年树立于武汉，经过一系列拓宽现在现已展开成为集半导体、面板、新能 源一体的高新技能企业。受面板出资周期性影响，公司在 2018 年大力拓宽事务，以子公司 上海精测为切入点进军半导体商场，现在已成为前道进程工艺操控的国内领军企业。 在详细事务方面，公司在技能及功用层面根本完结前道制程的量测/检测设备全掩盖。其间 代表产品包含上海精测的膜厚量测设备、OCD 要害尺衡量测设备、电子束缺点复查设备； 精积微的光学缺点检测设备等。

　　公司深耕半导体板块的技能研制。自 2018 年上海精测树立以来，公司研制费用逐年增 加，高薪引入大批技能人员，其间不乏硕士、博士。因为上海精测的半导体事务根本是从 0 开端，前期高强度的研制投入也在必定程度影响了精测电子的全体成绩，该公司现在净 赢利仍旧为负值，但全体呈上涨趋势。

　　经过前期的研制投入，精测近几年在事务层面完结打破，不只完结了中心零部件的深度自 研，一起在系列产品上得到实质性开展，上海精测已成为国内掩盖面较广、开展抢先的半 导体量测/检测设备供给商。详细而言，公司现在在电子束设备上现已完结订单打破；主打 设备明场光学缺点检测体系已获得打破性订单，现在现已出机；OCD 要害尺衡量测设备已 顺畅经过多家客户验证；电子束设备方面，公司 Review-SEM 产品及 CD-SEM 现已完结 出货。

　　中科飞测以深圳总部为据点，首要会集研制有无图形缺点检测及描摹量测设备的精细控 制，研制本钱虽逐年进步，但因为公司全体已构成规划，研制费用率现已安稳在较低水 平。无图形缺点检测设备系列、三维描摹设备系列等现在可老练运用在 28nm 及以上制程 的产线 年完结净赢利正增加，现在已进入成绩增加时间。

　　公司长时间致力于高端半导体质量操控设备的工业化展开，其间心三大产品均完结比肩世界 水准：无图形缺点检测设备在集成电路范畴可完结的最小灵敏度分别为 60nm 和 23nm， 与 KLA 在同类产品完结共同的功用参数；图形缺点检测设备首要运用于先进封装范畴，目 前设备精度已完结亚微米量级，现在设备的灵敏度和吞吐量灵敏性较高，可满意不同客户 需求，公司设备与立异科技等世界竟品功用适当，已在华天科技等闻名封装厂商产线上实 现无不同运用，公司现在仍在活跃研制规划纳米级图形晶圆缺点检测设备；三维描摹量测 设备可用于集成电路前道制程，设备现在可到达 0.1nm 的重复精度，能够支撑 2Xnm 及以 上制程工艺的三维描摹丈量。

　　赛腾股份原主营消费电子智能配备工业，在 2019 年收买全球抢先晶圆检测设备供给商— 日本 OPTIMA 后加快晶圆检测配备范畴的布局，进一步开辟企业高端半导体设备产品线。

　　OPTIMA 侧重开发缺点检测设备，其间边际检测体系首要用于对晶圆边际缺点进行检测和 分类；反面微观监测体系首要对晶圆反面的缺点/污染进行高灵敏度检测，并对器材制作过 程中提取的缺点进行三维明晰丈量；边际、正/反面检测设备则是用于检测晶圆制作(抛光/外 延)进程中呈现的各种晶圆边际/双面缺点；针孔缺点检测设备运用红外线技能检测晶体生长 进程中发生的内部或反面针孔缺点。 赛腾以“全球技能+中国商场”的战略部署敏捷拓宽国内商场，遭到国产代替性的急迫需 求，赛腾现在具有较多安稳的优质客户，未来成绩有望进一步增加。

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