必一体育:给半导体检查身体的设备和光刻机一样难造？

　　光刻机、刻蚀机对造芯片的重要性已不言而喻，但若没有质量控制设备，同样无法造芯。就像医疗领域的 CT、彩超、生化分析仪等辅助检测身体状况的设备一样，半导体质量控制设备也是给芯片“体检”的工具，统称半导体检测设备。

　　今年 5 月 19 日，中科飞测科创板上市，其主要业务便是国产化率只有 2% 的半导体检测和量测设备[1]，上市首日较发行价涨 189.62% 的成绩，预示着半导体质量控制设备将不再是隐形赛道。

　　在本文中，你将了解到：半导体质量控制设备概念具体指代什么，半导体质量控制设备国内外整体发展情况，国产设备商的出路。

　　半导体检测作为半导体质量控制较为广义的表达方式，业内指称较为混乱。严格意义上，半导体质量控制分为检测、量测、测试三种工艺，所指代的技术也有所不同：

　　检测（Inspection）：指对晶圆表面或电路的特征性结构缺陷进行检测，防止影响芯片成品的工艺性能，比如颗粒污染、表面划伤、开短路等；

　　量测（Metrology）：指对晶圆电路的结构尺寸和材料特性做出量化描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等；

　　对应上述三种工艺的设备，分别称为半导体检测设备、半导体量测设备、半导体测试设备。另外，除工艺制程的检测设备外，设计验证阶段也存在第三方检测公司进行芯片失效分析，有时也会略称为检测，容易混淆。[3]

　　质量控制决定着芯片生产的良率，集成电路生产工艺复杂，仅前道制程就存在数百道工序，量变引发质变，每道工序的缺陷都会随时间推移而被放大到数倍甚至数十倍，所以只有保证每道工序都不存在缺陷，才能保证最终成品的性能。

　　换句话说，生产每走一步，就要用半导体质量控制设备查看一次生产情况。根据生产环节不同，半导体质量控制分为前道检测、中道检测和后道测试。

　　前道检测：又称为过程工艺检测，面向晶圆制造，检查光刻、刻蚀、薄膜沉积、清洗、CMP 等晶圆制造环节后产品加工参数是否达到设计要求或存在影响良率缺陷，偏向物理性检测；

　　中道检测：一种新兴概念，面向先进封装，以光学等非接触式手段针对重布线结构、凸点与硅通孔等晶圆制造环节的质量控制；

　　后道测试：面向晶圆检测（CP，Circuit Probing，又称中测）和成品测试（FT，Final Test，又称终测），检查芯片性能是否符合要求，偏向电性能检测。[4]

　　从全球半导体制造设备市场来看，15%~20% 的钱都花在了质量控制设备上。细分市场方面，检测设备、量测设备、测试设备分别占全球质量控制设备市场的 48%、6%、46%，同时形成了截然不同的前道检测和后道测试市场。[5]

　　几纳米的误差、尺寸变化、颗粒或图像错误，都会导致芯片无法正常工作，假若前道工艺每道工艺良率损失 0.1%，最终良率就会降低到 36.8%[7]。检测和量测设备作为前道检测两大设备，能够有效控制制造过程，提高产量。

　　量测设备：用于测量透明 / 不透明薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、光刻套准精度等指标，对应设备分为椭偏仪、四探针、原子力显微镜、CD-SEM、OCD-SEM、薄膜量测等；

　　检测设备：用于检测晶圆表面缺陷（包括异物缺陷、气泡缺陷、颗粒缺陷等），分为明 / 暗场光学图形图片缺陷检测设备、无图形表面检测设备、宏观缺陷检测设备等。[2]

　　检测和量测设备有三个基础要点：一是扫描必须覆盖整个晶圆，同时保证缺陷密度在数百个工艺步骤后趋近于零；二是扫描速度必须足够快，否则难以及时反馈制造过程的真实情况，普遍为几分钟到一小时之内，要在几分钟内检查整个晶圆，需要大于 1010像素每秒的数据速率，现今多数先进系统常采用并行读取数百像素的方式保证传输速率；三是检测和量测系统必须完全自动化，且 24 小时不间断运行，而预防性维护至少每三个月执行一次。[9]

　　技术路线上，检测和量测分为光学检测、电子束检测、X 光量测三种，三种技术在灵敏度、吞吐量等参数上各有所长，实现的应用场景有所差别，同时三种技术均可应用于 28nm 及以下（成熟制程和先进制程分界线）的全部先进制程。

　　随着半导体行业发展渐深，检测和量测设备也逐渐跟上步伐，行业发展可分为两个阶段。第一阶段是对灵敏度和可重复性要求不断提升，随之而来的，是监控晶圆成本的上升；第二阶段是对可靠性和易用性上提出需求，与此同时，芯片制造商对于性价比的追求，压力不断回传至制造商。展望未来，两种设备拥有以下发展趋势：

　　量测设备：薄膜测量已从简单的单层厚度测量发展到多层厚度和折射率测量，同时薄膜质量和化学计量已变得和薄膜厚度控制一样重要，随着晶圆尺寸增加，行业对其经济效益、精度和系统对系统匹配上提出更多要求，未来趋势是监测加工腔内加工参数，而不是薄膜特性，此外，因分辨率高、速度低、点扫描等特性，而只能活跃在研究领域的电子显微镜，也已开始在特定缺陷检查中应用，如测量光刻胶中线空间阵列的临界尺寸；[9]

　　检测设备：从 300mm 晶圆，再到越来越逼近极限的制程节点，对检测系统灵敏度、吞吐量、可重复性和自动化等指标要求早已不同往日，伴随临界尺寸逐渐缩小，灵敏度要求只会越来越高，与之相对的是，高灵敏度检测成本极高，这是行业不得不面对的现实[10]。未来，新器件结构（GAAFET）、新材料（石墨烯、碳纳米管、二硫化钼等）、新芯片形态（神经拟态计算）等都会为检测设备带来更多难题，而机器学习、深度学习、亚波长成像技术是潜在的颠覆性技术。[11]

　　半导体检测和量测设备研发难度高，投入大，但市场空间不如中下游集成电路或芯片那般大，且增速较为平稳。数据显示，全球半导体量测设备将从 2021 年的 73 亿美元提升至 2031 年的 133 亿美元，年复合增长率 6.2%，同时这一领域全球集中度极高，科磊半导体（KLA）、应用材料（Applied Materials）、日立（Hitachi）三家全球市场占比分别为 50.8%、11.5%、8.9%。[12]

　　我国半导体检测与量测设备国产化率极低，2020 年我国半导体检测和量测设备国产化率约为 2%，科磊半导体、应用材料、日立三家公司分别占据我国检测和量测设备市场的 54.8%、9.0%、7.1%。而我国整体市场占全球市场约 27.4%，根据推算，2023 年我国检测和量测设备市场规模能够达到 326 亿元。[13][14]

　　专利角度来看，中国非常重视半导体检测技术，并已展开市场竞争。智慧芽数据显示，以半导体检测为关键词搜索，在 170 个国家 / 地区中，共 3210 条专利，总价值 109,148,100 美元。

　　技术生命周期方面，自 1957 年开始，半导体检测技术开始被关注。1957 年~1975 年相关专利申请书一直为个位数，技术关注度并不高。1976 年~2001 年时期，申请量和申请人逐年上升，可视作技术萌芽期。2002 年~2022 年，每年相关专利申请数量保持在 100~132 个，市场关注度保持稳定，综合各种因素预计，未来两年专利申请数将微量增长。

　　技术来源国 / 地区方面，日本、中国、美国、韩国、德国位列半导体检测领域前五，分别占比 39.43%、15.26%、15.22%、8.7%、6.84%。

　　纵观五局流向图，日本与美国的半导检测技术相关专利出海情况较为良好，而中国则集中在国内，缺乏出海专利。

　　从半导体检测领域专利申请人情况来看，科磊、日立专利储备大幅领先市场其余玩家，东芝、松下、三菱、滨松光子、三星电子、通用电气、住友重机械、瑞萨、日本电气、横河电机等企业在半导体检测专利领域也极为活跃。

　　国内方面，开尔文测控、中科飞测、长鑫存储、翼云电子、联讯仪器等国内新进入者在近几年较为活跃，后续表现值得关注。

　　半导体量测专利领域不如检测领域那样热闹，智慧芽数据显示，在 170 个国家 / 地区中，共 27 条专利，总价值 2,487,600 (美元)，其中中国包揽了 47.62% 的相关专利，其次是美国（33.33%）、韩国（9.52%）。主要企业包括科磊、上海精测半导体、汎铨科技、长鑫存储、思达科技、真芯半导体、中科院微电子所等。

　　在行业中，封装和测试多被划入一个领域，即封测 (Semiconductor assembly and test manufacturing，ATM) ，工艺流程包括划片、装片、 键合、塑封、去飞边、电镀、打印、切筋和成型、外观检查、成品测试、包装出货等。[15]

　　相对于穿插在每道工序间的检测和量测设备，测试设备穿插在封装工艺的一前（晶圆检测）和一后（成品测试）。

　　简单来说，就是在一颗颗芯片从刻好电路的晶圆上切割下来前，测试一遍各种参数，通过测试后，再像装香肠一样，封装成芯片，之后再测试一遍芯片的性能。

　　测试设备包括测试机（Tester）、探针台（Prober）、分选机（Test Handler）三种，无论是晶圆检测还是成品测试，测试芯片均需先将芯片引脚与测试机功能模块相连（探针台和分选机的作用），再通过测试机向芯片输入信号，并检测输出信号。[16]

　　三种测试设备中，测试机市场更大，技术壁垒也更高，不止如。