摘要：半导体检量测设备有利于提升芯片良率。检量测设备可以迅速准确地定位并检查工艺流程中的特定区域，实时上传数据至生产线控制系统，以便调整生产设备参数并预警异常，确保工艺稳定并维持生产线的连续运作。
半导体检量测设备有利于提升芯片良率。检量测设备可以迅速准确地定位并检查工艺流程中的特定区域，实时上传数据至生产线控制系统，以便调整生产设备参数并预警异常，确保工艺稳定并维持生产线的连续运作。
先进制程对检量测设备也提出了更高的要求。28n工艺涉及数百道工序，而14nm及以下工艺则增至近千道。YOLE数据显示，工艺每进步一代，致命缺陷数量增加50%，要求每道工序良品率极高以确保最终产品合格。
检量测设备壁垒极高，光机电算法需全面掌握。检量测设备需要光学、电子学、运动平台、探测器、数据计算软件等多个系统密切配合，随着制程技术的发展，检测和测量所需的分辨率和参数增多，这不仅提高了对光学镜头和探测器等关键部件的精密性要求，也使得算法的复杂性呈指数级增长。
中国检测量测市场巨大，但国产化率较低。2020年起中国大陆连续两年成为全球第一大半导体设备市场。从各个环节检测设备来看，供应商集中度更高，国外在大多数半导体前道和中道的量测设备中，都占据了绝对主导的位置，国产化率较低。
一、半导体检量测设备概述
（一）半导体检量测设备对于芯片制造良率至关重要
1、半导体检量测设备有利于提升芯片良率
芯片制造过程中会产生颗粒、互连、静电损伤等工艺缺陷。以芯片前道制程为例，其具体缺陷包括：空气中的分子污染或由环境引起的有机物或无机物颗粒；工艺过程引起的划痕、裂纹和颗粒、覆盖层缺陷和应力；在从掩模到晶片的图形转移过程中，由于设计偏差导致的布局和关键尺寸的偏差和变化等。
过程工艺控制设备有利于提高良品率。为了获取尽量高的芯片成品率，检量测设备需要快速、准确地找到工艺流程中规定的测量区域去完成检查和测量，并自动将数据实时上传至生产线控制终端系统，为各工艺段的生产设备的参数微调提供依据，并预警设备异常，从而保证每道工艺均落在容许的工艺窗口内，使整条产线平稳、连续的运行。
图表1: 芯片前道制程中的主要缺陷
资料来源：ITRS 2015，《中国集成电路检测和测试产业技术创新路线图》
2、制程演进、工艺复杂，检量测重要性日渐凸显
随着制程的发展，集成电路前道工艺的步骤越来越多，也更加复杂。28nm工艺节点的工艺步骤有数百道工序，由于采用多层套刻技术，14nm及以下节点工艺步骤增加至近千道工序。根据YOLE的统计，工艺节点每缩减一代，工艺中产生的致命缺陷数量会增加50%，因此每一道工序的良品率都要保持在非常高的水平才能保证最终的良品率。随着制程越来越先进、工艺环节不断增加，行业发展对工艺控制水平提出了更高的要求，制造过程中检测设备与量测设备的需求量将倍增。同时先进制程对检量测设备也提出了更高的要求。
资料来源：《28纳米关键工艺缺陷检测与良率提升》龙吟
3、检测/量测设备贯穿晶圆制造全过程
检测设备根据工艺可细分为检测（Inspection）和量测（Metrology）两大类型，其应用在晶圆生产过程中，与测试设备原理完全不同。1）检测：在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷；2）量测：对被观测的晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测，如光阻材料长膜厚度、均匀度、应力等，化学反应后，线宽等是否符合要求。
资料来源：中科飞测招股书
资料来源：《半导体制造技术》
（二）半导体检量测设备的技术路径
1、光学检测
光学检测技术基于非接触式的光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得检测结果，晶圆表面杂质颗粒、图案缺陷等问题的检测和晶圆薄膜厚度、关键尺寸、套刻精度、表面形貌的测量均需用到光学检测技术。光学检测的优势在于通过对晶圆进行批量、快速的检测，能够满足晶圆制造商对吞吐能力的要求，但劣势在于相比电子束检测技术在测量精度上仍有差距。
2、电子束检测
先进制程对光学检测提出较大挑战，电子束检测能够有效补充光学分辨率瓶颈。光学检测目前是半导体质量控制的主要技术，具有速度快、无接触、易于在线集成等优势。但为了提高检测精度，目前最先进的检量测设备所使用的光源波长已包含DUV波段，同时不再单纯依靠解析晶圆上的图案来捕捉缺陷，而是通过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，能够检测的制程水平进一步提升。然而随着工艺节点继续发展，相比真正的缺陷，噪声在检测结果中的比例显著提升，光学检测在先进节点应用中的可靠性降低，而电子束与光学互补能够有效实现缺陷的检测。
电子束检测技术是指通过聚焦电子束至某一探测点，逐点扫描晶圆表面产生获得反射二次电子，分析二次电子获得检测结果。光学与电子束的主要区别在于发射波长，其中电子束波长更短，优势在于精度更高，但检测频率较低。电子束检测技术的相对低速度导致其应用场景主要在对吞吐量要求较低的环节，部分关键区域的表面尺度量测以及部分关键区域的抽检并跟随光学复检等。
3、X光检测
X光检测主要利用其吸收特性，穿透力强，应用于特定的场景，如检测超薄膜厚度、检测特定金属成分等。
资料来源：《集成电路制造在线光学测量检测技术：现状、挑战与发展趋势》陈修国等，中科飞测招股说明书
（三）半导体检量测设备分类
1、半导体量测设备分类
量测设备主要包括薄膜膜厚量测、关键尺寸量测、三维形貌量测、套刻精度量测等。
（1）膜厚及关键参数测量设备
晶圆片在制造过程中需要经历多次各种材料的薄膜沉积步骤，薄膜的厚度及均匀度会最终影响产品的性能，因此生产过程中需实时检测薄膜的厚度及其重要参数指标的情况，确保产品良率客观。目前基于多界面光学干涉原理的光学薄膜测量设备是最为常用的设备，通过对薄膜实测光谱的回归迭代最终得出薄膜厚度及光学常数。在实际操作过程中，对光谱的技术，光源发出的光以一定角度入射圆片表面，最终接收端通过对散射光的分析得出最终结果。测量方式中最常用的是椭圆偏振，得益于较高的精确度与稳定性，可适应目前的复杂多层膜结构及超薄膜结构的测量。未来随着芯片制程精度的提升，芯片上的可监控范围不断缩小、薄膜种类进一步增多，对光学薄膜测量设备的要求逐渐向灵敏度更高、测量稳定性更好的方向发展。
资料来源：KLA，日立高新，颐光科技官网
（2）关键尺寸（CD）的测量设备
在集成电路芯片中，栅极的尺寸精确度尤为重要，在光刻和刻蚀工艺后要求栅极尺寸基本不发生变化，作为电路中最微小的结构，栅极的细微变化会对整体性能产生巨大影响，此时便需要对关键尺寸进行测量。关键尺寸测量技术通过测量从晶圆表面反射的宽光谱光束的光强、偏振等参数，来进行求逆，进而测量光刻胶曝光显影、刻蚀和CMP等工艺后的晶圆电路图形的线宽、高度和侧壁角度等，从而提高工艺的稳定性。此外，对于较为先进的制程，需要通过电子显微镜（CD-SEM）实现，该设备可利用电子束移动快速且精准地识别图形进而完成线宽的测量。
OCD求逆过程包括正问题和反问题。正问题是通过合适的散射测量装置获取待测纳米结构的散射信息；反问题则是从测量得到的散射数据中提取待测纳米结构的三维形貌参数，即根据先验知识将形貌进行参数化，再对光和纳米结构相互作用进行建模，将散射信息与形貌参数关联起来。
图表8：关键尺寸包括线宽、高度、侧壁等
资料来源：KLA
资料来源：《集成电路制造在线光学测量检...技术：现状、挑战与发展趋势》陈修国
（3）三维形貌测量设备
目前的形貌测量主要通过接触式测量的方式对表面的圆片形貌进行测试，通过仪器的探针在圆片表面划过，形貌的数据信号便可传递到终端设备，当遇到有起伏的表面时便可得到有起伏的信号输出结果。但此类设备未来需考虑如何减少探针头接触圆片带来的损伤问题以及探针头本身的损伤问题，同时由于探针头较为坚硬，对于一些软质表面存在无法测量的问题。
图表10：三维形貌测试原理图
资料来源：《集成电路产业全书》（王阳元主编）
（4）套刻误差测量设备
套刻误差用来测量不同步骤形成电路图形的平面距离并发现其差异，目前最常使用的套刻误差测量系统是光学成像系统，其基本原理是利用光学显微成像技术获得目标图形的数字化图像，进而利用数字图像处理算法得出每一层套刻目标图形的边界位置，在得出中心位置后即可计算出圆片第n层与第n+1层图形结构中心的平面距离，即套刻误差。由于套刻测量存在系列误差，例如由测量系统引发的图形位移、带测圆片引发的图形位移、总测量不确定度等，如何减少测量误差成为了后续研究的关键问题。
图表11：套刻误差测量（Overlay）示意图
资料来源：《集成电路制造在线光学测量检...技术：现状、挑战与发展趋势》陈修国
2、半导体检测设备分类
检测主要包括掩模版、无图形缺陷检测和有图形缺陷检测。
（1）掩模版缺陷检测设备
针对光刻所用的掩模版，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，获取光刻掩模版上的图案图像，以很高的缺陷捕获率实现缺陷的识别和判定。
图表12：掩模版缺陷检测示意图
资料来源：中科飞测招股书
（2）无图形表面缺陷检测设备
无图形缺陷检测主要用于检测制造过程中物料的品质问题、薄膜沉积与CMP的工艺控制以及晶圆背面污染情况等。该设备工作原理是，将激光光束照射到圆片表面，通过采集散射光或者反射光，再利用算法提取并比对表面是否存在缺陷问题。目前为配合采取更高的灵敏度检测，需要采用更短的光学波长，目前研发多采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提升检测速度与灵敏度，同时需优化采集通道的分布及其孔径大小，进一步优化采集信号。
图表13：无图形缺陷检测光学结构示意图
资料来源：《集成电路产业全书》（王阳元主编）
（3）有图形表面缺陷检测设备
IC制造在实际的大批量制造过程中，由于不可避免存在各种工艺误差和环境污染，因而生成的 IC 纳米结构也不可避免存在各种缺陷，不仅包括纳米颗粒、凹陷、突起、刮伤、断线、桥接等表面缺陷，还包含空洞、材料成分不均匀等亚表面和内部缺陷。有图形设备分为暗场与明场两种路径。
暗场设备是收集晶圆表面散射回来的光信号来分析，暗场设备的入射光则被全反射，其接收到的是散射光信号。而明场设备是收集晶圆表面垂直反射的光信号来分析缺陷，设备反射回来的光是相对比较完整的入射光。亮场和暗场缺陷扫描设备均是通过识别和判断晶圆缺陷是通过分析晶圆上相邻的 3 个晶粒（Die）的差异来实现的。经过左右对比，有差异的地方就被认为是缺陷。
图表14：明场有图形缺陷检测光学结构示意图
资料来源：《集成电路制造在线光学测量检技术：现状、挑战与发展趋势》陈修国，《28纳米关键工艺缺陷检测与良率提升》龙吟
3、电子束检量测设备构成及分类
扫描电子显微镜基本结构包括电子光学系统、信号收集处理系统、图像显示和真空系统、电源及控制系统五个部分，其中，电子光学系统为核心部分。扫描电子显微镜的研制难点在于高质量电子光学系统生产困难、透镜内探测器设计难度较大等。
图表15：电子束检量测设备基本构造
资料来源：HMI
半导体前道检量测领域，常见电子束检测设备主要包括电子束缺陷检测设备（EBI）、电子束缺陷复查设备（DR-SEM）和电子束关键尺寸量测设备（CD-SEM）三类。EBI设备相比普通光学检测设备，具有更高分辨率，并能通过电压衬度检测隐藏缺陷，但受限于检测速度，主要用于抽样检测。DR-SEM设备是根据光学检测或电子束检测设备提供的坐标，对缺陷进行复检分析。CD-SEM设备则是用于测量图形关键尺寸，相比普通SEM，CD-SEM的一次电子束能量较低，注重高精度、高速度、自动化的尺寸测量。
图表16：电子束检测设备主要类型
资料来源：AMAT，日立高新等
二、半导体检量测设备市场分析
（一）检量测设备壁垒极高，光机电算法需全面掌握
检量测设备需要光学、电子学、运动平台、探测器、数据计算软件等多个系统密切配合，每个设备厂商针对上述系统都有独特设计和大量的独家knowhow，行业壁垒极高。尤其是随着制程的进步，需要检量测的分辨率和参数增加，一方面对光学镜头、探测器等上游零部件提出更精密的要求，另一方面参数的增加使得算法难度呈现指数型上升。
图表17：设备壁垒包括光学镜头、光源、探测器、运动平台及算法
资料来源：中金汇融
（二）行业趋势：光学分辨率、检测速度及算法能力提升
主流半导体制程正从28nm、14nm向10nm、7nm发展，三维FinFET晶体管、3DNAND等新技术亦逐渐成为目前行业内主流技术。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，生产成本呈指数级提升。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。
光学分辨率提升：检测系统光源波长下限进一步减小和波长范围进一步拓宽是光学检测技术发展的重要趋势之一。此外，提高光学系统的数值孔径也是提升光学分辨率的另一个突破方向。为满足更小关键尺寸的晶圆上的缺陷检测，必须使用更短波长的光源，以及使用更大数值孔径的光学系统。
检测速度和吞吐量提升：半导体质量控制设备是晶圆厂的主要投资支出之一，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集成电路制造厂商的平均晶圆检测成本，从而实现降本增效。
算法精准度和抗噪提升：在接近光学系统极限分辨率的情况下，最新的光学检测技术已不再简单地依靠解析晶圆的图像来捕捉其缺陷，而需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。
图表18：光学分辨率、检测速度及算法能力提升
资料来源：中金汇融
（三）中国检测量测市场将近300亿元，国产化率较低
半导体设备市场呈现周期成长，2016进入快速成长期。半导体装备市场最近十年增长迅速，其中2016年行业进入快速成长期，复合增速20%，2021年全球半导体设备市场为1,026亿美元。2016~2021年中国大陆半导体设备的市场规模从64.5亿美元增长到296亿美元，复合增速36.5%，2020年起连续两年成为全球第一大半导体设备市场。
检量测设备价值量占比为12%左右，国内市场空间高达300亿人民币左右。根据SEMI数据，2023年全球半导体设备市场规模达到了1,063亿美元，因此估算全球半导体检量测设备市场规模约为130亿美元。同时2023年中国大陆半导体设备市场规模342亿美元，国内检量测设备行业规模约为300亿元。
图表19：全球半导体设备市场规模（十亿美元）
资料来源：semi
赢者通吃，KLA一家独大，全球市场份额超过50%。根据VLSI Research统计，2020年全球前五大半导体量测公司KLA、应用材料、日立、雷泰光学和创新科技市场份额合计超过82.4%，市场集中度较高，KLA一家独大，全球市场份额为50.8%。
从各个环节检测设备来看，供应商集中度更高，KLA在大多数半导体前道和中道的量测设备中，都占据了绝对主导的位置。
图表20：2020年全球及国内检量测设备竞争格局
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来源：万创投行
