｜2020年全球晶圆制造环节检测设备市场规模约80亿美元

2020全球半导体设备销售额712亿美元，同比+19.2%，中国半导体设备销售额187.2亿美元，同比+39.2%。中国半导体设备销售额占比从2017年14.5%提升至2020年26.3%，首次成为半导体设备的最大市场。SEMI预测2021/2022年全球半导体设备销售额为953/1013亿美元，假设中国市场占比稳定在26%，预计中国半导体设备销售额为248/263亿美元，合1604亿元/1701亿元，分别同比+32%/+6%（人民币兑美元汇率取6.468，下同）。

2020年，晶圆制造环节占半导体设备销售额86.12%。半导体设备主要包含晶圆制造设备、（封测环节）检测设备和封装设备三类，SEMI报告披露2020年三者分别占比86.1%、8.5%和5.4%。

晶圆制造主要包含八大环节，晶圆制造环节检测设备价值量占比约为13%。2020年，晶圆制造环节设备销售额约为613亿美元，因此预计2020年全球晶圆制造环节检测设备市场规模为79.69亿美元。

｜晶圆制造环节检测设备分为量测和缺陷检测，国产化率极低

晶圆制造环节检测设备（过程工艺控制）主要包括量测类设备和缺陷检测类设备，价值量占比分别为40%和50%，控制软件等其他设备占剩余10%。

｜三种分类标准：检测目的、应用范畴、技术原理

按照不同的分类方法，集成电路可以被分成不同的类型。

1）按照检测目的可以分为量测（Metrology）和缺陷检测（DefectInspection）

2）按照应用范畴主要可以分为关键尺寸测量（OpticalCritical Dimension OCD）、薄膜的厚度测量(FilmMetrology)、套刻对准测量(OverlayMetrology)、光罩/掩膜检测(ReticleInspection)、无图形晶圆检测（Non-patternedWafer Inspection）、图形化晶圆检测(PatternedWafer Inspection）、缺陷复查(ReviewSEM)

3）按技术原理可以分为光学检测设备（OpticalInspection Equipment），电子束检测设备（E-beamInspection Equipment）和其他检测设备。

1、关键尺寸量测

半导体制程中最小线宽一般称之为关键尺寸，其变化是半导体制造工艺中的关键。随着关键尺寸越来越小，容错率也越小，因此必须要尽可能的量测所有产品的线宽。eg：在半导体晶圆的指定位置测量电路图案的线宽和孔径。

2、薄膜厚度量测

在整个制造工艺中硅片表面有多种不同类型的薄膜，包含金属、绝缘体、多晶硅、氮化硅等材质。晶圆厂为生产可靠性较高的芯片时薄膜的质量成为提高成品率的关键，其中薄膜的厚度、反射率、密度等都须要进行精准的量测。eg：测量半导体晶圆表面薄膜的厚度。

3、套刻对准量测

套刻对准测量应用在光刻工艺后，主要是用于量测光刻机、掩模版和硅片的对准能力。量测系统检查覆盖物的准确性（叠加工具）测量用于检查传输到晶圆上的第一层和第二层图案的射覆盖精度。

｜光罩/掩模检测：捕获光罩缺陷和图案位置错误，降低缺陷引发风险

光罩/掩膜检测远比其他应用，例如无图案或图案晶圆检测重要。这是因为，虽然裸晶圆或图案晶圆上的单个缺陷有可能损坏一个器件，但掩模版上的单个缺陷可能会摧毁上千个器件。

通常，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转印质量，如果不进行处理会进一步引起良率下降。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。

Fab中对掩模缺陷的检测分为在线和离线两种。在线检测是指每次曝光之前和之后对掩模板表面检测。掩模检测系统工作原理可见下图：这通常是依靠光刻机中内置的检测单元来完成的。离线检测是指定期地把掩模从系统中调出来做缺陷检测。

｜EUV光罩/掩模检测：波长更短，检测灵敏度更高

传统的检查EUV 光掩膜的方法主要是将深紫外光（DUV）应用于光源中。DUV光虽然也可以应用于当下最先进的工艺5纳米中，但是Lasertec 公司的经营企划室室长三泽祐太朗指出，“随着微缩化的发展，在步入2 纳米制程时，DUV的感光度可能会不够充分”即，采用EUV 光源的检测设备的需求有望进一步增长。

极紫外（EUV）的波长较DUV 更短，产品缺陷检测灵敏度更高。EUV掩模版的检测原理为：电磁波辐射到细小缺陷颗粒上被散射形成暗场，这样可以实现缺陷的检测，系统采用364nm 的工作波长，对于基地大小为88nm 的缺陷，检测可行度为97%。

EUV光罩（半导体线路的光掩模版、掩膜版）检验设备最近几年需求增长尤其旺盛，在这个领域，日本的Lasertec Corp.是全球唯一的测试机制造商，持有全球市场100%的份额。

｜无图形晶圆检测：检出裸晶圆颗粒及缺陷，奠定图形化检测基础

无图形化检测指在开始生产之前，裸晶圆在晶圆制造商处获得认证，半导体晶圆厂收到后再次认证的检测的检测过程。

用于无图形晶圆缺陷检测的基本原理相对简单。激光束在旋转的晶圆表面进行径向扫描，以确保光束投射到所有晶圆表面。激光从晶圆表面反射，当激光束在晶圆表面遇到粒子或其他缺陷时，缺陷会散射激光的一部分。可直接检测散射光（暗场照明）或反射光束（亮场照明）中强度的损失，从晶圆旋转角度和激光束的半径位置，计算和记录了粒子/缺陷的位置坐标。

晶圆的旋转位置和光束的径向位置决定了缺陷在晶圆表面的位置。在晶圆检测工具中，使用PMT 或 CCD方式记录光强度，并生成晶圆表面的散射或反射强度图。此图提供有关缺陷大小和位置的信息，以及由于颗粒污染等问题而导致的晶圆表面状况的信息。

｜图形化晶圆检测：比较图像生成缺陷图，识别物理和高纵横比缺陷

图形化定义：图形化使用光刻法和光学掩膜工艺来刻印图形，在器件制造工艺的特定工序，引导完成晶圆表面的材料沉积或清除。对于器件的每一层，在掩膜未覆盖的区域沉积或清除材料，然后使用新的掩膜来处理下一层。按照这种方式来重复处理晶圆，由此生成多层电路。

图形化晶圆的光学检测可采用明场照明、暗场照明，或两者的组合进行缺陷检测。此外，电子束（EB）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。然而，它非常缓慢，只在研发阶段使用。模纹晶圆检测系统将晶圆上的测试芯片图像与相邻芯片（或已知无缺陷的"金"模片）的图像进行比较。缺陷的位置会生成缺陷图，类似于为无图案晶圆生成的图。与无图案晶圆的检查一样，图形化晶圆检测需要精确且可重复的运动控制，测试系统的晶圆级和光学元件同时移动。

｜缺陷复查检测：放大缺陷图像进行甄别，提供依据优化制程工艺

随着半导体集成电路工艺节点的推进，作为晶圆厂制程控制主力设备的光学缺陷检测设备的解析度已无法满足大规模生产和先进制程开发需求，必须依靠更高分辨率的电子束复检设备的进一步复查才能对缺陷进行清晰地图像成像和类型的甄别，从而为半导体制程工艺工程师优化制程工艺提供依据。

缺陷复查是一种使用扫描电子显微镜（SEM）检查晶圆上的缺陷。使用缺陷复查将半导体晶圆缺陷检测系统检测到的缺陷放大为高放大倍率图像，以便对该图像进行检阅和分类。缺陷复查设备主要与电子设备和其他半导体生产线的检测系统一起使用。

｜技术原理分类：光学、电子束检测，应用互补，多方位检测

光学检测、电子束检测两者在制程工艺的检测中应用互补。光学的特点在于快速与完整，通常可以全天候进行检测，在需要实时检测以及离工艺机台较近甚至直接与工艺机台集成的应用场景下就会使用光学检测，通过光的反射、衍射光谱进行测量，具备检测速度快、成本低、范围广的优点；但是传统光学的波长是奈米等级，无法做非常精细的检测，所以会再使用电子束做更精细的检测。

电子束波长是皮米等级，可以高分辨率的采集图像进行分类与分析。对于工艺的检测必须要精确评估，如果未检测到制程偏移和潜在良率问题，会使得生产的产品无法使用，因此需要多项检测设备进行多方位的检测。

｜晶圆制造环节检测设备KLA一家独大，2020年市占率达58%

根据Gartner数据，2020年KLA占晶圆制造环节检测设备市场58%的销售额份额，应用材料、日立高新则分别占比12%、5%，三家合计占比75%，市场集中度较高且被海外公司垄断，国内主要公司有上海睿励、精测电子、赛腾等，市场份额不足1%。

｜KLA：晶圆制造环节的检测设备龙头

｜中国主要厂商：紧握细分市场机遇