2022年半导体检测和量测设备分析
一、半导体检测和量测设备概述
1、产业概述
检测指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；量测指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。
检测和量测应用示意图
资料来源：中科飞测招股书，华经产业研究院整理
2、分类状况
从技术原理上看，检测和量测包括光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术等。目前，在所有半导体检测和量测设备中，应用光学检测技术的设备占多数。光学检测技术基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得检测结果。在生产过程中，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。
检测和量测技术分类状况
资料来源：公开资料整理
二、检测和量测技术背景
1、检测
在检测环节，光学检测技术可进一步分为无图形晶圆激光扫描检测技术、图形晶圆成像检测技术和光刻掩膜板成像检测技术。
检测环节光学检测技术分类情况
资料来源：公开资料整理
2、量测
在量测环节，光学检测技术基于光的波动性和相干性实现测量远小于波长的光学尺度，集成电路制造和先进封装环节中的量测主要包括三维形貌量测、薄膜膜厚量测、套刻精度量测、关键尺寸量测等。
量测环节光学检测技术分类状况
资料来源：公开资料整理
三、全球检测和量测设备现状
1、市场规模
全球半导体检测和量测设备市场规模来看，随着半导体下游消费电子和PC等需求2020-2021年市场回暖尤其是2021年明显增长，量检测设备全球市场空间持续扩张。根据数据，全球市场2020年半导体检测与量测设备市场规模为76.5亿美元，2016-2020年CAGR12.6%，2021年整体半导体产业大增，估计检测和量测设备规模提升明显。
2016-2020年全球半导体检测和量测设备市场规模及增长率
资料来源：中科飞测招股书，华经产业研究院整理
2、细分市场
量测设备细分品类较多。根据数据，2020年半导体检测和量测设备市场各类设备占比中，检测设备包括无图形晶圆缺陷检测设备、图形晶圆缺陷检测设备（可细分为微米级和纳米级）、掩膜检测设备等；量测设备包括三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备（晶圆介质薄膜量测设备）、套刻精度量测设备、关键尺寸量测设备、掩膜量测设备等。
2020年全球半导体检测和量测设备细分设备规模及占比
资料来源：中科飞测招股书，华经产业研究院整理
3、技术结构
量检测设备分为光学和电子束技术路线，其中光学占主流。2020年全球半导体检测和量测设备市场中，光学、电子束占比分别为75.2%、18.7%。由于下游厂商对量产高速的需求，光学检测技术设备仍然占据了主要的市场份额。
2020年全球半导体检测和量测设备技术结构占比
资料来源：中科飞测招股书，华经产业研究院整理
四、中国检测和量测设备现状
就国内检测和量测设备现状而言，目前国内整体半导体检测和量测设备市场规模占比全球市场25%左右且保持持续提升趋势，数据显示，2021年我国检测和量测设备规模为29亿美元，同比2020年增长61.1%，增速远高于全球规模，占比全球份额持续提升，但目前国内市场仍主要被国际企业占据主要市场，技术和企业之间适配性待提升。
2016-2021年中国检测与量测设备市场规模及增长率
资料来源：公开资料整理
五、检测和量测设备竞争格局
1、竞争格局
全球半导体检测和量测设备市场呈现国外设备巨头垄断格局。根据数据，全球市场中，2020年科磊半导体市占率超过50%，应用材料、日立、雷泰光电、创新科技等前五大公司合计市场份额占比超过了82.4%，市场集中度较高。中国市场中，科磊半导体达到58.4%，呈一家独大格局，前五大公司合计市场份额占比达到78.1%。
本土企业市场份额较低，其中中科飞测产品主要包括无图形晶圆缺陷检测设备系列、图形晶圆缺陷检测设备系列、三维形貌测量设备系列和薄膜膜厚量测设备系列等产品，已应用于国内28nm及以上制程的集成电路制造产线。上海睿励致力于集成电路生产前道工艺检测领域设备研发和生产，产品主要为光学膜厚测量设备和光学缺陷检测设备，以及硅片厚度及翘曲测量设备等。上海精测半导体前道检测设备领域，以椭圆偏振技术为核心开发了适用于半导体工业应用的膜厚测量以及光学关键尺寸量测系统的产品，目前中科飞测、精测电子、上海睿励2021年在国内检测量测设备市场份额仅1.9%、0.7%、0.2%。
2020年全球半导体检测和量测设备市场格局
资料来源：中科飞测招股书，华经产业研究院整理
2、主要企业
KLA Instruments和 Tencor Instruments相继成立于1976年和1977年，并于1997年合并成立科磊半导体，总部位于美国硅谷。该公司聚焦于检测设备的研发、生产和销售，其产品线涵盖了质量控制全系列设备。根据科磊半导体2022年年报披露显示，其检测和量测设备实现营业收入79.25亿美元，占比企业整体营收86%左右。
2019-2022财年科雷半导体半导体过程控制营收
资料来源：企业公报，华经产业研究院整理
康特科技成立于1987牛，总部位寸以色列米格达勒埃姆克。该公司是半导体行业高端检测和量测设备的制造商，其产品应用于前道、先进封装等领域，为众多行业内领先的全球IDM、OSAT和代工厂提供服务。根据康特科技2021年年报披露显示，其全年实现营业收入2.70亿美元，其中检测和量测设备营收2.59亿美元，占比96.2%。
2017-2021年康特科技检测和量测设备营收变动
资料来源：企业公报，华经产业研究院整理
阿斯麦（荷兰）量测业务优势领域在套刻误差测量、电子束检测，应用材料（美国）优势领域也在电子束检测，新星测量仪器（以色列）优势领域在膜厚检测设备，日立（日本）则主要是CD-SEM（关键尺寸量测-电子束）处于行业领先地位，雷泰光电（日本）则聚焦EUV掩模版检测，创新科技（美国）优势在于关键尺寸测量和缺陷检测。
六、发展趋势
1、技术趋势
随着集成电路器件物理尺度的缩小同时逐渐向三维结构发展，需要检测的缺陷尺度和测量的物理尺度也在不断缩小的同时三维空间的检测业在持续渗透。
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要求，行业内进行了许多技术改进，例如增强照明的光强、光谱范围延展至DUV波段、提高光学系统的数值孔径、增加照明和采集的光学模式、扩大光学算法和光学仿真在检测和量测领域的应用等，未来随着集成电路制造技术的不断提升，相应的检测和量测技术水平也将持续提高。
2、国产化趋势
整体半导体设备领域存在较高的技术、资金及产业协同等壁垒。与国外企业相比，本土企业进入该领域时间较晚，整体实力和规模与国外竞争对手存在较大差距。然而，经过多年来的不懈追赶，本土企业技术水平迅速提高，检测和量测设备从无到有，中科飞测等国产企业带动量检测设备国产化持续突破，目前在28nm已实现突破并向2Xnm以下节点推进。
