一文看懂半導體檢測設備

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檢測設備，主要用於檢測產品在生產過程中和產成後的各類性能是否達到設計要求。檢測種類繁多，客戶需求多樣化，因此檢測設備往往存在非標定制化的特點。本篇報告主要從半導體檢測領域切入，詳細分析在半導體生產過程中檢測的各個科目及其重要性。相對於光刻等前道設備，檢測設備的製造難度相對低一些，但是也存在較高的推廣難度。目前全球半導體檢測設備行業已經形成了泰瑞達、愛德萬兩家壟斷的局面，國內的長川科技、北京華峰、華興源創等公司正在尋求從各自的細分領域突破，逐漸進行進口替代，目前已取得一定的進展。

半導體檢測概論——旨在控制系統損失

廣義上的半導體檢測設備，主要包括工藝檢測（在線參數測試）、晶圓檢測（CP測試）、終測（FT測試），國內公司目前主要涉足於晶圓檢測和終測環節，這兩個環節的檢測設備價值量約占整體半導體製造設備投資的9%左右。檢測設備相對於中前道的光刻、刻蝕設備來說，絕對製造技術難度相對低，國產廠商更容易突破，但由於涉及到度量衡標準，因此品牌壁壘，以及推廣難度還是較高的。

半導體檢測貫穿整個半導體製造過程，可避免製造損失的指數式增長。隨著半導體技術的迅速發展，行業設計能力和製造能力都有了很大的提高，這一方面使得半導體做到的功能日益強大，另一方面其內部結構的複雜度也不斷提高，檢驗測試面臨越來越多的挑戰。半導體檢測貫穿整個半導體製造，從設計驗證到最終測試都不可或缺，按照電子系統故障檢測中的「十倍法則」：如果一個晶片中的故障沒有在晶片測試時發現，那麼在電路板（PCB）級別發現故障的成本就晶片級別的十倍。以此類推半導體檢測失效損失呈指數增長，測試在製造過程中的地位不言而喻。

測試設備需求旺盛，國內公司已有一定技術積累。從2017年開始，國內存儲器和邏輯晶片產能不斷釋放，目前在建和擬建晶圓廠項目總投資金額接近萬億元規模。根據SEMI估算，2018-2020年國內半導體製造設備投資額約為1550、1604、1702億元，按照歷史經驗檢測設備占總設備17%（晶圓檢測9%，過程工藝控制8%）的比例進行測算，2018-2020年國內晶圓廠檢測對應的半導體檢測設備需求分別為264、273、289億元，行業研究敬請閱讀末頁的重要說明Page 4隨著測試成本占比逐年升高，實際需求有望在此基礎上繼續突破。國內檢測設備公司方面，長川科技、北京華峰技術水平較為領先，長川科技生產的測試機、分選機已獲得長電科技、華天科技等多個封測、代工廠商的使用和認可，在國內做到批量銷售。

半導體行業景氣下行，但大陸市場依舊堅挺

SEMI下調半導體製造設備2019年的全球銷售額預測值。根據SEMI最新預測，由於智慧型手機和存儲半導體需求的低迷，2019年半導體設備銷售額將同比減少18％，降至527億美元，但預測隨著存儲器投資復蘇和中國大陸新建及擴建工廠，預計2020年設備銷售額將比2019年增長12%至588億美元，SEMI預計中國大陸將成為半導體製造設備的最大市場。

存儲器價格走跌，反應全球半導體景氣度或下行。價格相對於銷量，經常是更前瞻性的指標。可以看到，NAND Flash存儲器的價格在2018年跌了50%以上，也跌破了2016年的價格，供過於求加上高庫存的影響導致價格跌幅劇烈。經過了兩年的高景氣之後，半導體價格及市場景氣度進入下行周期。

近期由於日本開始對韓國限制半導體材料出口，DRAM和NAND flash價格均有所上漲，但整體上dram產能預計到19年末還將維持供過於求的狀態。

據SIA最新報告，5月全球半導體銷售額連續第五個月同比下降14.6%至331億美元。受智慧型手機等終端設備需求疲弱的影響，大陸5月半導體銷售額110.4億美元，同比跌幅也超10%。

日韓半導體行業起爭端，中國廠商或迎機遇。日本政府最近宣布，將從7月4日起對用於製造電視和智慧型手機面板的氟聚酰亞胺、半導體製作過程中的核心材料光刻膠和高純度半導體用氟化氫出口進行限制。韓國官方數據顯示，韓國企業對這3種日本材料的進口依賴度分別高達43.9%、91.9%和93.7%，而韓國對這三種半導體核心材料的儲備量只夠繼續使用1~3個月，若3個月之後日本仍不供貨，三星、海力士等半導體生產廠商會面臨停產風險。因此，如果日韓分歧長期延續，韓國廠商的產能缺口或轉移至中國，中國廠商可借機搶占市場。中國可能將接過產業接力棒，承接第三次半導體產業轉移。

隨著半導體產業同時邁入後摩爾時代與後PC時代，全球半導體市場增速明顯放緩，中國已成為帶動全球半導體市場增長的主要動力。大陸在過去的二十多年中，憑借低廉的勞力力成本，獲取了部分國外半導體封裝、製造等業務，通過不斷的技術引進和人才培養，已經完成了半導體產業的原始積累。但是目前國內半導體行業技術積累與國外先進水平差距仍然較大，並不能完全滿足國內現階段的需求，根據IC insights的數據，2016年大陸集成電路自給率僅為10.4%。下遊需求端的強烈爆發疊加國內集成電路自給率不足正在不斷加速半導體產業向中國大陸轉移，據SEMI預估，2017-2020年全球62座新投產的晶圓廠中有26座來自中國大陸，占全球總數42%。

差距巨大倒逼國產突圍，避免核心設備受制於人。前有「中興事件」讓國人痛定思痛，後有福建晉華遭美國技術禁售，再加上近期對於華為的一些制裁措施，都讓我們意識到必須在核心技術上占據主動。2017年，中國進口商業晶片共計花費13640億人民幣。過去十年，中國進口晶片費用超過10萬億人民幣，相當於2017年中國GDP的整整1/8。2016年，中國的集成電路自給率僅為10.4%，推動集成電路發展已經上升至國家重中之重，晶片國產化率亟待提高。

政策支持帶動國內企業突圍，大力支持封測行業發展。為了推動國產設備突圍，大陸啟動了「02專項」以及成立國家產業大基金，其中「02專項」全方面的對半導體設備行業進行了扶植，一期重點在製造，晶圓代工28nm和存儲是關鍵：製造的投資額占比為65%、設計占17%、封測占10%、裝備材料占8%。2018年5月，工信部發言人指出國家大基金第二期正在募集，預計再有超過千億的資金進入集成電路產業。尤其針對封測行業，國家幾乎每年出政策推進，通過稅收改善、基金投資等方式引領企業突圍。

測試複雜度升級，高端需求旺盛帶動市場。半導體晶片中晶體管的特徵尺寸每年都在減小，這也導致晶體管的密度每年大約增長20%，這使得晶片內部模塊變得越來越難測，測試的複雜度在逐漸升級。同時隨著晶片封裝技術逐漸向高密度、高速度的發展，成品測試也變得逐漸複雜，測試的成本在逐漸升高。

2018-2020年國內檢測設備需求可能超800億元。從2017年開始，國內存儲器和邏輯晶片產能不斷釋放，目前在建和擬建晶圓廠項目總投資金額近萬億元規模。根據SEMI估算，2018-2020年國內半導體製造設備投資額為1550、1604、1702億元，按照歷史經驗檢測設備占總設備17%（晶圓檢測9%，過程工藝控制8%）的比例進行測算，2018-2020年國內晶圓廠檢測對應的半導體檢測設備需求分別為264、273、289億元，隨著測試成本占比逐年升高，實際需求有望在此基礎上繼續突破。

檢測設備——進口替代是未來長期趨勢

缺陷貫穿生產過程，未及時修正則導致最終失效。集成電路的設計、加工、製造以及生產過程中，各種各樣人為、非人為因素導致錯誤難以避免，造成的資源浪費、危險事故等代價更是難以估量。設計的漏洞、布局布線的失誤、工作條件的差異、原料的純度不足和存在缺陷以及機器設備的誤操作等造成的錯誤，都是導致電路產生缺陷最終失效的原因。測試成為貫穿於集成電路設計、製造、生產中的、保證晶片質量的重要環節。

測試環節覆蓋生產全過程，保證晶片符合規格。以IC測試為例，IC從設計到失效整個壽命中所經歷的測試主要有設計驗證、工藝監控測試、晶圓測試、最終測試、可靠性測試、用戶測試。其中前四個發生在製造過程中，設計驗證在批量生產前進行，最終測試在晶片封裝後進行，所有測試目的是保證晶片符合規格，盡量避免損失升級。

設計驗證——決定是否量產的關鍵驗證

設計驗證主要檢測晶片樣品功能設計，在生產前進行。設計驗證針對的是晶片樣品，主要工作是檢測晶片設計的功能是否能夠達到客戶要求，在檢測過程中會對晶片樣品逐一檢查，只有通過設計驗證的產品型號才會開始進入量產，由於其發生在晶片製造最早環節，性價比相對最高，可為晶片批量製造指明接下來的方向。設計驗證過程中需要使用全部半導體測試設備。由於設計驗證的特殊功能定位，其過程包括了整個晶片的製造流程，所需測試設備也包含了過程工藝檢測過程中的光學設備等、晶圓檢測中的探針台等以及最終檢測過程中的分選機、測試機等。經過設計驗證的產品型號才會開始進入量產，我們將在後面量產測試環節中對不同測試設備技術及市場進行逐一介紹，在此不一一贅述。

過程工藝檢測——控制缺陷放大的關鍵環節

顧名思義，過程工藝控制應用於晶圓製造的全過程。在晶圓的製造過程中，包括離子注入、拋光、刻蝕等幾乎任意一個環節都會由於技術不精確或外在環境污染等而形成缺陷，從而導致晶片最終失效。主要檢測的指標包括膜厚、表面缺陷、關鍵尺寸等。例如整個晶圓的製造工藝便是不斷的成膜工藝，在矽片表面形成不同的膜，膜厚便是膜的關鍵質量參數，針對不同種類薄膜測試參數也不盡相同，例如對於不透明膜的測量便使用四探針來測量方塊電阻來計算膜厚，針對透明膜便主要依據光學測試進行測量。

工藝檢測缺陷及測試方法複雜多樣，下面主要列出了部分常見缺陷檢測原理，輔助理解整個工藝檢測環節（主要列舉了氧化、光刻、刻蝕、CMP四個主要製造流程）：1）氧化是晶圓製造中重要的一步，在矽片上通過熱生長或淀積產生的氧化膜可以對器件保護和隔離、產生表面鈍化、摻雜阻擋充當晶片間金屬層有效絕緣體等。當一批矽片進爐氧化時，將一定數量表面裸露的檢測片（無圖形片）放在爐管的關鍵位置上，用於氧化步驟之後的各種評估，確保氧化物具有可接受的質量。

2）光刻是晶圓製造中設備價值最高的流程，通過對光刻膠曝光，把高分辨率的投影掩膜版上圖形復制到矽片上。一旦光刻膠在矽片上形成圖形，便要使用自動顯影檢查設備檢查光刻膠圖形的質量，如果確定有缺陷便可通過去膠把它們除去，或者矽片也可以返工，否則如果有缺陷的矽片被送去刻蝕，便將會成為廢品，是災難性的問題，因此此階段質量檢查意義重大。

3）刻蝕工藝最後一步是進行刻蝕檢查確保刻蝕質量。其中最重要的一步是對特殊掩蔽層的檢查，以確保關鍵尺寸的正確，通過檢測來確定是否發生過刻蝕、欠刻蝕或鑽蝕。所用到的設備儀器為關鍵尺寸檢測需要的光學顯微鏡等。

4）化學機械平坦化（CMP）使矽片具有平滑的表面，表面起伏變到最小，可以減小由於表面起伏帶來的光刻時對線寬失去控制等負面影響。但CMP帶來的一個顯著問題是表面微摩擦，小而難以發現的微擦痕導致淀積的金屬中存在隱藏區，可能引起同一層金屬間的短路，對其進行質量測量的設備主要是表面缺陷檢測設備。

檢測設備分為光學檢測和電子束檢測，過程工藝控制設備主要是以光學檢測設備為主，應用在前制程環節。由於晶圓製造的核心在於矽片上的成膜，圖案的精確程度以及膜厚等直接關乎晶片是否能達到所設計性能指標。所用的檢測設備也主要為光學檢測設備，包括通過圖案缺陷檢測系統來檢測晶圓光刻環節的成功率，通過FEB測量裝置判斷矽片的少子壽命等。

晶圓檢測——封裝前最後一道防線

晶圓檢測可分為矽片測試及晶圓中測（CP測試），應用在封裝之前，CP檢測意義重大。在晶片製造過程中，晶圓在氧化前的過程屬於矽片製造的范疇，這部分的設備投資額占比很少，通常在2%左右；矽片制備完畢後進入晶圓製造環節，這部分為晶片製造的核心環節，設備投資價值量占了整個製造環節的70%，CP測試則是在封裝前的最後一道防線，通過測試的晶圓將進入封裝切割環節，因此CP檢測質量意義重大，其標準直接影響晶片最終測試環節的良品率。

（1）矽片檢測

矽片檢測主要是對表面缺陷檢測。矽單晶、拋光片的電學、物理和化學等性質以及加工精度將直接影響集成電路制備的特性和成品率，為了滿足對矽單晶、拋光片的高要求，必須採用先進的測試方法，對矽單晶的晶向、缺陷、氧含量、碳含量、電阻率、導電型號、少數載流子濃度、等技術參數有效測試，對拋光片表面缺陷（點缺陷、錯位、層錯等），顆粒污染和沾污進行檢測。

檢測設備包括厚度儀、顆粒檢測儀、矽片分選儀等。目前國產設備涉足較少，主要以進口設備為主，主要設備商包括日本愛德萬（Advantest）、美國MTI等公司。矽片檢測設備占矽片制備設備總投資的15%左右，根據芯思想研究院的預測，未來19/20兩年共24.3億元的市場空間。

（2）晶圓中測（CP）——檢測核心環節

晶圓檢測（CP測試）主要目的是對晶粒電性能參數測試，保持生產質量以及合格率。主要指在晶圓製造完成後進行封裝前，通過探針台和測試機配合使用，對晶圓上的晶片進行功能和電參數性能測試，其測試過程為：探針台將晶圓逐片自動傳送至測試位置，晶片的焊盤（PAD）通過探針、專用連接線與測試機的功能模塊進行連接，測試機對晶片施加輸入信號、采集輸出信號，判斷晶片在不同工作條件下功能和性能的有效性。測試結果通過通信接口傳送給探針台，探針台據此對晶片進行打點標記，形成晶圓的Map圖，根據MAP圖進行下一步的切割和封裝。

終測（FT）——晶片成品的良品率抽樣檢測

終測為晶片進入系統前的最後檢測。成品終測（FT測試）是對封裝後的晶片進行功能和電參數性能測試，保證出廠的每顆集成電路的功能和性能指標能夠達到設計規範要求。其測試過程為：分選機將被檢測集成電路逐個自動傳送至測試工位，被檢測集成電路的引腳通過測試工位上的金手指、專用連接線與測試機的功能模塊進行連接，測試機對集成電路施加輸入信號、采集輸出信號，判斷集成電路在不同工作條件下功能和性能的有效性。

測試結果通過通信接口傳送給分選機，分選機據此對被測試集成電路進行標記、分選、收料或編帶。在CP環節，存儲晶片和SOC的測試方式基本一樣，但在FT環節有所不同，由於單個SOC測試的時間較短，因此在載板上放置的晶片數量較少，一般為4-8顆（由於放置時間長），而存儲測試由於時間較長，所以會一次性放著多顆晶片。國內三大封測廠資本開支維持相對高位。

終測往往在封裝工廠進行，因而封裝和測試常常被叫成整體的封測行業。封測環節的市場集中度相對於晶圓代工較低，全球前十大的封測企業市場份額約為41%。主要包括各大IDM公司和專業代工封測廠商，份額各占50%。全球較大型的封測廠商有日月光、安靠、力成等，內地為長電科技、華天科技和通富微電等。受益於國內晶圓廠的高速擴建，國內封測廠也迅速提升了規模，根據封測廠與測試設備公司的上下遊採購關係，我們認為國內有能力進入供應採購名單的設備公司將一起享受巨大行業紅利。

FT測試所需設備為分選機和測試機。測試機與晶圓檢測所用測試機基本一致，主要用來檢測封裝後晶片的功率、性能等參數。承載待測品進行測試的自動化機械結構，其內有機械機構將待測品一顆顆從標準容器內自動的送到測試機台的測試頭（TestHead）上接受測試，測試的結果會從測試機台內傳到分類機內，分類機會依其每顆待測品的電性測試結果來作分類（此即產品分Bin）的過程；此外分類機內有升溫裝置，以提供待測品在測試時所需測試溫度的測試環境，而分類機的降溫則一般是靠氮氣，以達到快速降溫的目的。

全球景氣度下行背景下，國內半導體設備的機會來自於逆周期擴張和進口替代。受智慧型手機銷量等因素影響，19年上半年全球半導體行業依然較為低迷，但我們認為在強力政策推動下，國內受全球周期影響相對較弱，存在逆周期擴張機會。目前絕對部分半導體設備依然高度依賴進口，提升「核芯技術」自主化率已迫在眉睫，上升至國家戰略，進口替代是國內半導體設備公司面臨的重大機遇和挑戰。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點讚同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。

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