前道量检测设备系半导体设备中的重要细分领域
思瀚产业研究院 卓海科技    2024-06-26

（1）前道量检测设备行业概述

①前道量检测设备是芯片制造产线中不可或缺的核心设备

前道量检测设备以光、电子束等介质作为主要工具，针对光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备等工艺设备的加工成果，进行关键指标的量测或潜在缺陷的检测，其使用场景覆盖扩散、薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入、CMP、清洗等芯片前道生产的几乎全部工序。

区别于光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备等工艺设备，前道量检测设备属于“过程控制设备”，本身并不参与制造，但发挥着“指引”制造活动的作用：

一方面，良率系芯片制造的“生命线”，芯片产线须依赖前道量检测设备检测出产品的各类缺陷，并依此发现各工艺阶段的潜在问题，及时对工艺路线、设备搭配、产线参数等进行调整，进而提升芯片产线整体的产品良率。随着下游芯片需求的不断发展，芯片制造的工艺步骤亦在不断增多，工艺步骤的增多亦会导致产线的整体良率更加难以把控，从而导致产线对前道量检测设备的依赖不断提高。

另一方面，在进行制造工艺改进或工艺节点提升时，芯片产线亦须通过前道量检测设备获取精确的数据支持，以评判工艺方案的优劣，或指导相应的研发探索。例如，在多重曝光技术中，正是依靠了“套刻精度量测设备”对光刻工序后两层相邻光刻胶的“偏移量”的测定，才能验证多张掩膜版的相对位置是否精确，从而验证相关工艺是否可行，进而决定该技术的商业化价值。若无法得知精确数据，则多重曝光技术将无法顺利产业化。因此，前道量检测设备是芯片制造产线中不可或缺的核心设备，前道量检测设备的技术水平，直接影响着芯片品质，并制约着芯片工艺的技术提升。

②前道量检测设备涉及多学科领域，结构精密复杂、制造难度大

从结构上看，前道量检测设备主要由传输单元、光路处理单元、信号单元、量检测单元等系统组成，包含成千上万个具体模块，每个具体模块的突破均需要企业长期的技术积淀。从功能上看，前道量检测设备作为半导体行业的高精密仪器，需完成纳米级别的测量、检测工作，是半导体前道生产的“眼睛”和“医生”。前道量检测设备的功能属性决定了其必须具备“高精密度”的特质。

从技术上看，前道量检测设备涉及高真空腔传输技术、光谱检测技术、快速运算技术、高精度信号检测技术等多项技术的攻关，是光学、物理学、机械学、算法等多领域学科的技术结晶，技术壁垒较高，制造难度较大。

③前道量检测设备种类繁多，在自研突破的同时亦须兼顾产线的安全稳定生产

前道量检测设备是应用于前道过程控制的一系列设备的统称，不同于光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备等工艺设备，前道量检测设备的种类繁多，包括十余种大类和上百种型号，分别用于薄膜厚度、关键尺寸、套刻精度、刻蚀深度、表面形貌等关键指标的测量，以及颗粒沾污、图案缺陷、微观缺陷、机械划伤等一系列潜在缺陷的检测：

不同品类的前道量检测设备功能不同，其技术原理亦各有特点，每个细分领域均需较为深厚的技术积累和持续研发攻关，需投入较大精力开展自研。而对于产线而言，由于各道连续工序存在“木桶效应”，任何一个细分领域的量检测设备的欠缺，均会导致产线整体生产成果无法有效控制，进而对产线良率造成不利影响。

在上述背景下，一方面，需要国内企业不断在各个细分领域持续攻关，提高各类前道量检测设备能力；另一方面，也需要重视修复设备市场，通过修复设备市场的发展，持续为产线提供多品类的修复设备供应，维持产线的稳定运转，进而确保芯片制造的安全生产。

（2）前道量检测设备市场规模及供需情况

①前道量检测设备市场规模较大且保持着稳定增长

前道量检测设备作为半导体设备市场的重要组成，其市场规模在半导体设备中仅次于薄膜沉积设备、光刻机、刻蚀设备。据 SEMI 数据统计，前道量检测设备约占半导体设备市场规模的 13%。

近年来，全球前道量检测设备市场呈现稳步增长。根据沙利文数据，2018 年至 2022 年，全球前道量检测设备市场规模由 51.7 亿美元增长至 103.6 亿美元，年复合增长率 18.98%。同时，得益于芯片行业的繁荣发展，中国大陆前道量检测设备（包含全新设备和修复设备）市场规模快速增长，由 2018 年的 75.5 亿元增长至 2022 年的 183.7 亿元，年复合增长率达到 24.89%，高于全球平均水平，占全球市场规模的比例由 2018 年的 22.07%增长至 2022 年的 26.36%，已成为全球最大的前道量检测设备市场。

②少数国际龙头企业主导全球前道量检测设备供应市场，同时占据先进制程和成熟制程市场

前道量检测修复设备的市场格局，主要呈现国际原厂修复部门占据大部分市场份额，卓海科技等第三方修复厂商展开与原厂修复部门的竞争，逐步提升自身市占率的情况。与光刻机市场相似，前道量检测设备的技术壁垒高、制造难度大，需要企业长时间的投入及技术积淀，供应市场呈现高度集中的格局。目前，全球前道量检测设备供应市场由 KLA、AMAT、Hitachi 等少数国际龙头企业主导，其市场占有率分别为 52%、12%、11%，其他企业市场份额合计仅 25%。

为匹配摩尔定律下晶圆制造工艺的升级步伐，及时满足全球领先的晶圆制造企业对新一代设备的需求，并保持引领市场的竞争力，在有限的资金、产能、人力下，国际龙头企业一般会将更多精力投入研发生产先进制程设备。而对于成熟制程设备市场，国际龙头企业一般通过提供修复设备的方式，实现全方位的占据。目前，国内先进制程的前道量检测设备市场，主要被 KLA、AMAT 等国际龙头企业的新设备部门所占据，而成熟制程市场，主要被上述国际龙头企业的修复部门所占据。

③前道量检测设备发展有待加强，自研新设备处于发展初期

前道量检测设备结构精密复杂、制造难度大，而我国芯片产业起步又相对较晚，导致前道量检测设备的产业发展一直呈现较低水平。根据沙利文数据，2022 年度，自研品牌的前道量检测新设备的市场份额仅约为 3%。虽然自研设备企业不断加大研发和技术积累，但目前仍处于发展初期。

前道量检测设备行业仍属于我国的产业优势相对较弱的领域，尽管国家多年来持续鼓励半导体设备研发、包括卓海科技在内的国内自研企业均在不断钻研突破，但受限于行业起步较晚等因素，短期内预计仍无法满足芯片稳定生产的需求缺口，而作为“工业粮食”的芯片一旦欠缺，会直接影响诸多下游新兴领域的发展。因此，为保障产线的芯片产量和生产安全，在鼓励新设备自研的同时，应兼顾修复设备市场，进而保障芯片产线运行。

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