半导体检测和量测设备行业近年来的发展情况与未来发展趋势
思瀚产业研究院 中科飞测    2023-10-23

（1）行业技术发展情况

从技术路线原理上看，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。

光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术的差异主要体现在检测精度、检测速度及应用场景上。光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术在应用上各有所长。

半导体质量控制设备的主要性能指标涉及灵敏度、吞吐量等，不同技术路线在实现前述指标存在差异。

与电子束检测技术相比，光学检测技术在精度相同的条件下，检测速度更具有优势。光学检测技术是指基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得晶圆表面的检测结果；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图像以获得检测结果。光与电子束的主要区别在于波长的长短，电子束的波长远短于光的波长，而波长越短，精度越高。

在相同条件下，光学技术的检测速度比电子束检测技术快，速度可以较电子束检测技术快1,000倍以上。因此，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，如纳米量级尺度缺陷的复查，部分关键区域的表面尺度量测以及部分关键区域的抽检等。

与X光量测技术相比，光学检测技术的适用范围更广，而X光量测技术主要应用于特定金属成分测量和超薄膜测量等特定的领域，适用场景相对较窄。

半导体质量控制设备是集成电路生产过程中核心设备之一，涉及对集成电路制造的生产过程进行全面质量控制和工艺检测，对设备的灵敏度、速度均有较高的要求。结合三类技术路线的特点，应用光学检测技术的设备可以相对较好实现有高精度和高速度的均衡，并且能够满足其他技术所不能实现的功能，如三维形貌测量、光刻套刻测量和多层膜厚测量等应用，进而使得采用光学检测技术设备占多数。

根据VLSI Research和QY Research的报告，2020年全球半导体检测和量测设备市场中，应用光学检测技术、电子束检测技术及X光量测技术的设备市场份额占比分别为75.2%、18.7%及2.2%，应用光学检测技术的设备占比具有领先优势，电子束检测技术亦具有一定的市场份额。

随着技术的不断发展，光学检测技术与电子束检测技术存在一定的潜在竞争可能，但光学检测技术面临技术迭代的风险较小，主要理由有以下方面：

①光学检测技术与电子束技术之间存在优势互补的情况。受限于检测速度，电子束无法满足规模化生产的速度要求，导致其应用场景主要在对吞吐量要求较低的环节。同时，光学检测技术可以满足规模化生产的速度要求，但是比电子束检测在检测精度上存在一定劣势。因此，在实际应用场景中，往往会同时考虑光学检测技术与电子束检测技术特性，即当光学技术检测到缺陷后，用电子束重访已检测到的缺陷，对部分关键区域表面尺度量测的抽检和复查，确保设备检测的精度和速度。两种技术之间存在优势互补的情况。

②当前半导体质量控制主要依赖光学检测技术。鉴于电子束检测通常接收的是入射电子激发的二次电子，无法区分具有三维特征的深度信息，因而部分测量无法用电子束技术进行检测，主要通过光学检测技术实现，如三维形貌测量、光刻套刻测量和多层膜厚测量等应用。以国际巨头科磊半导体为例，其在1998年通过收购Amray Inc公司获得电子束检测技术，开始开发电子束缺陷检测设备和电子束缺陷复查设备。

截至目前，科磊半导体官网显示的电子束相关设备依然为电子束缺陷检测设备和电子束缺陷复查设备，未进一步拓展基于电子束技术的其他检测及量测设备。同时，电子束检测技术在检测速度上存在制约。科磊半导体的总裁RickWallace（任职2008年至今）曾直接提及光学技术的检测速度可以较电子束检测技术快1,000倍以上，电子的物理特性使得电子束技术难以在检测速度方面取得重大突破。相比而言，光学检测是最经济、最快的选择。

此外，根据VLSI Research，2016年度至2020年度期间所有电子束检测设备在全球半导体检测和量测设备市场中的占比分别为19.3%、20.4%、21.0%、17.4%和18.7%，其中，电子束缺陷检测设备和电子束缺陷复查设备两种设备占比分别为9.3%、10.8%、11.5%、9.2%和10.6%，电子束检测设备及部分细分产品市场占有率总体保持平稳，未见大幅增长的原因主要系受集成电路制程中的大部分质量控制环节无法通过电子束检测技术实现或设备无法达到检测速度要求。

③光学检测技术仍然为国家重点支持的领域。根据《国家自然科学基金“十三五”发展规划》等政策，超高分辨、高灵敏光学检测方法与技术为国家自然科学基金委信息科学部“十三五”优先发展领域，其主要研究方向为突破衍射极限的光学远场成像方法与技术；多参数光学表征和跨层次信息整合以及单分子成像与动态检测；亚纳米级精度光学表面检测，包括三维空间信息精确获取与精密检测、高灵敏度精细光谱实时检测技术。国家自然科学基金致力于通过超前部署，全面推进基础研究繁荣发展，为创新驱动发展提供持久动力，信息科学部优先发展光学检测技术一定程度反映了光学检测技术的重要性。

综上所述，光学检测技术和电子束检测技术未来均有不断发展的空间，光学检测技术可以通过持续提高光学分辨率，并结合图像信号处理算法等实现技术创新与突破，进一步提升并增强技术优势，带来设备应用比例的增加，从而进一步带动设备市场份额的提升。

（2）光学检测技术的分类及发展

光学检测技术是晶圆制造中使用的关键检测技术。

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。

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。

总体上，集成电路检测和量测技术的发展呈现出以下趋势：随着集成电路器件物理尺度的缩小，需要检测的缺陷尺度和测量的物理尺度也在不断缩小；随着集成电路器件逐渐向三维结构发展，对于缺陷检测和尺度测量的要求也从二维平面中的检测逐渐拓展到三维空间的检测。

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。

（3）光学检测技术未来发展趋势

随着全球半导体产业产能的持续扩张，半导体设备的需求快速增长，从而推动市场对检测和量测设备需求的增加。中国大陆作为全球最大集成电路生产和消费市场，中国大陆的集成电路产业规模不断扩大，作为全球第一大半导体设备市场，对检测和量测设备的需求将持续快速增长。

主流半导体制程正从28nm、14nm向10nm、7nm发展，部分先进半导体制造厂商已实现5nm工艺的量产并开始3nm工艺的研发，三维FinFET晶体管、3D NAND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。

为了获取尽量高的晶圆良品率，必须严格控制晶圆之间、同一晶圆上的工艺一致性，因此对集成电路生产过程中的质量控制需求将越来越大。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。检测和量测设备的技术提升主要体现在以下三个方面：

①光学检测技术分辨率提高

随着DUV、EUV光刻技术的不断发展，集成电路工艺节点不断升级，对检测技术的空间分辨精度也提出了更高要求。目前最先进的检测和量测设备所使用的光源波长已包含DUV波段，能够稳定地检测到小于14nm的晶圆缺陷，并且能够实现0.003nm的膜厚测量重复性。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，以图形晶圆缺陷检测设备为例，光学系统的最大数值孔径已达到0.95，探测器每个像元对应的晶圆表面的物方平面尺寸最小已小于30nm。未来，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，才能进一步提高光学分辨率。

②大数据检测算法和软件重要性凸显

达到或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。晶圆检测和量测的算法专业性很强，检测和量测设备对于检测速度和精度要求非常高，且设备从研发到产业化的周期较长。因此，目前市场上没有可以直接使用的软件。业内企业均在自己的检测和量测设备上自行研制开发算法和软件，未来对检测和量测设备相关算法软件的要求会越来越高。

③设备检测速度和吞吐量的提升

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。因此，检测速度和吞吐量更高的检测和量测设备可帮助下游客户更好地控制企业成本，提高良品率。