【国海证券】半导体前道量检测设备行业报告:重点产品持续突破,国产替代正在加速.pdf

2024-01-18
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1、量检测设备是芯片良率的关键保障

根据不同工序,半导体检测分为前道量检测、后道检测及实验室检测,其中,前道量检测主要应用于晶圆加工环节,目前以厂内产线在线监控为主;后道检测主要应用于晶圆加工后的芯片电性测试及功能性测试,目前主要分为第三方测试和厂内产线在线监控;实验室检测主要针对失效样品进行缺陷定位和故障分析,目前主要分为第三方实验室检测和厂内自建实验室。


质量控制贯穿晶圆制造全过程,是芯片生产良率的关键保障。 按Kaempf标准,晶圆缺陷可分为随机缺陷和系统缺陷,其中,随机缺陷主要由附着在晶圆表面的颗粒引起,其分布位置具有一定随机性;系统缺陷主要来自光刻掩膜和曝光工艺中的系统误差,一般出现在具有亚分辨率结构特征的区域,通常位于一片晶圆上不同芯片区域的同一位置。 按缺陷表征,晶圆缺陷可分为形貌缺陷、污染物和晶体缺陷,其中,形貌缺陷包括微小粗糙面、凹坑,污染物缺陷包括分子层面的有机层和无机层等污染物、原子层面的离子、重金属缺陷等,晶体缺陷包括硅原子失位/错位、非硅原子掺杂等。


前道量检测设备具有两大类功能,一是确保IC产线量产良率,二是定量监控生产设备,为设备验收、维保提供依据。前道量检测设备可按基本功能、技术手段和缺陷类型等方式进行分类,本文将重点对比光学/电子束、明场/暗场、有图形/无图形等三类设备。


关键对比:光学检测目前是主要方案


光学检测速度快、无接触,目前是主要检测技术。光学检测技术通过对光信号进行计算分析获得检测结果,具有速度快、无接触、易于在线集成等优势,根据中科飞测招股书,光学技术的检测速度可以较电子束技术快1000倍以上,可以应用于28nm及以下全部先进制程,在技术成熟度、通用性、可靠性等方面均已获得晶圆厂的普遍认可,目前是半导体质量控制的主要检测技术,根据中科飞测招股书,2020年全球光学检测技术市场规模为57.5亿美元,在量检测设备中的市场份额为75.2%。然而,传统光学检测技术因其检测原理受限于瑞利散射,难以保证对先进节点晶圆缺陷的高灵敏度,并且其检测结果通常含有大量噪声缺陷(非杀伤性缺陷),进而干扰杀伤性缺陷的检测。


关键对比:电子束检测适用于高精度场景


电子束技术检测精度较高,然而速率较慢、设备成本高。电子束检测技术是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取检测结果。电子束的波长远短于光的波长,电子束显微镜分辨率更高,测量精度优于光学技术;然而测量速度慢、设备成本高,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,因而部分检测无法采用电子束技术,主要采用光学检测技术,如三维形貌量测、光刻套刻量测和多层膜厚量测等应用。根据中科飞测招股书,2020年全球电子束检测技术市场规模为14.3亿美元,在量检测设备中的市场份额为18.7%。


关键对比:明场系统精度高、暗场系统速度快


暗场系统主要收集被测物体的散射光,适用于大量晶圆的高速检测。然而,1)散射信号强度远低于入射光和反射光,噪声对检测精度影响较大,直接决定系统检测极限;2)晶圆表面并非完全光滑,微观起伏也会产生散射光(薄雾信号),进而影响检测精度。明场系统通过提供均匀明亮的光场,使用图像传感器收集反射光进而分析缺陷,相比暗场系统,具有检测灵敏度较高、扫描速度较慢等特征,适用于晶圆电路详细检测。 现有技术通常只搭配明场或暗场一种系统,因为无缺陷处和有缺陷处存在较大的亮度差异,通过对图形灰度值进行阈值判断实现缺陷分析,目前暗场系统占据晶圆检测设备的主要市场。


2、国内量检测设备市场有望快速发展

驱动力1:全球半导体市场逐步回暖


2024年全球半导体市场有望加速恢复增长。根据SIA数据,2023年11月全球半导体行业销售额为480亿美元,同比增长5.3%,在经历连续6个月同比降幅收窄后,年内首次实现同比增长,连续9个月环比实现环比增长。根据半导体产业纵横公众号,IDC将2023年全球半导体市场规模预测值由5188亿美元上调至5265亿美元,2024E市场规模由6259亿美元上调至6328亿美元,同比增长20.2%,全球半导体市场正在逐步回暖,2024年起有望加速恢复增长,短期复苏动力主要是消费电子逐步回暖,受益于华为、苹果等新品发布后的换机热潮,长期发展动力主要是车用、数据中心、工业及AI等新兴增长点。


驱动力2:中国大陆晶圆厂持续扩产


中国大陆加强成熟制程产能投资,以中芯国际为例,中芯国际三季报将2023全年资本开支上调至75亿美元左右,同比增长约18%,2022年中国大陆12英寸晶圆产能全球占比22%,2026年预计增至25%。半导体行业需求回暖叠加中国大陆晶圆厂持续扩产,国内半导体设备市场长期有望稳健增长。根据SEAJ数据,2023Q1-Q3中国大陆半导体设备销售额为244.7亿美元,同比增长11.7%,2023Q3同比增长42.2%。


驱动力3:先进制程提升设备投资需求


先进制程对应量检测设备价值量有望倍增。AI芯片对性能、功耗和成本等要求较高,先进制程优势显著,同时随着汽车智能化发展,MCU等传统芯片已经难以满足市场需求,汽车芯片功能的逐步丰富有望助力先进制程工艺快速发展。随着芯片制程进步,设备投资成本将呈现大幅上升趋势,根据中芯国际招股说明书(2020年7月),以5nm工艺为例,其投资成本高达数百亿美元,是14nm的两倍以上,28nm的四倍左右。先进制程将对工艺控制水平提出更高要求,检测设备和量测设备价值量有望倍增。


驱动力4:半导体设备国产替代正在加速


国内晶圆厂加速推进设备国产化。根据芯谋研究公众号,2023年中国晶圆厂设备采购总额将达299亿美元,美国、日本、荷兰、中国设备商对应市场份额分别为43%、21%、19%和11%,相比2020年,我国本土设备商的销售额增长约233%,市占率增长约4pct,然而国际巨头依旧主导中国设备市场,半导体设备国产替代空间广阔。2022年10月7日,美国商务部工业与安全局(BIS)发布出口管制规则,进一步限制中国在先进计算、半导体制造领域获得或使用美国产品及技术。2023年10月7日,美国BIS对此前发布的半导体出口禁令再次升级,对于半导体制造设备,新规在受控设备清单中又新增几十个项目。中美高科技摩擦背景下,国内晶圆厂持续推进国产供应链整合,半导体设备国产替代正在加速。


2023年全球/中国大陆量检测设备市场空间为105/35亿美元


量检测设备约占前道设备支出的10%。晶圆厂的资本支出主要包括前道制造设备、后道封测设备及厂房建设,据中科飞测(2022/03),前道制造设备支出占比可达80%,质量控制设备约占前道制造设备支出的10%。根据VLSI Research、QYResearch,2020-2022年全球半导体检测与量测设备市场规模分别为76.5、105.1、126.3亿美元,CAGR为28.49%,2020年中国大陆半导体量检测设备市场规模达21亿美元,全球占比27.45%。


3、KLA主导全球市场,ASML电子束竞争优势显著

全球:国际巨头主导量检测设备市场


全球半导体量检测设备市场集中度较高,根据VLSI Research、QYResearch,2020年行业CR5达82%,前五大设备商均来自美国和日本,主要包括KLA、应用材料、日立等,其中KLA市占率高达51%。


KLA:历经多次并购、产品种类齐全


KLA历经多次并购。KLA仪器和Tencor仪器分别成立于1976年、1977年,并于1997年合并成立科磊半导体(KLA-Tencor)。成立至今,科磊半导体陆续收购多家公司,目前产品线已涵盖质量控制全系列设备。


KLA:分产品,2023Q3晶圆检测/芯片检测收入同比下降8.4%/25.9%


分产品看, KLA主要产品包括晶圆检测(仅系统)、芯片检测(仅系统)、半导体工艺(仅系统)、PCB/显示/器件检测(仅系统)、服务以及其他(KLA Pro),2023Q3营业收入分别为10.1、5.4、1.1、0.7、5.6、1.0亿美元,同比-8%、-26%、-2%、-47%、6%、-10%。我们以晶圆检测(仅系统)、芯片检测(仅系统)及其他(KLAPro)代表KLA量检测业务,2020-2023年前三季度量检测(仅系统)业务收入分别为37.3、54.4、74.1、50.1亿美元,假设KLA市占率维持2020年值50.8%,对应期间全球量检测市场规模分别为73.39、106.73、145.35、98.20亿美元,与本文第二章测算基本一致。


4、国产替代正在加速,重点产品持续突破

国内:量检测设备国产化率不足10%


近年量检测设备国产化率稳步增长。中国半导体检测和量测市场中,设备国产化率较低,国际巨头处于市场主导地位,根据VSLI统计,2020年KLA市占率达54.8%。国产半导体量检测设备供应商主要包括上海精测、中科飞测、上海睿励等,2022年营业收入分别为1.65、5.09、0.72亿元。按收入口径,2018-2022年三家公司国内市场份额合计为0.67%、0.60%、2.11%、2.38%、3.17%,国产化率整体呈现增长趋势。


精测电子:立足面板检测主业,半导体产品持续完善


立足显示检测系统,半导体全产业链布局加速。精测电子成立于2006年,2016年成功登陆创业板,公司成立后主要经历四个发展阶段:1)2006-2014年,立足显示检测系统,打破技术垄断;2)2016-2018年,借助资本市场,实现跨越发展;3)2018-2019年,开拓半导体市场,把握新兴机遇;4)优化全产业链布局,打造未来发展新格局。


报告节选:


(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)


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