1 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 半导体测试设备 ： 百亿美元国产替代空间， 细 分领域正在加速突破 测试设备：贯穿 半导体 制造始末， 占 20%设备投资额 。 半导体检测 设备主要用于半导体制造过程中检测芯片性能与缺陷，几乎每一步主 要工艺完成后都需要进行 ， 贯穿于 半导体 生产过程中， 广义上根据测 试环节分为前道测试和后道测试设备 。 根据 Semi 及 Gartner 统计，半 导体前道测试设备一般在半导体设备支出中占比 1113%，后道测试设 备占比 89%，合计占比约 20%，根据此值估算， 2020 年全球半导体设 备总市场规模约 712 亿美元，按 12%与 8.5%测算，前道测试设备市场 约 86 亿美元，后道测试设备市场约 61 亿美元， 合计 147 亿美元，目前 前道设备国产化率不足 1%，后道设备国产化率 不足 10%，国产替代空 间接近百亿 美元 ， 且 随着半导体设备市场进入扩张周期，前后道设备 需求 均将显著受益。 前道测试：科磊 （ KLA） 高度垄断， 量测领域国产替代较快 。 前道 量检测设备注重过程工艺监控，根据功能的不同分为两种设备：一是 量测类，二是缺陷检测类。 其中 根据科磊及 Semi 统计，我们取半导体 前道测试设备占比 10.5%，按照 Semi 最新预计 2020 年 /2021 年半导体 设备总市场分别为 712 亿及 780 亿 美元估算，我们预测 2020 年 /2021 年全球半导体 前道 检测设备市场空间分别达到 85.4/93.6 亿美元，国内 市场分别达到 22.46/24.7 亿美元，约为 146/160.6 亿元人民币。 其中 检 测类占比 55%，量测类占比 38%。目前科磊市占率达 52%，呈垄断地 位，国内 上海精测、中科飞测、上海睿励 等部分产品已实现批量销售， 我们判断前道设备中，国产替代将从量测设备开始，并逐渐向检测等 难度较高领域延伸。 后道测试：泰瑞达 （ Teradyne） 及爱德万 （ Advantest） 为全球龙头， 细分领域已逐步实现国产替代 。 后道测试设备注重产品质量监控 ，可 分为测试机、分选机、探针台，根据 Semi 数据， 三者 价值量 分别占比 63.1%、 17.4%、 15.2%。 根据 VLSI Research 预计，受益于 SoC 及存储 需求强劲以及封测、晶圆厂资本开支加剧将继续维持高景气， 2020 年 市场空间达 61 亿美元，同比增长 10%， 2021 年将继续保持 10%的同比 增速，预计将达 69 亿美元。 根据赛迪顾问， 国内 后道测试设备 市场 2020 年将达到 64 亿元，根据同等比例测算， 2021 年 市场空间有望达 70.4 亿 元 。 目前泰瑞达及 爱德万为全球龙头，但在模拟 /混合类测试领域国内 已逐步实现国产替代 ， 目前华峰测控已推出 STS8300 测试机，进入 SoC 测试领域，长川科技相关产品也正在研发中， SoC 测试机相比模拟 /混 合测试机 市场规模将有 4-5 倍的提升，替代空间上限将被打开 。 投资建议 ： 重点推荐 华峰测控 （ 测试设备），建议关注长川科技 （测 Table_Tit le 2021 年 06 月 27 日 机械 Table_BaseI nfo 行业深度分析 证券研究报告 投资 评级 领先大市 -A 维持 评级 Table_Fir st St ock 首选股票 目标价 评级 688200 华峰测控 增持 -A 300604 长川科技 买入 -A 300567 精测电子 65.45 增持 -A Table_Char t 行业表现 资料来源： Wind 资讯 % 1M 3M 12M 相对收益 -0.54 -0.02 7.52 绝对收益 -0.86 5.60 36.08 李哲 分析师 SAC 执业证书编号： S1450518040001 崔逸凡 分析师 SAC 执业证书编号： S1450519090004 021-35082396 相关报告 机 械 设 备 行 业 夏 季 投 资 策 略 2021-06-21 一周解一惑（ 6）：半导体大基金投资地 图解析 2021-06-19 代理属性本质，铸就高盈利成长赛道 2021-06-18 一周解一惑（ 4）：如何看待下半年半导 体设备投资机会 2021-06-06 一周解一惑：对比 1618 年，原材料涨 价对制造业影响几何 2021-05-17 0% 6% 12% 18% 24% 30% 36% 2020-06 2020-10 2021-02 机械 沪深 300 2 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 试设备 、分选机、探针台）、 精测电子（ 量测及 测试设备）。 风险提示： 市场竞争加剧 ，国产化进程不及预期 ，市场规模不及预 期。 行业深度分析 机械 /机械 3 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 内容目录 1. 测试设备：贯穿半导体制造始末，占 20%设备投资额 . 5 1.1. 测试设备分前 /后道，测试物理性能及电性能 . 5 1.2. 全球半导体资本开支有望进入扩张周期，测试设备受益显著 . 5 2. 前道测试：科磊高度垄断，量测领域国产替代较快 . 7 2.1. 量测设备：对各环节工艺参数指标进行测量 . 7 2.2. 晶圆缺陷检 测设备：分为光学与电子束技术，对图形缺陷进行检查 . 10 2.3. 前道测试设备市场场约 86 亿美元，缺陷检测类占 55% . 13 2.4. 科磊处于全球领先地位，国内从量测领域开始突破 . 14 3. 后道测试：细分领域已实现国产替代、向更高价值量领域迈进 . 15 3.1. 后道测试设备：注重产品质量监控，分为测试机、分选机、探针台 . 15 3.2. 后道测试设备市场空间预计 60 亿美元，自动化测试设备价值量最高 . 19 3.3. 细分领域已实现局部国产替代，切入 SoC 测试机市场空间约有 45 倍增长 . 20 4. 标的推荐 . 23 4.1. 华峰测控：国内模拟测试机龙头，切入 SoC 及第化合物测试打开市场空间 . 23 4.2. 长川科技：后道测试设备全覆盖，探针台及数字测试机有望实现突破 . 23 4.3. 精测电子：多次并购聚焦半导体测试，加速弥补国内测试领域空白 . 24 5. 风险提示 . 24 图表目录 图 1：半导体测试设备产业链图解 . 5 图 2：全球半导体产业资本开支情况 . 6 图 3：三大封测厂资本开支情况（亿元） . 6 图 4：前道测试设备分类 . 7 图 5：各环节测试的参数和主要的技术与设备 . 8 图 6：薄膜材料厚度 . 8 图 7：四探针台 . 8 图 8：椭圆偏振技术 . 9 图 9：关键尺寸示意图 . 9 图 10： CD-SEM 原理图 . 9 图 11：套刻误差对准示意图 . 10 图 12：缺陷检测图示 . 10 图 13：明 /暗场图形缺陷检测原理图 .11 图 14：明 /暗场图形缺陷检测设备示意图 .11 图 15：无图形表面检测系统原理图 . 12 图 16： KLA Surfscan 示意图 . 12 图 17：睿励 FSD 系列设备 . 12 图 18：宏观缺陷检测设备示意图 . 12 图 19：电子束缺陷检测原理图 . 13 图 20：电子束缺陷检测示意图 . 13 图 21：全球半导体前道测试设备市场规模 . 13 图 22： 大陆半导体前道测试设 备市场规模 . 13 图 23：前道量测设备中各类设备占比 . 14 行业深度分析 机械 /机械 4 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 24：前道测试设备中各类设备占比 . 14 图 25：前道 量测 /检测设备全球市场竞争格局 . 14 图 26：科磊在各个环节的 市占率 . 14 图 27：后道测试设备所处环节 . 17 图 28：模拟 /混合测试机 . 18 图 29： SoC 测试机被测芯片范围 . 18 图 30：全球半导体测试设备市场规模 . 20 图 31：中国半导体测试设备市场规 模 . 20 图 32：测试设备细分市场占比 . 20 图 33： SoC 及存储测试机全球市场规模 . 20 图 34： 2018 年全球半导体后道测试设备竞争格局 . 21 图 35： 2019 年全球半导体测试机竞争格局 . 21 图 36： 2018 年国内半 导体测试机竞争格局 . 21 图 37： 2018 年全球半导体分选机竞争格局 . 22 图 38： 2018 年全球半导体探针台竞争格局 . 22 表 1：封测端扩产规划 . 6 表 2： 20182020 年科磊营收拆分 . 15 表 3：国内主要前道测试设备厂 商进程 . 15 表 4：后道测试设备具体流程 . 16 表 5：测试机分类及具体应用 . 18 表 6：不同种类分选机优缺点对比 . 19 表 7：国内外后道测试设备对比 . 22 表 8：公司测试设备介绍 . 23 行业深度分析 机械 /机械 5 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 1. 测试设备：贯穿 半导体 制造始末，占 20%设备投资额 1.1. 测试设备分前 /后道， 测试 物理性 能 及电性能 半导体检测设备主要用于半导体 制造过程中检测芯片性能与缺陷，几乎每一步主要工艺完成 后都需要在整个生产过程中进行实时的监测，以确保产品质量的可控性，贯穿于 半导体 生产 过程中，对保证产品质量起到关键性的作用，广义上根据测试环节分为 前道测试和后道测试 设备。 前道测试设备 主要用于晶圆加工环节， 是一种物理性、功能性的测试 ，用以检测每一步工艺 后产品的加工参数是否达到设计的要求并查看晶圆表面上是否存在影响良率的缺陷，确保将 加工产线的良率控制在规定的水平之上 ，又称过程工艺控制（ Semiconductor process control），可以进一步细分为缺陷检测（ inspection）和量测（ metrology） ； 后道测试设备 用于晶圆加工前的设计验证环节和晶圆加工后的封测环 节，通过测试机和分选 机或探针台配合使用，分析测试数据，确定具体失效原因，并改进设计及生产、封测工艺， 以提高良率及产品质量， 属于电性能的检测。 图 1： 半导体测试设备产业链图解 资料来源： 华峰测控招股书， 安信证券研究中心 1.2. 全球半导体资本开支 有望 进入扩张周期，测试设备受益显著 全球半导体资本开支自 2019 年起底部回升，未来 有望 进入加速投资阶段。 据 IC Insights 预 测 ， 2020 年半导体资本支出为 1080 亿美元， 同比增长 5.46%， 2021 年 将 达到 1156 亿美元 ， 同比增长 6.9%，由于疫情加速全球数字化转型叠加缺芯事件，引发晶圆厂投资建设加速， 2020 年 半导体资本开支 超过 2018 年达到了历史最高点，至 2023 年全球半导体资本开支将 上升至 1280 亿美元。 根据 2021 年台积电 4 月 召开的法说会 ， 公司 2020 年资本开支为 172.4 亿美元，预计 2021 年资本开支将上调至 300 亿美元，其中， 80%的资本开支将用于先进制 行业深度分析 机械 /机械 6 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 程（ 7nm、 5nm 及 3nm） ；三星则预计 2021 年增加资本支出 20%-30%用于存储及晶圆代工 厂建设，全年资本开支将达 35 兆韩元（约合 296 亿美元）。 图 2： 全球半导体产业资本开支情况 资料来源： IC Insights，安信证券研究中心 根据 Semi 及 Gartner 统计，半导体前道测试设备一般在半导体设备支出中占比 1113%， 后道测试设备占比 89%，合计占比约 20%，根据此值估算， 2020 年全球半导体设备总市 场规模约 712 亿美元，按 12%与 8.5%测算，前道测试设备市场约 86 亿美元，后道测试设 备市场约 61 亿美元，随着半导体设备市场进入扩张周期，前后道设备均将显著受益。 此外，后道测试设备主要用于封测厂，因此与封测产能扩张紧密相关。封测端 在经历 2018 年封测厂低迷后， 2019 年景气度回暖，长电、通富、华天 三大国内厂商均宣布了扩产计划， 合计投资 150 亿元扩充原有产线，从资本支出角度来看， 2020 年 国内三大封测厂 资本支出 合计 100.05 亿元， 同比增长 45.67%，预计未来仍将保持高位，封测端资本开支扩张带动国 产测试设备受益 。 表 1：封测端 扩产规划 公司名称 扩产规划 长电科技 资本开支 30 亿元，定增 50 亿元，投入“年产 36 亿颗高密度 半导体 及系统级封装模块项目”及“年产 100 亿块通信用高密度混合半导体 ”及模块封装项目 通富微电 募投 40 亿元，投入“ 半导体 封测二期工程”、“车载品智能封测中心建设”、“高性能中央处理器等 半导体 封装测试项目” 华天科技 计划投资 80 亿元南京封装基地，目前一期 7 月已投产，二期正在建设 资料来源：各公司公告，安信证券研究中心 图 3： 三大封测厂资本开支情况 （亿元） -60% -40% -20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 0 20 40 60 80 100 120 140 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20F 21F 22F 23F 24F 全球半导体产业资本开支（十亿美元，左轴） 增速（ %，右轴） 0 5 10 15 20 25 30 35 2018Q4 2019Q1 2019Q2 2019Q3 2019Q4 2020Q1 2020Q2 2020Q3 2020Q4 2021Q1 华天科技 通富微电 长电科技 行业深度分析 机械 /机械 7 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 资料来源： Wind， 安信证券研究中心 2. 前道测试：科磊高度垄断， 量测领域国产替代 较快 前道量检测设备注重过程工艺监控 ，几乎运用在每一道制造工序中。 根据功能的不同分为两 种设备：一是量测类，二是缺陷检测类。（ 1）量测类设备：主要用来测量透明薄膜厚度、不 透明薄膜 厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套准精度等指标，对应的设备分 为椭偏仪、 四探针、原子力显微镜、 CD-SEM、 OCD-SEM、薄膜量测等。（ 2）缺陷检测类设备： 用来 检测晶圆表面的缺陷，分为 明 /暗场光学图形图片缺陷检测设备 、无图形表面检测设备、宏观 缺陷检测设备 等。 图 4： 前道测试设备分类 资料来源： Semi， KLA，精测电子， 安信证券研究中心 2.1. 量测设备：对各环节工艺参数指标进行测量 半导体量测设备主要功能是在 半导体 生产过程中，对经过每一道工艺的晶圆进行定量测 量，以保证工艺的关键物理参数满足工艺指标，如膜厚、关键尺寸（ CD）、膜应力、折射率、 参杂浓度、套准精度等。 前道测试设备 量测设备 膜厚测量 12% KLA（ Aleris系列、 SpectraFilm系列）、上海精测（ EFILM系列）、 Nova CD-SEM 11% Hitachi High-Tech、应用材料（ VeritySEM5i） OCD-SEM 10% KLA（ Spectra Shape系列）、 NanoMetrics、上海睿励（ TFX 3000）、上海精测（ EPROFILE 300FD） 套刻误差测量 9% KLA（ Archer系列）、 ASML（ Yield-Star系列） 检测设备 明 /暗场图形缺 陷检测 32% KLA (Puma系列）、 Hitachi High-Tech(IS系列） 无图形表面检 测 5% KLA （ Surfscan系列）和 Hitachi High-Tech（ LS系列） 宏观缺陷检测 6% KLA（ CIRCL系列）、 Nanometrics（ Spark系列）、 Rudolph（ NSX系列）、 上海睿励（ FSD系列）以及中科飞测（ SPRUCE） 电子束检测 11% KLA（ eDR7XXX系列、 eSL10系列）和 AMAT（ SEM VISION系列） 行业深度分析 机械 /机械 8 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 5： 各环节测试的参数和主要的技术与设备 资料来源： 半导体制造技术 , 半导体 产业全书 ,安信证券研究中心 注：扩散区工艺包括氧化、淀积、扩散、退火和合金 薄膜材料的厚度和物理常数量测设备： 在 半导体 制造过程中，晶圆 要进行多次各种材质的 薄 膜沉积， 因此薄膜 的厚度及其性质（如折射率和消光系数）需要准确地确定，以确保每一道 工艺均满足设计规格。 膜厚测量可以根据薄膜材料划分为两个基本类型，即不透明薄膜（金 属类）和透明薄膜。测量不透明薄膜厚度的方法通常是通过测量方块电阻，通过其电阻与横 截面积得到其膜厚，采用的设备一般为四探针台，将四根探针等距离放臵，通过对最外两根 探针施加电流，从而测量其电势差，计算被测薄膜的方块电阻。目前市场主要供应商为 KLA （ Omni Map 系列）。 图 6： 薄膜材料厚度 图 7： 四探针台 资料来源： 半导体制造技术， 安信证券研究中心 资料来源： 半导体制造技术， 安信证券研究中心 而透明薄膜则通常 基于 椭圆偏振技术，对光谱范围内的偏振变化进行分析， 各种薄膜层提供 高精度薄膜测量 ，由于膜应力、折射率等物理性质同样需要椭圆偏振及干涉技术进行测量， 因此目前主流的膜厚测量设备同时集成了应力测量、折射率测量等功能，目前该类设备市场 主要供应商为 KLA（ Aleris 系列、 SpectraFilm 系列）、上海精测（ EFILM 系列） 行业深度分析 机械 /机械 9 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 8： 椭圆偏振技术 资料来源： 半导体制造技术， 安信证券研究中心 关键尺寸扫描电子显微镜 (CD-SEM)： 关键尺寸即 栅极线条宽度 ，通常是指我们所说的“线 宽”，任何经过光刻后的光刻胶线条宽度或刻蚀后栅极线条宽度与设计尺寸的偏离都会直接 影响最终器件的性能、成品率及可靠性，所以先进的工艺控制都需要对线条宽度进行在线测 量。下图 所示为 SEM 成像原理图 ， 图左侧是待测 量 图形的剖面图，由 于 在斜坡处入射电子 有效作 用 面积最大，二次电子产生率也相应最高转换为 SEM 图像时，图形边缘的亮度总是 最高的， 于是就可以据此计算线宽， 即 CD 值 。目前市场上的主要供应商为 Hitachi High-Tech 和应用材料（ VeritySEM5i）。 图 9： 关键尺寸示意图 图 10： CD-SEM 原理图 资料来源： 半导体制造技术， 安信证券研究中心 资料来源： 半导体制造技术， 安信证券研究中心 光学关键尺寸 (OCD)测量设备： 由于 CD-SEM 需要将待测晶圆臵于真空，因此检测速度较慢， 目前 基于衍射光学原理的非成像光学关键尺寸 (OCD)测 量 设备已成为先进 半导体 制造了艺中 的主要工具 ，它可以实现对器件关键线条宽度及其他形貌尺寸的精确测量 ，并具有很好的重 复性和长期稳定性通过 OCD 测 量 可以一次性获得诸多工艺尺寸参数，而在以前这些参数通 常 需 要使用多种设备（如扫描电子显微镜 、 原子力显微镜、光学薄膜测 量 仪等）才能完成 。 主要应用于圆片在光刻胶曝光显影后、刻蚀后和 CMP 工艺后的关键尺寸和形貌结构的测量。 市场上该类设备主要供应商为 KLA（ Spectra Shape 系列）、 NanoMetrics、上海睿励（ TFX 3000）和上海精测（ EPROFILE 300FD） 套刻误差对准测量： 在 半导体 制造过程中，关键层的光学套刻对准直接影响了器件的性能、 成品率及可靠性，随着芯片集成度的增加，线宽逐渐缩小以及多重光刻工艺的应用，套刻误 行业深度分析 机械 /机械 10 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 差需要更严格地被控制，因此套刻误差测量也是过程工艺控制中最重要地步骤之一。其测量 原理通常为通过光学显微成像系统获得两层刻套目标图形的数字化图像，然后基于 数字图象 算法，计算每一层的中心位臵，从而获得套刻误差。目前市场上主流的供应商为 KLA（ Archer 系列）和 ASML（ Yield-Star 系列）。 图 11： 套刻误差对准示意图 资料来源： 半导体制造技术， 安信证券研究中心 2.2. 晶圆缺陷检测设备：分为光学与电子 束 技术，对图形缺陷进行检查 晶圆缺陷检测设备检测晶圆上的物理缺陷（称为颗粒的异物）和图案缺陷，并获取缺陷的位 臵坐标（ X， Y）。缺陷可分为随机缺陷和设备缺陷， 随机缺陷 主要是由附着在晶圆表面的颗 粒引起的，因此无法预测其位臵。晶圆缺陷检测设备的主要作用是检测晶圆上的缺陷并找出 其位臵（位臵坐标）； 设备缺陷 则是由掩模和曝光工艺的条件引起的，往往 在所有投射的管 芯的电路图案上的相同位臵发生。 图 12： 缺陷检测图示 资料来源： KLA， 安信证券研究中心 按照检测技术分类，晶圆缺陷检测技术分为光学和电子束技术。 传统检测技术以光学检测为 主，通过光学成像原理对相邻的晶圆进行比对，可以在短时间内进行大范围检测。但随着半 导体制程不断缩减，光学检测在先进工艺技术的图像识别的灵敏度逐渐减弱，因此电子束检 行业深度分析 机械 /机械 11 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 测技术在先进工艺中使用较多。电子束的原理为 利用电子束扫描待测元件，得到二次电子成 像的影像，通过对二次电子的收 集，以呈现的图像来解析晶圆在制程中的异常处。 电子束检测的优势为可以 不受某些表 面物理性质的影响，且可以检测很小的表面缺陷，如栅 极刻蚀残留物等，相较于光学检测技术，电子束检测技术灵敏度较高，但检测速度较慢，因 此在针对先进制程芯片的生产流程时，会 同时使用光学检测与电子束检两种技术互相辅助， 进而快速找到晶圆生产的缺陷并控制和改善。 光学图形圆片缺陷检测设备采用高精度光学检测技术，对圆片上的 nm/m 尺度的缺陷和污 染进行检测和识别，以便发现在不同生产节点中的圆片的产品质量问题，该设备可以进一步 分为 明 /暗场图形缺陷检测、无图形表面检测系统、宏观缺陷检测设备。 明 /暗场图形缺陷检测： 该类检测是基于光学成像技术对图形化的晶圆进行检测，明场是指照 明光角度和采集光角度完全相同或部分相同，在光电传感器上最终形成的图像是由照明光入 射晶圆表面并反射回来的光形成的； 而暗场则是指照明光角度和采集光角度完全不同，所以 在光电传感器上最终形成的图像是由照明光入射晶圆表面并被图形表面的 3D 结构散射回来 的光形成的。通俗来说，明场一般是指照明光路和采集光路在临近晶圆端共用同一个显微物 镜，而暗场是指照明光路和采集光路在物理空间上是完全分离的。其皆通过对晶圆上的图形 进行成像后与相邻图像对比来 检测缺陷并记录其位臵坐标 图 13： 明 /暗场图形缺陷检测 原理图 图 14： 明 /暗场图形缺陷检测 设备示意图 资料来源： KLA， 安信证券研究中心 资料来源： KLA， 安信证券研究中心 目前市场上明场光学图形缺陷检 测 设备的供应商主要为 KLA（ 39xx 系列及 29xx 系列）以及 应用材料（ UVision 系列），暗场光学图形缺陷检 测 设备的供应商主要为 KLA (Puma 系列） 和 Hitachi High-Tech(IS 系列）。 无图形圆片表面检测系统： 该设备是一种用于检测圆片表面品质和发现圆片表面缺陷的光学 检测设备。由于晶圆尚未形成图案，因此无需图像比较即可直接检测缺陷。其工作原理是将 激光照射在圆片表面，通过多通道采集散射光，经过表面背景噪声抑制后，通过算法提取和 比较多通道的表面缺陷信号，最终获得缺陷的尺寸和分离。无图形圆片表面检测系统能够检 测的缺陷类型包括颗粒污染、凹坑、水印、划伤、浅坑、外延堆垛（ Epi Stacking)、 CMP 突 起（ CMP Protrusion)等。 行业深度分析 机械 /机械 12 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 15： 无图形表面检测系统原理图 图 16： KLA Surfscan 示意图 资料来源： KLA， 安信证券研究中心 资料来源： KLA， 安信证券研究中心 目前市场上主要供应商为 KLA （ Surfscan 系列）和 Hitachi High-Tech（ LS 系列） 。 宏观缺陷检测设备： 基于光学图像检测技术，结合多种光学量测方法，可以实现尺度大于 0.5 m 的圆片缺陷检测。宏观缺陷检测设备采用的检测方式有两种，一种方式为全圆片表面成 像，光学系统能够实现整个 300mm 圆片表面的一次性成像探测，检测速度较快；另一种方 式为局部圆片表面成像，具有更高的空间分辨率，测试中通过对圆片表面的定位或连续扫描， 拍摄圆片表面的完整图像信息，通过“ Die-to-Die”比对等图像计算方法获得检测结果。 宏观缺陷检测设备一般用于光刻、 CMP、刻蚀、薄膜沉积后的出货检验（ OQC）以及入厂 检验（ IQC）中，包括正面检测、背面检测、边缘检测、晶圆几何形状检测等， 可高速扫描 硅片的全表面，自 动存储硅片全景图像、缺陷分类，和输出缺陷检测结果。 其主要供应商为 KLA（ CIRCL 系列）、 Nanometrics（ Spark 系列）、 Rudolph（ NSX 系列）、上海睿励（ FSD 系列）以及中科飞测（ SPRUCE）。 图 17： 睿励 FSD 系列 设备 图 18： 宏观缺陷检测设备 示意图 资料来源： 睿励官网， 安信证券研究中心 资料来源： KLA， 安信证券研究中心 电子束图形圆片缺陷检测设备是一种利用扫描电子显微镜在前道工序中对 半导体 圆片上的 刻蚀图形直接进行缺陷检测的工艺检测设备。其原理为通过聚焦电子束对圆片表面进行扫描， 接受反射回来的二次电子和背散射电子，进而将其转换成对应的圆片表面形貌的灰度图像。 通过比对圆片上不同芯片（ Die)同一位臵的图像，或者通过图像和芯片设计图形的直接 比对，可以找出刻蚀或设计上的缺陷。目前市场上主要供应商为 KLA（ eDR7XXX 系列、 eSL10 系列）和 AMAT（ SEM VISION 系列）。 行业深度分析 机械 /机械 13 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 19： 电子束缺陷检测 原理图 图 20： 电子束缺陷检测示意图 资料来源： 半导体制造技术， 安信证券研究中心 资料来源： KLA， 安信证券研究中心 2.3. 前道 测试设备市场 场约 86 亿美元 ，缺陷检测类占 55% 根据科磊及 Semi 统计， 前道测试设备占比在 11%13%， 我们取半导体前道测试设备占比 12%，按照 Semi 最新预计 2020 年 /2021 年半导体设备总市场分别为 712 亿及 780 亿美元 估算，我们预测 2020 年 /2021 年全球半导体检测设备市场空间分别 达到 85.4/93.6 亿美元 ， 根据 Semi 数据 2020 年 国内半导体 设备 市场规模达 187.2 亿元， 2021 年约同比增长 10%， 根据同样方法测算 检测设备市场分别达到 22.46/24.7 亿美元，约为 146/160.6 亿元人民币。 图 21： 全球半导体前道测试 设备市场规模 图 22： 大陆半导体前道测试 设备市场规模 资料来源： Semi， 安信证券研究中心 资料来源： Semi， 安信证券研究中心 前道量测设备进一步细分为量测设备、缺陷检测设备以及过程控制软件，根据智研咨询数据， 其中缺陷检测设备约占前道检测设备的 55%，量测设备占前道量测设备的 34%，过程控制 软件占 11%。进一步按产品细分，膜厚测量占比 12%、 OCD-SEM 测量占比 10%， CD-SEM 占比 11%、套刻误差测量占比 9%；缺陷检测中有图形晶圆检测占比 32%、无图形晶圆检测 占比 5%、 电子束 检测占比 12%、宏观缺陷检测占比 6%。 -30% -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 全球半导体前道测试设备市场（亿美元） YOY（ %） 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 中国半导体测试设备市场规模（亿美元，左 中国市场占全球比例（ %，右轴） 行业深度分析 机械 /机械 14 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 23： 前道量测设备中各类设备占比 图 24：前 道测试设备中各类设备占比 资料来源： SEMI， 安信证券研究中心 资料来源： 智研咨询， 安信证券研究中心 2.4. 科磊处于全球领先地位， 国 内从量测领域开始 突破 全球行业集中度较高 ，科磊处于全球领先地位 。 根据 Gartner 数据 ， 前道检测设备领域，科 磊 独占 52%的份额， 应用材料、日立 高新则分别 占比 12%、 11%， CR3 合计占比接近 80%， 市场集中度较高，且基本被海外公司所垄断，国内企业市场份额不足 1%，其中科磊在检测 设备领域市占率 有 绝对优势，在晶圆形貌检测、无图形晶圆检测、有图形晶圆检测领域市占 率分别达到 85%、 78%、 72%，应用材料产品则主要为掩模版测量及电子束检测，日立高新 则在 CD-SEM 领域市占率较高。 图 25： 前道 量测 /检测设备全球市场竞争格局 图 26： 科磊在各个环节的市占率 资料来源： Gartner， 安信证券研究中心 资料来源： 智研咨询， 安信证券研究中心 科磊：公司由 KLA 和 Tencor 两家公司合并形成，为全球半导体过程控制和良率管理领域龙 头公司，业务涵盖晶圆和光罩制造、 半导体 、封装、 PCB 和 LED 等工业技术领域，公司产 品贯穿前道工艺过程控制流程，包括 Surfscan 无图案晶圆缺陷检测系统、 eDR7xxx 电子束 晶圆缺陷检测系统、 eSL10 图案晶圆检测、 39xx 系列 超分辨率宽光谱等离子图案晶圆缺陷 检测系统 、 29xx 宽光谱等离子图案晶圆缺陷检测系统 、 Puma 激光扫描图案晶圆缺陷检测系 统 、 Teron 光罩缺陷检测系统、 Archer 套刻量测系统 等， 并在缺陷检测领域市占率较高。 科磊 2020 财年实现营业收入 58.06 亿美元，归母净利润 12.17 亿美元，其中半导体工艺控 量测设备 34% 缺陷检测 设备 55% 过程控制 软件 11% 膜厚测量 设备 12% CD-SEM 12% OCD-SEM 10% 套刻误差 测量 9% 宏观缺陷 检测 6% 有图形晶 圆检测 34% 无图形晶 圆检测 5% 电子束检 测 12% 85% 78% 72% 66% 65% 50% 45% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 行业深度分析 机械 /机械 15 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 制类占比 81.73%，贡献主要营收。 表 2： 20182020 年科磊营收拆分 单位：亿美元 2018 2019 2020 半导体工艺控制 39.44 40.81 47.45 特殊半导体制造设备 0.00 1.51 3.30 PCB、面板和零部件检查 0.93 3.33 7.27 其他 0.00 0.05 0.04 合计 40.37 45.69 58.06 资料来源：安信证券研究中心 日立高新：日立高新为日立集团下的子公司，主要布局半导体制造和检测、科学医疗系统、 仪表系统和其他工业零部件，半导体测试领域产品为 CD-SEM、暗场检测设备、宏观检测设 备、缺陷复查显微镜等，主要布局量测类设备。 应用材料：应用材料为全球半导体设备龙头公司，其产品线贯穿半导体制造生产整个流程， 其在半导体检测领域产品线主要为晶圆检测设备和 CD-SEM，主要布局量测类设备。 Onto：由 Rudolph Technologies 与 Nanometrics Incorporated 合并，产品主要包括自动缺 陷检测和量测系统，探针卡测试和分析系统 量测设备已吹响国产替代号角，未来将逐渐向检测设备延伸。 量测与检测设备由于对光学及 电子束等基础科学要求较高，因此国内外 技术仍有一定差距，国内布局该领域的公司分别有 上海睿励、上海精测和 中科飞测。目前， 上海睿励的薄膜测量设备成 功进入三星和长江存储 生产线；中科飞测的晶圆表面颗粒检测机成功进入 中芯国际生产线，智能视觉检测系统成功 进入长江存储生产线，椭偏膜厚量测仪进入士兰微生产线；上海精测的膜厚测量设备已经成 功小批量生产并进入长江存储生产线 ， OCD 量测设备已取得订单并已实现交付，首台半导 体电子束检测设备 eViewTM 全自动晶圆缺陷复查设备已正式交付国内客户 ，在膜厚量测领 域国产替代已吹响号角，未来规模化替代在即，且随着国内企业持续进行研发投入，图形化 检测、无图形检测设备将逐渐通过晶圆厂验证， 因此我 们判断前道量测及检测设备中，国产 替代将从量测设备开始，并逐渐向检测等难度较高领域延伸。 表 3：国内主要前道测试设备厂商进程 公司名称 设备类型 产品类别 设备名称 最新进展 上海精测 集成式 /独立式膜厚量测设备 量测 EFILM 系列 得到长江存储、广州粤芯批量订单 高性能厚膜 /OCD 测量 量测 EPROFILE 300FD 取得订单并交付完成 电子束量检测 检测 Ultraview 已正式交付国内客户 中科飞测 形貌及膜厚测量 量测 SKYVERSE-900 取得长江存储、士兰微、中芯绍兴等批量订单 晶圆表面缺陷检测 检测 SPRUCE-600 中标上海积塔 智能视觉检测系统 检测 BIRCH 取得长江存储订单 上海睿励 膜厚测量 量测 TFX 系列 获得上海积塔、长江存储、三星订单 OCD 测量 量测 TFX3000 OCD 进入三星、长江存储生产线 宏观缺陷检测 检测 FSD 系列 资料来源：公司官网，安信证券研究中心 3. 后道测试：细分领域已 实现国产替代 、向更高价值量领域迈进 3.1. 后道测试设备：注重产品质量监控，分为测试机、分选机、探针台 行业深度分析 机械 /机械 16 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 后道测试设备注重产品质量监控 ，并贯穿 半导体 制造始末。 半导体 后道测试覆盖了 IC 设计、 生产过程的核心环节，通过分析测试数据，能够确定具体失效原因，并改进设计及生产、封 测工艺，以提高良率及产品质量。后道测试设备具体流程可分为设计验证、在线参数测试、 硅片拣选测试、可靠性测试及终测，其中设计验证主要用于 IC 设计环节，用于确保调试芯 片设计符合要求；在线参数测试用于晶圆制造环节，用于每一步制造端的产品工艺检测，硅 片拣选测试用于制造后的产品功能抽检，可靠性及终测 均在封装厂进行，用于芯片出厂前的 可靠性及功能测试。其主要测试步骤为：将芯片的引脚与测试机的功能模块连接，对芯片施 加输入信号，并检测输出信号，判断芯片功能和性能是否达到设计要求。 表 4：后道测试设备具体流程 测试环节 半导体 制造阶段 硅片 /芯片级 测试描述 IC 设计验证 生产前 硅片级 描述、调试和检验芯片设计，保证符合规格要求 在线参数测试 硅片制造过程中 硅片级 为了监控工艺，在制作过程前端进行产品工艺检验测试 硅片拣选测试 硅片制造后