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 2023年 07 月 04 日 半导体设备 行业专题 半导体工艺控制设备，国产化率不足 5%，替代空间大 半导体设备专题报告系列一 证券研究报告 投资评级 领先大市-A 维持评级 行业表现 资料来源：Wind 资讯 升幅%1M 3M 12M 相对收益-4.9 5.2 29.0 绝对收益-4.1 0.3 16.2 郭倩倩 分析师 SAC 执业证书编号：S1450521120004 马良 分析师 SAC 执业证书编号：S1450518060001 胡园园 联系人 SAC 执业证书编号：S1450123070005 相关报告 收入盈利订单三重上修，平台化更显竞争力 半导体设备板块 2022 年年报及 2023 年一季报总结 2023-05-16 研究要点：本报告详细拆分了半导体工艺控制设备市场各细分品类应用场景与市场规模，且将产业应用中的主流型号设备与对应国产设备型号进行了对比，以分析国产设备与海外设备的差距。此外，报告还复盘了全球龙头KLA 的发展历程，解析全球二三线厂商的核心竞争优势；同时对比目前主要国产厂商的研发与产品布局进展以及体量规模，验证得出结论：半导体工艺控制设备作为芯片制造良率的关键，且作为行业重要“卡脖子”环节，目前国产化率仍不足 5%，各国产设备厂商均处于各自突破的早期成长阶段，未来成长空间巨大。半导体工艺控制设备：工艺良率关键，对芯片制造至关重要 半导体工艺控制设备主要两大应用场景，一是用于前道晶圆制造光刻/刻蚀/沉积/CMP 等工艺环节的质量控制；二是用于中道先进封装重布线/凸点/硅通孔等工艺环节的质量控制。集成电路工艺节点每微缩一代，工艺中产生的致命缺陷就会增加 50%,因此每一道工序的良品率都非常重要；且随着制程节点微缩，工艺控制设备的需求也将倍增。目前，产业应用中的半导体工艺控制设备 75%都基于光学检测技术，19%基于电子束检测技术。市场结构：缺陷检测设备占比62.6%，量测设备占比33.5%工艺应用上看，半导体工艺控制设备分为“缺陷检测”和“量测”两大类：缺陷检测设备市场占比 62.6%，包括掩模版缺陷检测/无图形缺陷检测/图形缺陷检测/电子束缺陷检测等，其中光学明场缺陷检测设备壁垒高、应用广，产业主流设备为 KLA 的 39xx/29xx 系列和 AMAT 的UVision 系列，目前国产厂商上海精测已实现明场设备的首台套出货；量测设备市场占比 33.5%，包括光学关键尺寸（OCD）/电子束关键尺寸测量（CD-SEM）/套刻误差测量/晶圆形貌测量/膜厚测量等，其中关键尺寸和套刻误差测量需求较大。市场空间：半导体设备第四大赛道，全球百亿美元空间 在前道晶圆厂设备支出中，工艺控制设备占比近 11%，是除光刻/刻蚀/薄膜沉积以外的第四大赛道。根据 Gartner 数据，2022年全球半导体工艺控制设备市场规模达 135 亿美元，2023 年受行业周期影响需求有所放缓，预计 2024 年将继续重回高位，达-22%-12%-2%8%18%28%38%2022-07 2022-11 2023-03 2023-07半导体设备 沪深300 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。2 行业专题/半导体设备 到 110 亿美元以上量级。国内需求上看，内资在建 12 吋晶圆制造产线预计合计将带来 90 亿美元工艺控制设备需求，预计将继续支撑2023 年起3-4年高需求。竞争格局：美国 KLA 独占半壁江山，二线厂商各有特色 全球龙头 KLA 从光掩模版检测和膜厚测量起家，一路兼并收购实现90%以上产品覆盖率，2022 年其半导体工艺控制系统收入规模 70.8亿美元，同比增长36%，对应全球市占率52.4%。其他主要国际厂商中，AMAT 布局明场/掩模版缺陷检测及电子束技术，在电子束检测市场占据近 50%份额；ASML 围绕光刻布局套刻误差和电子束量检测，2022 年市占率5%；Onto Innovation 布局也相对全面，2022 年市占 6.2%；日本厂商 Lasertec 在 EUV 掩模版缺陷检测领域具备绝对优势；以色列厂商新星测量（Nova）专注量测板块；Camtek 则重点发力先进封装端工艺控制。国产进展：国产厂商各自突破，国产化率不足5%国产厂商中，中科飞测/上海精测/睿励仪器 2022 年营收分别为5.1/1.65/0.72 亿元，合计营收仅 7.5 亿元，相较 2022 年中国大陆35亿美元的市场规模，半导体工艺控制设备的国产化率不足5%，替代空间巨大。近年来，国产半导体工艺设备公司均基于自身技术优势布局相关产品线，进展显著，从各自覆盖产品市场空间上看，中科飞测/上海精测/睿励仪器/东方晶源/上海微电子各自的 SAM 比例分别为 27.2%/51.5%/20%/13.9%/6.3%，中科飞测设备放量相对较快，而精测电子覆盖品类相对更广。投资建议：建议关注核心国产半导体工艺控制设备厂商：1)精测电子：77.3%控股上海精测，覆盖产品 SAM 比例 51.5%，国产量产覆盖相对最广 2)中科飞测：覆盖产品SAM 比例27.2%，2022 年营收5.1 亿元，国产放量相对最快 3)中微公司：34.75%持股睿励仪器，投资布局前道量检测设备，再增新成长曲线 风险提示：设备验证和国产化推进不及预期；下游晶圆厂扩产及招标不及预期；中美科技博弈影响上游供应链；市场空间/市占率等测算基于我们所做的关键参数假设可能存在误差。WUCXzQnQpMrQsMnOmRtMpO7N8Q6MnPqQsQoNeRoOtMfQpPqN8OnNuNxNrRpONZoMwP行业专题/半导体设备 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。3 内容目录 1.半导体工艺控制设备：芯片良率的关键，千种零部件技术壁垒高.6 1.1.技术壁垒：75%基于光学检测技术，19%应用电子束技术.6 1.2.发展趋势：软硬件结合，向高速/高精度/高吞吐量方向发展.8 1.2.1.硬件：千种零部件，运动控制/光学系统是关键.8 1.2.2.软件：大数据检测算法和软件重要性凸显.9 2.细分赛道：缺陷检测占比 62.6%，量测占比 33.5%.10 2.1.缺陷检测：明场光学检测高壁垒，主要用于图形晶圆检测.11 2.2.量测：关键尺寸/套刻误差为主要应用场景.15 3.市场空间：光刻/刻蚀/沉积外第四大赛道，2022 年全球需求 135 亿美元.18 3.1.全球市场：2024 年设备支出重回高位，量检测设备需求再超 100 亿美元.18 3.2.中国大陆：内资线持续扩产，在建产线合计量检测设备需求达 90 亿美元.19 4.全球格局：KLA 一家独大，二线厂商各有特色.22 4.1.KLA：兼收并购布局全面，2015 年迎来高速成长期，市占超 50%.23 4.2.AMAT：布局明场/掩模版/电子束，电子束应用领域全球市占近 50%.25 4.3.ASML：围绕光刻布局套刻误差/电子束量检测，2022 全球市占 5%.26 4.4.Onto Innovation：布局相对全面，2022 全球市占 6.2%.27 4.5.Lasertec：EUV 掩膜板缺陷检测龙头，2022 年全球市占 6.4%.29 4.6.Nova：专注量测板块，2022 年全球市占 3.4%.30 4.7.Camtek：发力先进封装量检测，2022 年全球市占 2.4%.31 5.国产进展：各自突破，国产化率不到 5%.32 5.1.中科飞测：布局无图形/图形缺陷检测/膜厚/三维形貌测量，SAM 比例 27.2%.33 5.2.上海精测：布局明场检测/Review-SEM/CD-SEM/OCD/膜厚，SAM 比例 51.5%.35 5.3.睿励仪器：布局膜厚/OCD/图形缺陷检测，SAM 比例 20%.36 5.4.东方晶源：布局电子束量检测设备，SAM 比例 13.9%.37 6.投资建议.37 7.风险提示.38 图表目录 图 1.半导体量检测设备分类及应用.6 图 2.深 3D 结构检测：电子束高聚焦性可减少检测噪音.7 图 3.半导体检测与量测技术.10 图 4.2020 年全球半导体工艺控制设备市场结构.10 图 5.KLA 公司 Surfscan SP1 缺陷检测系统原理图.11 图 6.明场光学检测装备光路原理和灵敏度仿真方法.13 图 7.eDBO 技术中的典型套刻标记.16 图 8.2016-2024E 全球半导体设备及晶圆厂设备支出情况（亿美元）.18 图 9.2020 年前道半导体设备（晶圆厂设备）市场结构.19 图 10.2016-2024E 全球半导体工艺控制设备市场规模及增速（亿美元，%）.19 图 11.2016-2024E 中国大陆半导体设备市场及增速（亿美元，%）.20 图 12.2021-2022 年全球半导体设备支出地区结构.20 图 13.2016-2024E 中国大陆半导体工艺控制设备市场规模及增速（亿美元，%）.20 图 14.2020 年全球半导体检测和量测设备市场竞争格局.22 图 15.CY2022 年半导体量检测设备企业营收规模（亿美元）.23 行业专题/半导体设备 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。4 图 16.FY2022 年半导体量检测设备企业毛利率/净利率对比.23 图 17.2021 年全球电子束量检测设备市场结构.25 图 18.2021 年全球电子束量检测设备市场竞争格局.25 图 19.ASML 套刻误差测量系统 YieldStar 和电子束测量系统 HMI eP5 联合应用示例.26 图 20.ASML FY2022 年设备系统营收结构.27 图 21.ASMLFY2017-2022 年营收及增速（亿美元，%）.27 图 22.创新科技产品矩阵.27 图 23.创新科技 FY2011-2022 年总营收及增速（亿美元，%）.28 图 24.创新科技 FY2022 年营收产品结构.28 图 25.创新科技 FY2022 年营收地区结构.28 图 26.Lasertec 半导体量检测设备产品矩阵.29 图 27.Lasertec FY2011-2022 年总营收及增速（亿美元，%）.29 图 28.新星测量 FY2011-2022 年总营收及增速（亿美元，%）.30 图 29.新星测量 FY2022 年营收产品结构.30 图 30.新星测量 FY2022 年营收地区结构.30 图 31.康特科技 FY2011-2022 年总营收及增速（亿美元，%）.31 图 32.康特科技先进封装中微凸点量检测技术布局路径.31 图 33.康特科技 FY2022 年营收地区结构.31 图 34.2020 年中国半导体检测和量测设备市场竞争格局.32 图 35.中科飞测 FY2018-2022 年营收及增速.34 图 36.中科飞测 FY2018-2022 年利润情况.34 图 37.中科飞测 FY2022 年营收产品结构.34 图 38.中科飞测 FY2018-2022 年研发投入情况.34 图 39.上海精测 FY2019-2022 年营收规模（亿元）.36 表 1：技术路线对比：光学检测技术，电子束检测技术，X 光量测技术.7 表 2：半导体量检测设备主要零部件和供应商.8 表 3：半导体量检测设备主要零部件和供应商.9 表 4：半导体缺陷检测设备：无图形+有图形+掩模板.11 表 5：无图形缺陷检测设备：产品对比.12 表 6：有图形暗场/明场缺陷检测设备对比：KLA/AMAT/日立高新/上海精测.13 表 7：电子束缺陷检测/复检设备对比：KLA/AMAT/ASML/上海精测/东方晶源.14 表 8：掩模板缺陷检测设备对比：KLA/AMAT/Lasertec.14 表 9：半导体量测设备：三维形貌+薄膜膜厚+套刻精度+关键尺寸.15 表 10：关键尺寸测量设备：KLA/AMAT/日立高新/Onto Innovation/上海精测/东方晶源 16 表 11：套刻误差设备对比：KLA/ASML.17 表 12：膜厚测量设备：KLA/Onto Innovation/上海精测/上海睿励/中科飞测.17 表 13：2022-2024E 全球及中国大陆各细分半导体量检测设备市场规模（亿美元）.21 表 14：内资 12 吋晶圆厂在建产线汇总（不完全统计）.21 表 15：半导体量检测设备国际厂商产品布局矩阵.22 表 16：KLA 主要布局产品及系列.23 表 17：KLA 发展历程与收购史.24 表 18：FY2005-2022 年 KLA 总营业收入及增速（亿美元，%）.24 表 19：CY2022Q1-2023Q1 单季度按产品/应用/地区分营收结构.25 行业专题/半导体设备 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。5 表 20：AMAT 电子束量检测设备矩阵.26 表 21：半导体量检测设备国产厂商产品布局矩阵.32 表 22：中科飞测产品矩阵：无图形/有图形缺陷检测+三维形貌/膜厚量测+3D 曲面玻璃量测.33 表 23：中科飞测 2020-2022 年前五大客户情况.34 表 24：上海精测产品矩阵：明场检测+OCD/CD-SEM/Review-SEM/膜厚/晶圆形貌测量.35 表 25：睿励仪器产品矩阵：膜厚/OCD 量测+光学缺陷检测.36 表 26：东方晶源产品矩阵：电子束缺陷检测+CD-SEM.37 表 27：半导体工艺控制设备重点公司盈利预测.38 行业专题/半导体设备 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。6 1.半导体工艺控制设备：芯片良率的关键，千种零部件技术壁垒高 半导体工艺控制设备对芯片良率至关重要，随着制程微缩需求倍增。主流半导体制程正从28/14nm 向 10/7/5/3nm 发展，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。随着技术的进步发展，集成电路前道制程的步骤越来越多，工艺也更加复杂。28nm 工艺节点的工艺步骤有数百道工序，由于采用多层套刻技术，14nm 及以下节点工艺步骤增加至近千道工序。根据 Yole 的统计，工艺节点每缩减一代，工艺中产生的致命缺陷数量会增加 50%，因此每一道工序的良品率都要保持在非常高的水平才能保证最终的良品率。当工序超过 500 道时，只有保证每一道工序的良品率都超过 99.99%，最终的良品率方可超过 95%；当单道工序的良品率下降至 99.98%时，最终的总良品率会下降至约 90%，因此，制造过程中对工艺窗口的挑战要求几乎“零缺陷”。检测和量测环节贯穿制造全过程，是保证芯片生产良品率非常关键的环节。随着制程越来越先进、工艺环节不断增加，行业发展对工艺控制水平提出了更高的要求，制造过程中检测设备与量测设备的需求量将倍增。图1.半导体量检测设备分类及应用 资料来源：安信证券研究中心 半导体工艺控制设备主要包括“面向晶圆制造的前道检测”和“面向先进封装的中道检测”。传统的集成电路工艺主要分为前道和后道，随着集成电路行业的不断发展进步，后道封装技术向晶圆级封装发展，从而衍生出先进封装工艺。先进封装工艺指在未切割的晶圆表面通过制程工艺以实现高密度的引脚接触，实现系统级封装以及 2.5/3D 等集成度更高、尺度更小的器件的生产制造。因此，集成电路工艺进一步细分为前道制程、中道先进封装和后道封装测试；贯穿于集成电路领域生产过程的质量控制环节进一步可分为前道检测、中道检测和后道测试。前道检测主要是针对光刻、刻蚀、薄膜沉积、清洗、CMP 等每个工艺环节的质量控制的检测；中道检测面向先进封装环节，主要为针对重布线结构、凸点与硅通孔等环节的质量控制；后道测试主要是利用电学对芯片进行功能和电参数测试，主要包括晶圆测试和成品测试两个环节。我们本文所谈论的半导体检测和量测设备主要包括面向晶圆制造环节的前道检测和面向先进封装环节的中道检测两大部分。1.1.技术壁垒：75%基于光学检测技术，19%应用电子束技术 从技术原理上看，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。目前，在所有半导体检测和量测设备中，应用光学检测技术的设备占多数。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。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%、行业专题/半导体设备 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。7 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。光学检测：检测速度快，比电子束快 1000 倍以上。光学检测技术基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得检测结果，光学检测技术对晶圆的非接触检测模式使其具有对晶圆本身的破坏性极小的优势；通过对晶圆进行批量、快速的检测，能够满足晶圆制造商对吞吐能力的要求。在生产过程中，晶圆表面杂质颗粒、图案缺陷等问题的检测和晶圆薄膜厚度、关键尺寸、套刻精度、表面形貌的测量均需用到光学检测技术。电子束检测：电子束波长比光波短，因而检测精度高，目前主要用于电子束缺陷检测和电子束缺陷复查。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。电子束的波长远短于光的波长，而波长越短，精度越高。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。表1：技术路线对比：光学检测技术，电子束检测技术，X 光量测技术 资料来源：中科飞测招股书，安信证券研究中心 图2.深 3D结构检测：电子束高聚焦性可减少检测噪音 资料来源：AMAT，安信证券研究中心 X 光量测技术：用于特定金属成分测量和超薄膜测量等领域，应用场景相对较窄。光学检测技术 电子束检测技术 X光量测技术主要内容基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得检测结果，具有速度快、精度高、无损伤的特点通过聚焦电子束扫描样片表面产生样品图像以获得检测结果，具有精度高、速度较慢的特点，通常用于部分线下抽样测量部分关键区域基于X光的穿透力强及无损伤特性进行特定场景的测量先进制程工艺应用情况应用于28nm及以下的全部先进制程。光学检测技术因其特点，目前广泛应用于晶圆制造环节应用于28nm及以下的全部先进制程。电子束检测技术因其具有精度高但速度慢特点，所以基于电子束检测技术的设备一部分应用于研发环节，一部分应用在部分关键区域抽检或尺寸测量等生产环节，例如纳米量级尺寸缺陷的复查、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应用于28nm及以下的全部先进制程，但鉴于X光具有穿透性强、无损伤特性，所以主要应用于特定的场景，如检测特定金属成分未来发展方向通过提高光学分辨率，并结合图像信号处理算法，进一步提高检测精度提升检测速度，提高吞吐量，由单一电子束向多通道电子束技术发展基于X光的穿透性特性，扩大应用的场景范围行业专题/半导体设备 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。8 在实际应用中，光学与电子束技术经常互补配合使用，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。1.2.发展趋势：软硬件结合，向高速/高精度/高吞吐量方向发展 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。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。1.2.1.硬件：千种零部件，运动控制/光学系统是关键 半导体工艺控制设备作为贯穿晶圆制造全过程、不可或缺的质量控制设备，涉及光学、物理学、机械学、算法等多领域学科，对设备供应商的技术实力和跨学科技术资源的整合能力有较高要求。硬件层面，设备涉及的零部件种类和型号繁多，不同型号和规格的零部件数量高达上千种。按大类来看，主要可分为六大类：运动与控制系统类、光学类、电气类、机械加工件、机械标准件及其他部件；其中，运动与控制系统类和光学类零部件为半导体量检测设备核心零部件。表2：半导体量检测设备主要零部件和供应商 资料来源：中科飞测招股书，安信证券研究中心 半导体量检测设备厂商对于标准零部件通常采用向供应商直采的模式，而部分关键零部件则由公司设计并由供应商按照设计要求的规格制造。从中科飞测近年供应商来看，运动与控制类零部件主要供应商包括日本的 Rorze、韩国 Soonhan、华卓精科、美国 AEROTECH、美国 Brooks、北京锐洁机器人等；光学类零部件供应商主要为美国相干公司、日本滨松光子学等。行业部分关键零部件仍主要依赖美日厂商，国产化程度仍相对偏低。原材料类型 主要零部件 主要供应商运动与控制系统类 EFEM、机械手、精密运动系统等Rorze，Soonhan，华卓精科，AEROTECH，Brooks，北京锐洁机器人光学类 光源、镜头、相机、探测器、光学传感器、光学元件等 志强视觉，相干公司，滨松光子学电气类继电器、接触器、断路器、电源类、工控机、显示屏、图像采集卡、工业传感器、仪器仪表、操作指示类等-机械加工件 机加工件、钣金及型材、装调工装、样品台等-机械标准件光机标准件、运动及结构类机械标准件、气路控制元件、气源处理元件、气路执行元件、液体类控制元件、液体类处理元件、管接头、风机过滤机组等-其他 网线、电线电缆、端子/接插件、紧固件、工具类等-行业专题/半导体设备 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。9 表3：半导体量检测设备主要零部件和供应商 资料来源：各公司官网，安信证券研究中心 采用更短波长光源、使用更大数值孔径光学系统提高光学分辨率。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。1.2.2.软件：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。公司 国家 介绍 产品Rorze 日本1985年成立，半导体和面板自动化系统供应商，产品包括机械手、EFEM、真空平台、装载台等Soonhan 韩国 1993年成立，半导体和面板设备高精密控制系统制造商AEROTECH 美国1970年成立，高性能运动控制系统定制商，产品包括载物台、空气轴承、执行器等Brooks 美国 成立于1978年，是全球领先的半导体真空机器人系统供应商华卓精科 中国成立于2012年，国内首家可自主研发并实现商业化生产的光刻机双工件台供应商，主营业务为光刻机双工件台、超精密测控装备整机以及关键部件等衍生产品的研发、生产以及销售和技术服务相干公司 美国 1966年成立，世界第一大激光器及相关光电子产品生产商滨松光子学 日本成立于1953年，主要从事光电倍增管，成像设备，光源，光半导体元件，图像处理和测量设备的制造和销售行业专题/半导体设备 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。10 2.细分赛道：缺陷检测占比 62.6%，量测占比33.5%工艺目的上看，半导体工艺控制设备设备=检测+量测。应用于前道制程和先进封装的质量控制根据工艺可细分为检测（Inspection）和量测（Metrology）两大环节。检测指在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷；量测指对被观测的晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测。图3.半导体检测与量测技术 资料来源：中科飞测招股书，安信证券研究中心 缺陷检测设备市场占比 62.6%，量测设备市场占比 33.5%。根据中商产业研究院数据，2020 年半导体量检测设备市场结构中，检测设备占比为 62.6%，包括无图形晶圆缺陷检测设备、图形晶圆缺陷检测设备、纳米图形缺陷检测设备、掩膜检测设备等，其中纳米图形缺陷检测设备需求最大，整体占比 24.7%；量测设备占比为 33.5%，包括三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备（晶圆介质薄膜量测设备）、套刻精度量测设备、关键尺寸量测设备、掩膜量测设备等，其中关键尺寸测量应用占比18.3%（包括电子束关键尺寸测量）。图4.2020年全球半导体工艺控制设备市场结构 资料来源：中商产业研究院，安信证券研究中心 11.2%9.7%24.7%6.3%5.75%4.97%10.2%8.1%1.3%7.3%3.0%0.5%2.2%0.9%3.8%X 行业专题/半导体设备 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。11 2.1.缺陷检测：明场光学检测高壁垒，主要用于图形晶圆检测 缺陷检测（62.6%）=光学检测（51.9%）+电子束检测（10.7%）。在缺陷检测环节，无图形晶圆检测、图形晶圆检测以及掩膜版缺陷检测通常采用光学检测技术，合计占比 51.9%，而电子束技术主要用于部分关键区域的检测以及缺陷复检，合计占比 10.7%。表4：半导体缺陷检测设备：无图形+有图形+掩模板 资料来源：中科飞测招股书，安信证券研究中心 无图形晶圆缺陷检测：无图形晶圆一般指裸硅片或有一些空白薄膜的硅片，后者主要用作测试片，检测的缺陷主要包括表面的颗粒、残留物、刮伤、裂纹等，这些缺陷会影响后续工艺质量，最终影响产品良率。目前，国际主流无图形缺陷检测设备主要采用“暗场散射”原理，即用单波长光束照射晶圆表面，光束会被晶圆表面反射，但当光束遇到晶圆表面的缺陷时，缺陷会散射一部分激光，设备通过接收采集缺陷散射光信号判断缺陷种类和位置。图5.KLA公司 Surfscan SP1缺陷检测系统原理图 资料来源：集成电路制造在线光学测量检测技术：现状、挑战与发展趋势，安信证券研究中心 分类 技术原理 图示无图形晶圆激光扫描检测技术通过将单波长光束照明到晶圆表面，利用大采集角度的光学系统，收集在高速移动中的晶圆表面上存在的缺陷散射光信号。通过多维度的光学模式和多通道的信号采集，实时识别晶圆表面缺陷、判别缺陷的种类，并报告缺陷的位置图形晶圆成像检测技术通过从深紫外到可见光波段的宽光谱照明或者深紫外单波长高功率的激光照明，以高分辨率大成像视野的光学明场或暗场的成像方法，获取晶圆表面电路的图案图像，实时地进行电路图案的对准、降噪和分析，以及缺陷的识别和分类，实现晶圆表面图形缺陷的捕捉光刻掩膜版成像检测技术针对光刻所用的掩膜板，通过宽光谱照明或者深紫外激光照明，以高分辨率大成像口径的光学成像方法，获取光刻掩膜板上的图案图像，以很高的缺陷捕获率实现缺陷的识别和判定行业专题/半导体设备 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。12 全球格局上，KLA 一直处于领先地位，其推出的 Surfscan SP 系列产品可实现晶圆表面纳米级缺陷的检测，最新推出的 Surfscan SP7XP缺陷检测系统可检测 5nm 及以下的缺陷。国产角度看，目前中科飞测已推出 SPRUCE-600 和 SPRUCE-800 两大型号产品，分别应用于 130nm及以上节点和 2Xnm 以上节点，部分实现国产替代；最小灵敏度指标上来看，SPRUCE-800 最小灵敏度 23nm，与 KLA SP3 相当；吞吐量上看，KLA SP3 大于 100wph，中科飞测 SPRUCE-800 在 26nm 灵敏度时吞吐量为 25wph，国产设备仍有提升空间。表5：无图形缺陷检测设备：产品对比 资料来源：中科飞测招股书，KLA 官网，日立高新官网，安信证券研究中心 有图形晶圆缺陷检测：有图形缺陷检测是指晶圆在光刻、刻蚀、沉积、离子注入、抛光等工艺过程中，对晶圆进行检测，主要的缺陷不仅包括纳米颗粒、凹陷、凸起、刮伤、断线、桥接等表面缺陷，还包括空洞、材料成分不均匀等亚表面和内部缺陷。图形化晶圆缺陷检测系统将测试芯片的空间像与相邻芯片的空间像进行比较，以获得仅有非零随机缺陷特征信号的空间差分图像。目前，产业界主流的图形结构检测设备仍然是基于光学显微镜技术的明场或暗场成像原理。明场照明是最常用的照明配置，通常包括与收集光路大致重合的定向照明光路，暗场照明是指与收集光路明显分离的定向照明光路，暗场照明在对高反射表面成像或产生边缘效应的情形中十分有效。此外，电子束也应用于部分缺陷检测及复检场景。在明场/暗场缺陷检测领域，KLA 同样处于领先地位，其明场缺陷检测设备主要分为 29xx 和39xx 两大系列，29xx 系列最新产品 2950/2955 和 39xx 系列 3920/3925 均可应用于 7nm 及以下节点；国产厂商中，上海精测明场光学缺陷检测设备已取得突破性订单，且已完成首台套交付。KLA 暗场有图形缺陷检测设备主要为 PUMA 系列，最新 PUMA 9980 可应用于 1Xnm。公司 产品系列 产品型号 应用节点/场景 吞吐量 灵敏度Surfscan SP7XP5nm SP7的1.6倍 12.5nmSurfscan SP7 7nm-Surfscan SP5XP1Xnm-Surfscan SP5 2Xnm-Surfscan SP3 3Xnm 23nmSurfscan SP A2 6Xnm-0.5m（6吋+8吋）26nmSurfscan SP A3 4Xnm-0.6m 44nm日立高科 LS Series-10nm-NovusEdge系统-边缘、缺口、背面检测AWX FSI 系统 自动正面检测SPRUCE-600 130nm100wph（灵敏度102nm）60nmSPRUCE-800 2Xnm25wph（灵敏度26nm）23nm缺陷类型中科飞测 SPRUCE100wphOnto InnovationKLASurfscanSurfscan SP Ax行业专题/半导体设备 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。13 图6.明场光学检测装备光路原理和灵敏度仿真方法（a）明场缺陷检测方法（b）暗场缺陷检测方法（c）图形化晶圆缺陷在线检测原理图 资料来源：先进节点图案化晶圆缺陷检测技术，安信证券研究中心 表6：有图形暗场/明场缺陷检测设备对比：KLA/AMAT/日立高新/上海精测 资料来源：KLA官网，日立高新官网，AMAT官网，精测电子公告，安信证券研究中心 电子束缺陷检测与复检：通过聚焦电子束扫描样片表面产生样品图像以获得检测结果，具有高精度、速度较慢的特点，通常用于纳米级尺度缺陷的复查以及部分关键区域的抽检等。目前，应用材料在电子束量检测技术方面占据主导地位，2021 年全球市占率 51%；其推出推出电子束缺陷复检系列产品 SEMVision G10 和电子束缺陷检测系列产品 PrimeVision 10公司 产品系列 产品型号 应用节点/场景3920,3925 7nm3900,3905 10nm2950,2955 7nm2930,2935 10nm2920,2925 16nm2910,2915 2X/1Xnm2900,2905 2Xnm9980 1Xnm9850 2X/1Xnm9650 28nm9500 32nmUVision 8 1XnmUVision 7-Enlight（明场+暗场）-DI2800 4/6/8吋晶圆DI4200 12吋晶圆上海精测 BFI 100系列（明场）-取得突破性订单并实现首台交付缺陷示例39xx（明场）29xx（明场）Puma（暗场）KLAIS Series（暗场）日立高科UVision（明场）AMAT行业专题/半导体设备 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。14 两大系列产品。国际巨头 KLA 在 1998 年收购 Amray Inc 公司后获得电子束检测技术，目前已推出电子束图形晶圆检测系统 eSL10 和电子束缺陷复检系统 eDR7xxx 两大系列。表7：电子束缺陷检测/复检设备对比：KLA/AMAT/ASML/上海精测/东方晶源 资料来源：各公司公告，各公司官网，集微网，安信证券研究中心 表8：掩模板缺陷检测设备对比：KLA/AMAT/Lasertec 资料来源：KLA官网，AMAT官网，Lasertec官网，安信证券研究中心 公司 产品系列 产品型号 应用节点/场景eDR7380-eDR7280 16nmeSL10（电子束图形晶圆检测系统）-SEMVision G10（电子束缺陷复检）-GAA残渣，光阻复检（埋桥）等PrimeVision 10（电子束缺陷检测）-GAA SiGe残渣，DRAM 位线检测等HMI eScan 1100 7nmHMI eScan 1000 10nmHMI eScan 600HMI eP5 5nm日立高科 CR7300系列-上海精测 电子束缺陷复检eViewTMAeroScanTM取得多家客户批量订单i515 应用于12吋硅片工艺制程，已量产i505 已量产i605-AMAT东方晶源eDR7xxx（电子束缺陷复检）KLAHMI系列 ASMLSEpA（电子束缺陷检测）公司 产品系列 产品型号 应用节点/场景Teron 640e 7nm/5nm,EUVTeron 640 10nm，EUVTeron 630 1Xnm/2XHPTeron 610 2Xnm/3XHPTeraScan 500XR 3Xnm/4XHPTeron SL670e XP 5nm/3nmTeron SL670e 7nm/5nmTeron SL655 10nmTeron SL650 20nmX5.3 20nmRA(Reticle Analyzer)数据分析系统FlashScan（空白掩模版缺陷检测）-AMAT Aera Aera 4 1Xnm-ACTIS 150 全球首款EUV图案掩膜检测系统空白掩膜板检测和复检 ABICS E120 EUV X9ULTRA Series 3nm（EU