半 导体/行 业深度 分析报 告/2022.12.03 请阅读 最后 一页 的重 要声 明！细致检测攻坚克难，精准 度量引领进步 证券研究报告 投 资评 级:看好(维持)最近 12 月市场表现 分 析师 张 益敏 SAC 证 书编号：S0160522070002 相关报 告 1.半导 体设计 行业更 新：周 期探底 雪中 花开，静待 春色倍 还人 2022-11-23 量 测 设备 行 业报 告 核 心观 点 集成电路生产工艺演进，量 测 设备重要性提升：量测 设 备 能 在 生 产 中 监测、识别、定位、分析工 艺缺 陷，对 晶圆厂 及时发 现问题、改善 工艺、提 高良率，起到 至关重 要 的作 用。量 测设备 分为尺寸测量 和缺陷 检 测 两大类。集成电路 工艺升 级推动 芯片生 产的总 步骤数 不断上 升。如今 芯片 生产涉 及超 1000 道工序，即 使 每道 工序良 率达到 99.9%，芯片 的最终 良品率 也只有 36.8%，这对单 个工序 的良率 提出了 更高的 要求。随 着集成 电路继续 多 层化、复 杂化，量测设 备 的 重要 性 日趋 凸 显。量 测 市 场 广 阔细 分 赛 道多，海 外 巨 头 一家 独 大：量 测 设 备 开 支 占 半 导 体前道设备 整 体 开支 的 13%，2021 年 全 球市 场 规模 约为 104 亿美元，先 进 制程有 望 推 动市 场 实现 长 远增 长。量测 设备种 类 多，存在 膜厚、套刻 误差、关 键尺寸、有 图形 缺 陷检测、无 图形 缺陷检 测、电子束 等多个细 分类赛 道。美国科 磊（KLA）为 量测领 域 行业 龙头，产品 覆盖广泛，市 场占比 52%,超 过第二 名应用 材料 4 倍以上。量测设备自给率低，国 产化 需 求 量 大 时 间 紧 迫：量测 设 备 涉及 高端光学和 电子 学 技术，国 内积累 相对 薄弱；单 个细分 类 设备 市场 小，重视 程度不 足，国 内企业 之前长 期单打 独斗。依 据 最 新预 估，中 国 大陆 量 测 设 备市 场 规模 31.1亿美元，国产 化 率只 有 2%。海 外不断 施加限制 措 施，量 测设备 已成为 光刻机之 外威胁 较大的 短板。面 对威 胁，国内 晶圆厂 积极引 入国 产量测 设备进 行工艺验证，有 望 推动 国内量 测产业 快速发 展。国内量测企业迎难而上，全面布局 成长可期：精测电 子、睿励科 学仪器、中 科飞测、东方 晶源 等 企业，凭 借多 年的研 发经验 和技术 积累，逐步 破 茧而出。国内 量测 企业多维 布局，已实 现对多 种 细分 类设备 的 广泛 覆盖，并 在光学 系统和 检测算 法 方面 取 得突 破，多种设备 达到 28 纳米 工 艺节 点，多 个 14 纳米级产 品 进 入工 艺 验证 阶 段；展 望 未来，国内企 业有望 缩 小与 海外 企 业的差 距 并取得 出色业 绩。投资建议：建议关 注 精 测电 子（300567.SZ）、赛 腾股份（603283.SH）、中微公司（688012.SH）（持 股 睿励 科 学 仪器）等企业。风险提示：全球 半导体 市 场步入下 行周期，晶 圆厂 削减资本 开支；贸 易保护主义 等因素 导致国 内 晶圆厂扩 产不及 预期；量 测技术难 度大，企 业研发进展 可能不 及预期。-47%-37%-27%-17%-6%4%半导体 沪深300半 导体/行 业深度 分析报 告/2022.12.03 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 2 行业深度分析报告/证券研究报告 表 1：重点公司投资评级:代码 公司 总市值（亿元）收盘价（12.02）EPS（元）PE 投资评级 2021A 2022E 2023E 2021A 2022E 2023E 300567 精测电 子 158.29 56.91 0.72 0.90 1.30 100.60 63.23 43.78 增持 603283 赛腾股 份 67.85 35.55 0.99 1.44 1.95 29.70 18.99 15.09 未覆盖 688012 中微公 司 611.56 99.24 1.76 1.78 2.34 71.93 55.75 42.41 增持 数据来源：赛腾股份 数据来源于 wind 一致预期，财通证券研究所 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 3 行业深度分析报告/证券研究报告 1 量测设备保障良率，芯片 生产中重要性显著.7 1.1 量测设备在晶圆制造 中的 应用.7 1.2 量测设备种类丰富，覆盖 多种前道工序.9 1.2.1 膜厚测量：薄膜沉积 与 CMP 关键参数.10 1.2.2 关键尺寸（CD）测量：栅 极制造关键.11 1.2.3 套刻（Overlay）误差测量：确保光刻精准度.14 1.2.4 宏观缺陷检测：快速 发现 较大缺陷.15 1.2.5 无图形缺陷检测：识 别杂 质等缺陷.15 1.2.6 有图形缺陷检测：扫 描电 路图形，使用最广泛.16 1.2.7 电子束、X 射线检测与复 检：精度最高.18 1.2.8 红外光谱仪测量(FTIR)：有效获取掺杂成分.20 1.3 量测设备技术复杂，行业 壁垒高.20 1.3.1 光学检测技术分辨率 提高.21 1.3.2 大数据检测算法和软 件重 要性凸显.21 1.3.3 设备检测速度和吞吐 量的 提升.22 2 量测市场前景广阔，海外 龙头一家独大.23 2.1 量测设备市场规模持 续扩 大.23 2.2 量测设备国产率低，自主 可控需求迫切.25 2.3 科磊公司：全球量测 设备 领跑者.27 3 中国企业奋起直追，技术 突破前景可期.31 3.1 精测电子（300567.SZ）：全方位布局前道检测 设备.31 3.2 睿励科学仪器（中微 公司 688012.SH 持股）：国产量 测设备领跑者.34 3.3 赛腾股份（603283.SH）：半导体领域有力竞争 者.36 3.4 中科飞测（未上市）：深耕 半导体质 量控制设备.37 3.5 东方晶源（未上市）：发力 突破电子束设备.39 3.6 上海优睿谱（未上市）：FTIR 领域拓荒者.40 3.7 上海御微（未上市）：掩模 版晶圆检测同步发力.41 3.8 埃芯半导体（未上市）：X 射线检测领先者.42 4 风险提示.44 内容目录 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 4 行业深度分析报告/证券研究报告 图 1.量测设备格局图.6 图 2.量测设备分类与占比.6 图 3.量测在整个芯片生产 流程中的位置.7 图 4.步骤数量和单个步骤 良率对成品良率的影 响.8 图 5.步骤数量与单个步骤 良率对成品良率影响 的函 数图.8 图 6.晶圆良率分布图.9 图 7.前道晶圆制造尺寸测 量.9 图 8.前道晶圆制造缺陷检 测.9 图 9.具有多层薄膜结构的 集成电路.10 图 10.两种光学膜厚测量 方法.10 图 11.椭圆偏振光谱测量.11 图 12.四探针.11 图 13.FinFET 中的各种关 键尺寸.12 图 14.关键尺寸电子扫描 显微镜工作原理.12 图 15.CD-SEM 结构图.13 图 16.CD-SEM 工作流程.13 图 17.光学关键尺寸测量.13 图 18.套刻误差示例图.14 图 19.特殊目标图形.14 图 20.常见的晶圆正面缺 陷.15 图 21.常见的晶圆背面缺 陷.15 图 22.无图形缺陷.15 图 23.无图形缺陷检测原 理图.16 图 24.有图形缺陷检测.16 图 25.明场光学缺陷检测 系统.16 图 26.暗场光学缺陷检测 系统.16 图 27.有图形缺陷检测.17 图 28.常见的缺陷分布类 型.17 图 29.通过对比图形差异 来锁定缺陷.18 图 30.电子束缺陷检测结 果.19 图表 目录 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 5 行业深度分析报告/证券研究报告 图 31.电子束检测原理.19 图 32.缺陷检测和复查流 程.20 图 33.缺陷检测设备刨面 图.21 图 34.量测设备软件系统 运行流程.22 图 35.全球量测设备市场 规模(单位：亿美元).24 图 36.各类量测设备占比.24 图 37.量测设备各公司市 场占比.25 图 38.中国半导体量测设 备市场（单位：亿美 元）.25 图 39.科磊公司营收金额 与增速（单位：亿美元）.27 图 40.科磊公司利润金额 与增速（单位：亿美 元）.27 图 41.科磊公司来自各地 区收入金额（单位：亿美 元）.27 图 42.精测电子历年营业 收入（亿元）.32 图 43.精测电子历年归母 净利润（亿元）.32 图 44.精测电子各类业务 营收（亿元）.32 图 45.睿励股权结构(2022 年 11 月 27 日数据).34 图 46.中科飞测主营业务 营收（亿元）.38 图 47.优睿谱 Eos200 设备.41 量测设备的核心技术.22 2022 年 1-6 月国内 5 家晶圆厂设备招投标 结果.26 科磊公司产品介绍.28 精测电子半导体量测 产品.33 睿励科学仪器产品.35 赛腾股份半导体设备.37 中科飞测产品.37 东方晶源产品.39 上海御微产品.41 埃芯半导体产品.42 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 6 行业深度分析报告/证券研究报告 图1.量测设 备格 局图 数据来 源：精测 电子，中 国电 子专 用 设备工 业协 会，各公 司官 网，财通 证 券研究 所 图2.量测设 备分 类与 占比 量测大类 细分类 主流方法 其他方法 量测设备市场占比 参数测量 膜厚 光谱椭圆 偏振 FTIR、四 探针电 阻 12%关键尺寸 CD-SEM、OCD X 射线 约 12%掺杂 化学 成分 X 射线质 谱仪 FTIR、X 射线 10%光刻 套刻 误差 光学显微 成像 SEM-OL 9%缺陷检测 电路图形 缺陷 明场、暗 场有图 形 缺陷 检 测 EBI、X 射线 34%宏观缺陷 检测 光学成像 检测 6%颗粒等杂 质缺陷 无图形缺 陷检测 原子力显 微镜 5%高精度缺 陷检测 复查 EBI、REVIEW-SEM X 射线 12%数据来 源：集成 电路 产业 全书,王 阳元，华经 产业 研究 院，财通 证券 研 究所 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 7 行业深度分析报告/证券研究报告 1 量 测 设 备 保 障 良率，芯 片 生 产 中重 要 性 显 著 1.1 量测 设 备在晶 圆制 造中的 应用 芯片的完 整生 产流程 包括 前道晶圆制造 和 后道封装测试。在晶 圆制造 中使用 的设备 为前 道设备；封装 测试 中 使用 的设备 为 后道 设备。晶圆制 造借 助半 导体 前道 设备及 EDA 等工 业软 件系 统，以 硅片、电 子化 学品、靶材、气体 等为 原材 料，将设计 的电 路图 转移 到晶 圆上。晶圆 的 制造 过程 包括 光 刻、刻蚀、薄膜 沉积、清 洗、热处理、离 子注入、化学 机械抛光、量测 等 多个工 艺步骤。由于 集成 电路一般 由 多层结构组成，故 在单 个 晶圆的生产中，需多次 重 复以上步骤，层 层成 形 并 最终 构成 完 整的 集成 电路 结构。量测设备不直接参与 对晶圆 的光刻、刻蚀等工艺处 理，但 每个 重要 的工 艺步 骤后，量测设备 会对晶圆进 行检 测，以验证 并改善 工艺的 质量，并剔除不合格率过 高的晶圆。图3.量测在 整个 芯片 生产 流程 中的位 置 数据来 源：HCLTech，财通 证券 研究 所 随着制 程升 级，集 成电 路 的结构 日趋 复杂 化：鳍 式 场效晶 体管、3D 堆 叠、埋 入式字线等 新型 3D 结构 带 来了 新的工 艺挑 战，晶圆 制造 所需要 的工 序数 量不 断攀 升。据统计，28 纳米 制程 晶圆 制造需 要 数 百道 工序，而 采用多 重曝 光和 多重 掩膜 技术的 14 纳米 及以 下 制 程，工 艺步骤 数量 增加 到近千。同时，单片 晶圆 制造 所需 的时间也长 达 3 个月。高难度 的工艺步骤增大了 工 艺缺 陷的概率，工 艺节点每推进 一代，工艺中产生的致命缺 陷数量会增加 50%。；漫长 的生产时间，增大了晶圆 被损坏、污染的可能性。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 8 行业深度分析报告/证券研究报告 图4.步骤数 量和 单个 步骤 良率 对成品 良率 的影 响 数据来 源：KLA 官网，财 通证 券研 究 所 晶圆生产近千道的工 艺步 骤数量，对芯片的最 终良 率带来较大 压力。单个7 纳米晶圆制 造的 成本 超过 10,000 美 元，涉及 超 1000 道 工序。如果 每个 步骤 的良 品率为 99.5%，则最 终只 有价 值小 于 100 美元 的芯 片能 够出售，良 品率 低于 1%。即使每道工 序良 率达 到 99.95%，成品 良 率 也只 有 99.9%1000=60.65%，价值 约 4,000美元的芯 片被 报废。据 此 可知，晶圆生 产的 良率，对晶圆厂的毛 利率有着 重 大影响；达 到并 保持 高良 率水 平，能 显著 增强 晶圆 厂 的 盈利能 力。图5.步骤数 量与 单个 步骤 良率 对成品 良率 影响 的函 数图 数据来 源：财通 证券 研究 所 通过上 方的 良率 函数 图可 知，相 比于 步骤 数量 在 500 次左 右的 成熟 制程，步 骤数量 1000 次 的先 进制 程对 于 单步骤 良率 要求 更高。单 步骤良率 99.9%的先 进制 程最 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 9 行业深度分析报告/证券研究报告 终良品率只 有 36.8%。随着 集成电路制程 继续朝高 端推进，晶圆 生产 对工艺 良率控制 提出了更 高的要求。量测设备能在 晶圆生产 中 监 测、识别、定位、分 析 工艺缺陷，帮 助晶圆 制造企 业 及时发现 问题、改善工 艺、提高良 率。高端集成电路生产对于量测设备的依 赖将 加深，量测设备的市 场规 模有望持续扩大。图6.晶圆良 率分 布图 数据来 源：三星 官网，财 通证 券研 究 所 在量测与测试 步骤 结束 后，晶圆上 的良 率统计结 果 会以晶圆分布 图的方式 反 馈给工艺人员。合 格与不合 格 的芯片 在晶圆 上的位置，会通过工业软 件录入到 计 算机系统中，以晶 圆图的形 式 记录下来。较 早的 技术 会 在不良 芯片 的 表面上涂 上 墨点（Inking）；晶 圆移送 到 封 装厂 后，就 不会 去封 装这 些带墨 点的 芯片，从 而节 省大量的人力物 力 成本。此 外，部分芯片会 被 判定为 不 合格，但是可 以修复；这 些芯片经过 专用 的激 光修 复机 处理后，会 重新 进入 测试 流程。1.2 量 测设 备 种类 丰富，覆盖 多种 前道工 序 量测设备 可 分为 尺寸测量 设备(Metrology)、缺陷检测 设备(Defect Inspection)两大类，两 类设备 均广泛运 用 于晶圆生产流 程中。测量 设备对单步 工 艺（或若 干 次相似工艺）处理 的 晶圆进 行 测量，确保关 键工艺参 数（厚度、线宽、成分等）符合集成电 路的 工艺 指标。测量 设备主 要包 括 膜厚测量、关键尺寸测量、套刻测量 等。缺陷检测设备 对晶圆表 面 的 电路 结构进 行扫描，发 现并 定位异常 的 电路图 形，主要包括 有图形检测、无图 形检测、电子束检测 三 大 类。图7.前道晶 圆制 造尺 寸测 量 图8.前道晶 圆制 造缺 陷检 测 数据来 源：semiwiki，财 通证 券研 究 所 数据来 源：BACUS 协会，Andrew Cross 等，财通 证券 研究 所 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 10 行业深度分析报告/证券研究报告 1.2.1 膜厚测量：薄膜沉积 与 CMP 关键参数 集成电路的制 造需要在 晶 圆表面多次沉 积各种薄 膜。随着工艺制 程的进步，薄膜沉积的 次数 由 90 纳 米制 程 的 40 次上 升到 14 纳 米制 程的超 过 100 次；薄 膜种 类也由 6 种上 升到近 20 种。薄膜的 厚度 和均 匀性 会对 集成电 路的 最终 性能 产生 较大影响；故 高质 量、厚度 精 确 的薄膜沉积 和薄膜形 貌 保持，是实现 高良率关 键。薄膜的种类主 要包括硅（单 晶硅、多晶 硅），电介 质（二氧化硅、单晶硅），金属 膜（铝、钛、铜、钨）。不同透明度的薄膜，量测设 备 会 采用不同的方式测 量膜 厚。图9.具有多 层薄 膜结 构的 集成 电路 数据来 源：AMAT 官网，财通 证券 研 究所 针对透 明的 介质 薄膜（氮 化物、氧化 物）、半 导体 薄 膜（硅）、很薄 的金 属薄 膜（Ti、Ta 及 其氧化物），可 基于 多界面光学 干涉原理 对其 进行膜厚测 量。这种测量方式称为光学薄膜测量，具有 快速、精确、无损伤 的特 点。图10.两种光 学膜 厚测 量方 法 数据来 源：Shnti，财 通证 券研 究所 光学薄 膜测 量设 备 有 椭圆偏振光谱测量 和 垂直测量 两种方 式。椭圆偏振测量 方式更为精确，其 主要原 理是：光源发出 的光以 一定角 度入射晶圆 片表面，被薄 膜层和衬底层反射 的光，经 过 光学系统和检 偏器，最终 由质谱仪接收。其中，光 学系统 需要 兼顾入 射光在晶 圆 表面的光斑大 小、光通 量、光谱系统的 分辨率，从 而实 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 11 行业深度分析报告/证券研究报告 现在以 毫秒 为单位 的 短时 间内，微小 区域 内的 光谱 收集。质 谱仪 收集 光学 信号 后，软件系 统依 据 光 学色 散模 型，及 多界 面光 学干 涉原理，对入 射信 号进 行算 法处 理，最终得到精确 的薄膜厚 度，并上传到数据 系统当 中。在工作过程 中，移动 平 台会移动晶 圆从 而测 量多 个位 置；光 谱采 集、数学 计算、晶圆 移动 一般 并行 进行。图11.椭圆偏 振光 谱测 量 数据来 源：仪器 信息 网,财通 证券 研究 所 对于较厚的不透光导 电金 属，一般使用 四探针仪对 其进行厚度测量。由于 铝、铜这样的纯 金属 材料，电 阻 率是一个常数，故对金 属 膜层方块电阻 率的测量，能同时计算 出薄 膜厚 度。四探针 测量 电阻 的具 体方 法为：在 1,4 两 点外 接电 流源，将一 个恒 定电 流通 过探针注入 样品，使用 电流 表 计量电 流大 小 I；同 时在 2,3 探针 之间 用精 准电 压表 测得内部电 压 U，从 而凭 借 R=U/I 得出电 阻，再除 以金 属 的 单位 厚度 电阻 率，最终 得出膜厚。图12.四探针 数据来 源：集成 电路 产业 全书,王 阳元，财通 证券 研究 所 1.2.2 关键尺寸（CD）测量：栅 极 制造关键 随着晶圆制造 技术的不 断 发展，集成电 路中各类 尺寸 不断微缩，对尺寸误 差 的容忍度也不断降 低。其中，集成电路 栅极 的关键尺 寸 大小非常重要，其 任何 变 化都会严重影响芯 片性能，需 要光刻和刻蚀 等高难度 工 艺。此外，关 键尺寸测 量 有助于实现工艺的 均一性和 稳 定性。因为集 成电路 关 键 尺寸的变化，会反映出 刻 蚀、谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 12 行业深度分析报告/证券研究报告 光刻等 设备和 工艺的波 动 偏差，或光刻 胶等关键 材 料的性能变化。由于 栅 极 是集成电路 中最 微小 的结 构，故测量 关键 尺寸 通常 需要 关键尺寸扫描 电子 显 微镜(CD-SEM)和光学关键尺寸测 量 设备(OCD)。图13.FinFET 中的各 种关 键尺 寸 数据来 源：SemiEngineer,财通 证券 研 究所 关键尺寸电子 扫描显微 镜 用于测量关键 尺寸，并 监 控光 刻与显影 涂胶设备 的 运行状况，其工 作的 基本 原理 是：被测 物体 的原 子被 显微 镜 电子枪 发射 的电 子束 激发，产生二 次电 子。由于 斜坡 处 入射电 子有 效作 用面 积大，产生的 二次 电子 数量 最多，转换为 电镜 图像 时，图像 边缘亮 度高，可 以此 为依 据 计算 关键 尺寸。图14.关键尺 寸电 子扫 描显 微镜 工作原 理 数据来 源：集成 电路 产业 全书,王 阳元，财通 证券 研究 所 集成电 路 大 批量 生产 对于 关键尺 寸扫 描显 微镜（CD-SEM）的产 能有 较高 要求，故其需要具备快 速准确的 图 像识别能力。设备中承 载 晶圆的移动平 台，通常 以 微米为单位 进行 移动，CD-SEM 会在低 放大 倍数 上，通过 光 学方式 初步 搜索 特征 图形，然后依 据特 征图 形与 待测 图形的 相对 位置，对 准最 终需要 测量 的关 键尺 寸图 形(高精度的 电子 束用 以确 保对 准精度)。电子 扫描 并完 成 成像后，会将 图像 和数 据 上传到系统 中，系统 依据 算法 构建出 集成 电路 结构 的 2D 或 3D 图 形。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 13 行业深度分析报告/证券研究报告 图15.CD-SEM 结构 图 图16.CD-SEM 工作 流程 数据来 源：TCK 公司官 网，财通 证券 研究所 数据来 源：集成 电路 产业 全书,王 阳元，财通 证券 研究 所 CD-SEM 也 存在 一些 缺点：测量 需在 高真 空环 境中 进行，设备 体积 大，测量 速度慢；高 能电 荷可 能损 坏集 成电路 结构。针对这 些缺 点，光学关键尺寸测量设备（OCD）可 以有效 进行 弥补。光学关 键尺寸测量具有较好的重 复性 和稳定性，可以一次测量 得到较多的工艺参数，在 先进制程中得到广泛应用。图17.光学关 键尺 寸测 量 数据来 源：GlobalFoundries 官网，财 通证券 研究 所 如图所示，可 见光源或 紫 外光源入射到 晶圆表面，经过晶圆表面 衍射产生 的 衍射光中，包含了 晶圆表面 的 电路结构、材 料等重要 信 息。衍射光被 光谱分析 仪 收集后，计 算机 软件 系统 将接 收 到的光 谱与 系统 数据 库中 的光谱 模型 进行 对比、匹 配，经过调整 和计 算后，得出 正确的关 键尺 寸模型 和参 数。由此可知，光谱数据库 和建模算法，是光学关 键尺 寸测量 等各种 设备的 重要 组成部分。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 14 行业深度分析报告/证券研究报告 1.2.3 套刻（Overlay）误差测量：确保光刻精准度 套刻误差的定 义是两层 图 形 结构中心之 间的平面 距 离。随着集成 电路的层 数 不断增多，多重图 形和多重 曝 光的光刻工艺 被广泛应 用，不同步骤形 成的电路 图 形之间 的 套刻精度 愈发重要。套刻误差过大 形成的错 位，会导致整个 电路失效 报 废。套刻误差 测量 设备，用 于 确保不 同层级 电路图形，和 同一层电路 图形的正 确 对齐和放置。套刻 误 差测 量通 常在每 道光 刻步 骤后 进行。图18.套刻误 差示 例图 数据来 源：EEtimes,，KLA 官网，财 通证券 研究 所 套 刻 误差测量 有 光学显微成像（IBO）、光学衍射 成像（DBO）、扫描电子 显微 镜（SEM-OL）三种方 法。光 学显微 成像 设备 比较 常用，通 过光 学显 微系 统获 得 两层套刻目标图形 的数字化 图 形，然后通过 软 件算法 定 位每一层图形 的边界位 置，进一步计 算出 中心 位置，从 而获得 套 刻 误差;光学 衍射 设备将 一束 单色 平行 光，照射到不同层 套刻 目标的光 栅 上，通过测量 衍射射束 强 度的不确定性 来确定误 差。扫描电子 显微 镜的 主要 用于 刻蚀后 的最 终套 刻误 差测 量，对应 的目 标图 形尺 寸更 小，但测量 速度 较慢。图19.特殊目 标图 形 数据来 源：IEEE，Nan-Nan Zhang;Man-Hua Shen;Yi-Shih Lin,财通证 券研 究所 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 15 行业深度分析报告/证券研究报告 套刻测量 需要 在模 板上 设 计专用的 套刻目标图形 以 方便对准 测量，这 些图形 通常出现在划片槽 区域。在 高 端芯片制程中，对准图 形 的边缘数量不 断增加，常 见的对准图 形包 括：块中 块、条中条、特 殊目 标图 形。1.2.4 宏观缺陷检测：快速 发现 较大缺陷 宏观缺陷检测 设备基于 光 学图像技术，用于 晶圆 片 上较大缺陷的 识别检测，通常针对尺 度大 于 0.5 微 米的 缺陷。宏观 缺陷 检测 有两 种 方式：一 种是 全晶 圆表 面一次性图像成形，检测速 度 快；另一种方 法为每次 检 测晶圆部分区 域，通过 连 续扫描成像，最终 得到 完整 的 晶圆 图形。检 测的光学 原 理与其他光学 设备类似：光源入射到晶圆片 表面，光 学 传感器捕捉晶 圆反射或 衍 射的光，计算 机 系统对 比 分析光学数 据，通过 异常 值来 捕捉缺 陷。图20.常见的 晶圆 正面 缺陷 图21.常见的 晶圆 背面 缺陷 数据来 源：天准 公司 官网,财 通证 券研 究所 数据来 源：天准 公司 官网,财 通证 券研 究所 宏观缺陷类型 通常分为 晶 圆正面缺陷、晶圆背部 缺 陷、边缘缺陷 三 种。晶 圆 正面缺陷通 常包 括聚 焦缺 陷、部分曝 光、光刻 胶、颗粒 污 染缺陷、套刻 错 误、划痕 等；晶圆背面缺陷 主要为划 痕 和裂纹；晶圆 边缘缺陷 主 要为边缘去除 覆盖度缺 陷、边缘缺口、裂 纹等。1.2.5 无图形缺陷检测：识 别杂 质等 缺陷 无图形缺陷检测 设备使 用 光学的检测方 法，主要 针 对的缺陷类型 包括颗粒 污 染、凹坑、水印、划 伤、外延 垛堆、CMP 凸 起等。在 前 道晶圆 制造 流程 中，无图 形缺陷检测 主要 用于 来料 品质 检测、薄膜 沉积 与 CMP 的工艺 控制、晶 圆背 面污 染检测、测 试设 备洁 净度 等领 域。图22.无图形 缺陷 数据来 源：精测 电子 官网,财 通证 券研 究所 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 16 行业深度分析报告/证券研究报告 无图形缺陷检 的主要工 作 原理为：将激 光照射在 晶 圆表面 某一区 域，晶圆 在 移动平台的作用下 做旋转和 直 线运动，从而 实现激光 对 晶圆表面的 完 整扫描。当 激光光束扫描到缺 陷时，缺 陷 部位会产生特 殊的散射 信 号。设备 通过 多通道采 集 散射光 信号，排除 表面背景 噪 声，通过 算法 进行 分析 比 较，从而 识别 缺陷并确定其位置。量 产时 的晶 圆处 理速 度可达 到 100 片 每小 时。图23.无图形 缺陷 检测 原理 图 数据来 源：日立 官网，财 通证 券研 究 所 1.2.6 有图形缺陷检测：扫 描电 路图形，使用最广泛 有图形缺陷检 测设备采 用 高精度的光学 技术，对 晶 圆 表面纳米及 微米尺度 的 缺陷进行识别和定 位。针对 不 同的 集成电路 材料和结 构，缺陷检测设 备在照明 和 成像的方式、光源 亮度、光 谱 范围、光传感 器 等光学 系 统上，有不同 的 设计。有 图形缺陷检 测设 备主 要可 分为 明场缺陷检测 和 暗场缺陷 检测 两大 类。图24.有图形 缺陷 检测 数据来 源：精测 电子 官网，财 通证 券 研究所 图25.明场光 学缺 陷检 测系 统 图26.暗场光 学缺 陷检 测系 统 数据来 源：集成 电路 产业 全书,王 阳元，财通 证券 研究 所 数据来 源：集成 电路 产业 全书,王 阳元，财通 证券 研究 所 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 17 行业深度分析报告/证券研究报告 明场缺陷检测 设备，采 用 等离子体 光源 垂直入射，入射角度和光 学信号的 采 集角度完全或部分 相同，光 学 传感器生成的 图像主要 由 反射光产生；暗场缺陷 检 测设备通常采用激 光光源，光 线入射角度和 采集角度 不 同，光学图像 主要由被 晶 圆片表面散射的光 生成。明 场 设备的照明光 路和采集 光 路 共用一个显 微物镜；而 暗场检测设 备的 照明 光路 和采 集光路 存在 物理 隔离。图27.有图形 缺陷 检测 数据来 源：日立 官网，财 通证 券研 究 所 晶圆表面的缺 陷可分为 系 统性缺陷和随 机缺陷两 大 类。随机缺陷 通常由晶 圆 生产中的杂质污染（灰尘，金 属颗粒）所导 致，具有 较 强的不可预测 性；而系 统 性缺陷通常由掩膜 版或 晶圆 制 造过程中 的工艺 问题所 导 致，具有较强 的重复性。系统性缺陷 通常 出现 在一 批晶 圆的相 似位 置（如晶 圆的 边缘或 中心 位置）。图28.常见的 缺陷 分 布 类型 数据来 源：ResearchGate，Muhammad Saqlain,Qasim Abbas,Jong Yun Lee,财通证 券研 究所 谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 18 行业深度分析报告/证券研究报告 有图形缺陷检 测的具体 步骤 为：移动平 台吸附晶 圆；通过预对准 确定晶圆 中 心位置和旋转角度；通过图 像 识别功能，精 确 校准 并 确 定每个芯片的 位置；运 动 系统以 S 形 轨迹 运动；运 动中，光学 系统 对晶 圆上 的各 个芯片 进行 扫描、拍 照；有图形 缺陷 检测 设备 将图像 和 数据 上 传系 统，通过 算法 进行处理。图29.通过对 比图 形差 异来 锁定 缺陷 数据来 源：日立 官网，财 通证 券研 究 所 由于随机缺陷 重复出现 的 概率极低，故 有图形缺 陷 检测 可对比两 个相邻芯 片 的电路 图形，搜寻 电路图形 差 异从而定位缺 陷。相对 的，系统性缺陷 可能同时 出 现在相邻芯片上，故 邻近对 比 的 陷检测方式 可能无法 发 现。为进一步 提高有图 形 缺陷识 别 的 准 确 性，缺 陷 扫 描 系 统 通 常 会 确 定“黄 金 芯 片”作 为 图 形 对 比 基 准（reference）。“黄金 芯片”可以通 过人 工选 择得 到，也可以 通过 若干 芯片 的图形 组合叠加 得到。1.2.7 电子束、X 射线检测 与复 检：精度最高 电子束 图形 缺陷 检测 设备（EBI），是一 种利 用电 子 扫描显 微镜，对晶 圆 进 行 缺陷检测的量测设 备。其核 心 部件电子扫描 显微镜，通 过聚焦离子束 对晶圆表 面 进行扫描，接收放 射回来的 二 次电子和背散 射电子，经 过计算处理后 将其转换 为 晶圆形貌的 灰度 图像。传统的光学检 测技术 晶 圆 处理速度快；但随着集 成 电路制程的发 展，光学 检 测 方法受制于光线 波长，图 像 识别 时 的分辨 率 和灵敏 度 面临越来越大 的挑战。集 成电路产线通常采 用光学、电 子束相结合的 检测方法：光学检测快速 定位缺陷，电子束 设备 对缺 陷进 行 高 精度 的扫描 成像。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 19 行业深度分析报告/证券研究报告 图30.电子束 缺陷 检测 结果 数据来 源：KLA 官网，财 通证 券研 究 所 相比于光学检 测设备，电 子束检测设备 对图形的 物 理缺陷（颗粒、凸起、桥 接、空穴）具有更 高的识别 率，对具备隐藏 缺陷的检 测 能 力。虽然电 子束设备 性 能占优势，但是其 检测速度 较 慢，不能单独 满足 晶圆 厂 的需求，故不 能完全替 代 光学检测。为提高 电子束设 备 的检测速率，并行多筒 和 单筒多电子束 设备为未 来 的主要发展 方向。图31.电子束 检测 原理 数据来 源：NuFlare,财通 证券 研究所 X 射线 检测 设备 主要 由 X 射线管 和 X 射线 质谱 仪组 成，这种 检测 方法 具备 穿 透力强，低损伤的 特点，同 时 具备测定金属 成分的能 力，可运用在超 薄膜的测 量 中。与电子 束检 测类 似，单独的 X 射 线检 测速 度慢，主 要运用 在多 层、高 深宽 比 结构（例如：3D NAND 存储 器 的 ON Stack）等 特定 场 景 中。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 20 行业深度分析报告/证券研究报告 图32.缺陷检 测和 复查 流程 数据来 源：集成 电路 产业 全书,王 阳元，财通 证券 研究 所 在完成对晶圆 表面缺陷 的 检测后，识别 道的缺陷 位 置和特征会录 入到缺陷 数 据库中。随 后，缺 陷分 析扫 描 电子显 微镜（Review-SEM）用于 高精 度地 分析 缺陷 的形貌 和成分。Review-SEM 通 关收集散 射的二 次电子、背散射电 子来观 测缺陷的 尺寸、形 貌、背景 环境，通 过收集 特征 X 射线 信号 来 确定缺 陷的 元素 成分。与 EBI相比，Review-SEM 具 有更 高的分 辨率，但 检测 速度 更慢。1.2.8 红外光谱仪测量(FTIR)：有效获取掺杂成分 傅里叶 变换 红外 光谱 仪（FTIR）采 用红 外线（2.5-25 微米）的高 压汞 灯或 碳硅 棒光源，可 以测 量膜 层物 质 的化学 组成 和分 子结 构。FTIR 主要 运用 在硅 外延 膜 层的膜厚和 成分 测量，及 硼磷 硅玻璃 膜等 特殊 膜层 的掺 杂成分 测量 当中。FTIR 工作的主 要原 理为：由红外 光源 发出 的红 外光 经准直 为平 行红 外光 束进 入干涉系统（由 定镜和动 镜组 成），由于光 程差形成 干涉。干涉光信 号到达探 测器 上，经过傅 里叶 变换 处理 得到 红外光 谱图，进 而得 到化 学成分 等所 需信 息。1.3 量测 设备 技术 复杂，行业 壁垒 高 量测设备需要 光学、电子学、移动平台、传感器、数据计算软件 等多个系 统 密切配合，每 个设 备 厂 商针 对 上述系统 都 有独 特设计 和 大量的独家 knowhow，行 业壁垒较高。此外，制程 升级 也带 来了 新 的难点。等 同样 大小 的缺 陷 在 成熟 制程 中是 非致 命的，在先进制程中 却极有可 能 是导致电路失 效的致命 性 缺陷。因此量 测设备需要更高的灵敏 度，更快 速、更精 确的测量 能力。超薄 膜(厚度 小于 10 埃)、极高 深宽 比、非破坏性的图 形 等结构 的 测量，也提出 了新的要 求。量测设备的 主要技术 难 点包括分辨 率、软件 算法、产 能等。谨请参阅尾页重要声明及财通证券股票和行业评级标准 21 行业深度分析报告/证券研究报告 图33.缺陷检 测设 备刨 面图 数据来 源：KLA 官网，财 通证 券研 究 所 1.3.1 光学检测技术分辨率 提高 随着 光刻技术 的不断发 展，集成电路 构 造不断缩 小，对 检测技术 的分辨精 度 也提出了更 高要 求。目前 较先 进的量 测设 备已 使用 DUV 波段 光源，能够 检测 小 于 14纳米 的 缺陷，并 实现 0.003 纳米 的膜 厚测 量；展望 未来，量测 设备 会更 多 使 用波长更短 的 VUV、EUV 光 源来捕 捉 更 小的 缺陷。此 外，光 源光 谱范 围的 拓宽 和光学系统 数值 孔径 的提 升以 提高光 学分 辨率，也 是 重 要突破 方向。1.3.2 大数据检测算法和软 件重 要性凸显 量测设备 已不 单纯 依赖 图像 解析 来捕捉 缺陷，而 是 结合 了图像信 号处理软 件 和算法，在 信噪比 图像中寻 找 异常信号。量 测算法的 专 业性强、难度 大，需要 较 长时间的工 艺经 验积 累，开发 周 期长。量测 设备 企业 均在 自 家产品 上研 发 算 法和 软件，算法不对外单 独出售。随 着量测设备收 集 的数据 量 继续增长，未 来对 量测 设