2018半导体检测设备研究报告.pdf

 识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  1 / 40 本报告联系人：王璐    021-60750632   wanglugf； 周静  021-60750625  zhoujinggf 专题研究 |机械设备  2018 年 03 月 29 日  证券研究报告  Tabl e_Title 半导体设备系列研究 三  半导体检测设备： 芯与屏相融，光与电 交汇  Table_AuthorHorizont al 分析师：  罗立波  S0260513050002 分析师：  许兴军  S0260514050002 分析师：  代  川  S0260517080007 021-60750636  021-60750532  021-60750615 luolibogf  xxj3gf  daichuangf Table_Summary 核心观点 ：   半导体 检测 内涵丰富 ，设备 商聚焦两大 阵营  半导体检测是半导体行业唯一贯穿设计、制造、封装、应用全过程的重要部分，具备丰富内涵。根据 SEMI 数据 ，半导体 检测设备 占据整个半导体设备市场空间的 15%20%， 市场空间 在 6080 亿美元。 这其中 ，前段 制程 中 的工艺控制检测设备、后 段 CP 与 FT 测试各 占据 半壁江山 。 科磊 作为全球工艺控制 检测 设备龙头、爱德万与泰瑞达则在后道 CP 与 FT 形成 寡头垄断，这三家 半导体 检测设备巨头均跻身 2016 年 全球前十大半导体设备巨头之列，同时 表现了 更高的毛利率水平， 显示 半导体检测设备行业的 广阔 空间。   过程 工艺控制： 倾向于面向 制造商的解决方案， 与晶圆厂 投资 高度 同步  过程工艺控制被定义为检查、测量与成品率控制，广泛存在于晶圆制造加工过程中， 用于协助芯片制造商提升良率和生产 效率。其需求主要来自于芯片制造商（逻辑芯片、存储芯片）以及代工厂，与 晶圆厂 设备（ WFE） 投资表现了 高度的一致性， 稍 弱于半导体 整体 投资波动。 根据 Gartner 数据 ， 2015 年 过程工艺控制市场为 46 亿 美元 ，主要由科磊、日本日立、阿斯麦、应用材料等占据，目前 国内企业中， 上海睿励 在 光学测量设备已有 一定突破 。   半导体测试 ： 面向不同类型的 集成电路 ，国产品牌有望从 细分市场 取得 突破  半导体测试（ Test）主要 包括 设计阶段 的验证测试、 晶圆加工 完 成 后 分别在 封装完成前后的 CP 测试 和 FT 测试，面向 不同类型的集成电路进行测试 ， 其需求主要来自 于 设计厂商与封测厂商。 据泰瑞达年报， 2017 年全球半导体测试设备市场 33.5 亿美元，其中 SOC、 存储器测试分别达到 24 亿美元、 6.5 亿美元， SOC 测试 需求趋势持续向上，而存储器测试迎来复苏。在测试机市场， 爱德万和泰瑞达占据 了 90%的市场（ SEMI 数据 ） 。 目前国内企业长川科技 在 FT 测试 市场已有一定积累， 随着 新 产品探针台 推向市场，有望向 CP 测试拓展 ； 精测电子 作为国内面板检测龙头 ，与 三星半导体检测设备供应商 IT&T 成立 合资公司， 进军 半导体检测领域 。   投资建议 与风险提示  投资建议： 随着大陆晶圆厂投资加速，半导体设备需求大幅增加。国内优势企业经多年深耕研发，已经在技术门槛相对较低的测试设备领域取得一定突破，未来将充分受益巨大的国产替代空间。我们建议重点关注国内半导体检测设备企业中，注重研发创新，技术领先，未来核心竞争力持续强化的企业，重点关注精测电子 *、长川科技 *。（标 *为联合覆盖标的）  风险提示： 行业投资波动带来的收入不确定性；行业竞争加剧导致毛利率下滑；技术研发及国产化趋势推进不及预期；国家产业扶持政策变化或扶持力度不及预期。  Table_Report  相关研究 ：  “轻 深度 ”系列之一 ： 从 KLA-Tencor 收购 Orbotech，看检测设备的成长与估值  2018-03-21 机械设备： 从半导体展看装备企业产品红利  2018-03-19 “全球视野”系列研究 五：爱德万，全球半导体测试设备 龙头 的 锤炼之路  2018-01-22 长川科技： 国内半导体投资加快，测试设备 龙头崛起  2017-12-24   识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  2 / 40 专题研究 |机械设备  目录索引  半导体检测内涵丰富，形成两个聚焦市场  . 5 贯穿全程，半导体设备市场重要组成部分  . 5 工艺过程控制与半导体测试各占半壁江山  . 7 过程工艺控制  ：高效生产的保障，产业环境平稳健康  . 10 过程工艺控制：倾向于解决方案，协助芯片制造商提升生产效益  . 10 半导体制造商投资多种新工艺，驱动工艺控制持续发展  . 13 细分市场多由寡头垄断，构筑高毛利  . 17 半导体测试：测试需求不断推进，份额向龙头 聚拢  . 21 从设计验证到生产测试，侧重有所不同  . 21 三类主要设备：测试机、分选机与探针台  . 24 SOC 测试趋势持续向上，存储器测试迎来复苏  . 27 两家巨头引领全球 ATE 市场 泰瑞达与爱德万  . 33 国内设备企业：关注产品红利带来的增量空间  . 36 投资建议与风险提示  . 39    识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  3 / 40 专题研究 |机械设备  图表索引  图 1：测试在集成电路全过程中的应用  . 5 图 2：单个晶体管的制造成本与测试成本对比（美分）  . 6 图 3：主要半导体设备市场份额  . 6 图 4： 2016 年全球前十大半导体设备企业设备收入与毛利率  . 7 图 5： 2015 年各类半导体设备销售额及占总设备市场的比例  . 9 图 6： PMOS SiGe 关键尺寸测量  . 11 图 7：鳍图案上颗粒在伪栅极蚀刻后导致鳍尖顶缺陷 . 11 图 8：生产线内出现缺陷问题  . 11 图 9：工艺控制的受益类型  . 12 图 10：电子产品工业链  . 13 图 11：半导体行业资本开支增速  . 14 图 12： 半导体行业资本开支（亿美元）  . 14 图 13：半导体行业资本开支结构  . 14 图 14：过程控制设备与 WFE 的市场规模（亿美元）  . 15 图 15：过程控制与半导体设备市场增速  . 15 图 16：过程控制与先进技术的相互促进  . 16 图 17：不同设计规则对应的工艺步骤数量  . 17 图 18： 2012 年过程工艺控制检测各种检测设备占比  . 17 图 19：主要过程工艺控制检测设备商  . 18 图 20： KLA-Tencor 营业收入（百万美元）  . 18 图 21： KLA-Tencor 净利润（百万美元）  . 18 图 22： KLA-Tencor 营业收入（百万美元）  . 19 图 23： 2017 财年 KLA-Tencor 收入结构  . 19 图 24： KLA-Tencor 毛利率与净利率  . 19 图 25： KLA-Tencor 研发费用（百万美元）  . 20 图 26：  KLA-Tencor 存货（百万美元）  . 20 图 27：按测试内容分类的半导体测试类型  . 21 图 28：测试在集成电路全过程中的应用  . 22 图 29：经过测试和墨点标示的晶圆示意图  . 23 图 30： 半导体产业链及测试设备的应用  . 24 图 31：晶圆测试和封装测试工作流程示意图  . 24 图 32：晶圆检测中的探针台和测试机工作示意图  . 25 图 33：东京电子与东京精密的探针台产品布局  . 26 图 34 分选机常见的三种结构类型  . 26 图 35：全球分选机市场规模（亿美元）  . 27 图 36：全球探针台市场规模（亿美元）  . 27 图 37： 2017 年全球半导体产品销售额结构  . 27 图 38：泰瑞达部分半导体测试设备产品  . 28 图 39：全球 SOC 测试设备市场（百万美元）  . 30 图 40：爱德万 T2000 系列开放式 SoC 测试系统  . 30 图 41：存储器和整体半导体产业周期波动对比  . 31   识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  4 / 40 专题研究 |机械设备  图 42： SOC 测试与存储器测试占 ATE 设备的比重  . 31 图 43：全球存储器销售额（百万美元）  . 32 图 44：全球存储器测试设备市场规模（百万美元）  . 32 图 45： 2016 年全球测试设备市场格局  . 33 图 46：全球半导体测试机市场份额（百万美元）  . 33 图 47：爱德万营业收入与净利润（亿美元）  . 33 图 48：泰瑞达营业收入与净利润（亿美元）  . 33 图 49： 2000 年以来爱德万公司的产品革新历程  . 34 图 50：爱德万和泰瑞达的研发费用占比  . 34 图 51：全球主要测试设备企业的毛利率  . 34 图 52：国际测试机企业与国内企业测试机产品系列对比  . 35 图 53：国际测试机企业与国内企业分选机产品系列对比  . 35 图 54：上海睿励科学仪器主要产品  . 36 图 55：长川科技公司主要测试机产品  . 37 图 56： 近三年长川科技营收及毛利率（百万元）  . 38 图 57： 2016 年长川科技主营业务收入的产品结构  . 38 图 58：精测电子营业收入和净利润（百万元）  . 39 图 59：精测电子研发费用  . 39 表 1：工艺过程控制检测与半导体测试对比  . 7 表 2： IC 产品的不同电学测试（从设计阶段到封装的 IC）  . 8 表 3：硅片制造生产区的质量测量  . 10 表 4： CP 测试与 FT 测试对比  . 23 表 5：测试机的发展历程  . 25 表 6：十二五后集成电路测试平台需求趋势  . 29 表 7：长川科技公司主要分选机产品  . 37    识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  5 / 40 专题研究 |机械设备  半导体 检测 内涵丰富，形成两个聚焦市场  贯穿全程， 半导体设备市场重要组成部分  半导体 检测 是半导体行业唯一贯穿设计、制造、封装、应用全过程的重要部分，具备丰富内涵 。 在全球半导体设备市场中，诸如光刻、刻蚀、沉积等关键制程领域，占据了大部分的市场份额，而这些细分领域中，往往呈现一家或少数几家瓜分某一制程设备的格局，从而造就了应用材料（ AMAT）、阿斯麦（ ASML）、泛林（ Lam Research）等国际半导体设备巨头。 对于半导体 检测 ，与前者不同的是，半导体 检测 是唯一贯穿设计、制造、封装、应用全过程的重要部分 。从最初形成满足特定功能需求的芯片设计，经过晶圆制造、封装环节，在最终形成合格产品前，需要检测产品是否符合各种规范，比如功能（输入输出特性）、工作特性（功耗、频率、噪声等）、物理特性（封装等）、环境特性（温度、湿度、可靠性等）以 及其他特性（体积、成本、价格、可用性等）。  图 1： 测试在集成电路全过程中的应用  数据来源： CEFOC， 广发 证券 发展研究中心  半导体 检测 是产品良率和成本管理的重要环节，在半导体制造过程有着举足轻重的地位 。面临降低测试成本和提高产品良率的压力，测试环节将在产业链中占据更为重要的地位。摩尔定律预测，芯片上的元器件数目每隔 18个月会增加一倍，单位元器件的材料成本和制造成本会成倍降低，但芯片的复杂化将使测试成本不断增加。根据 ITRS的数据，单位晶体管的测试成本在 2012年前后与制造成本持平，并在 2014年之后完成超越，占据芯片总成本的 35-55%。另外，随着芯片制程不断突破物理极限，集成度也越来越高，测试环节对产品良率的监控将会愈发重要。    识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  6 / 40 专题研究 |机械设备  图 2： 单个晶体管 的制造成本与测试成本对比（ 美分 ）  数据来源： ITRS，广发证券发展研究中心  半导体 检测 设备具备可观的市场空间。 正是因为半导体 检测 的广泛应用以及对良率和成本的重要性，总体 检测 设备的投资与光刻、刻蚀等关键工艺相差无几。 根据 SEMI数据，在全球半导体设备市场中，前段晶圆加工设备部分，光刻、刻蚀、薄膜沉积设备各占 20%的市场；在测试设备领域，包括工艺过程控制、 CP测试、 FT测试等，其占整个半导体设备市场空间的 15%20%。 以 2016年全球 410亿美元的半导体设备销售额（数据来源于 SEMI）测算，半导体检测设备市场空间在 6080亿美元。  图 3： 主要半导体设备市场份额  数据来源： SEMI，广发证券发展研究中心  从全球半导体设备巨头的产品领域也可以看出半导体测试设备的广阔市场空间。2016年全球前十大半导体设备企业中，科磊（ KLA）、爱德万（ Advantest）、泰瑞达（ Teradyne）均是以 检测 设备为主要产品。 2016年科磊公司设备收入达到 32.6亿0.0000010.0000100.0001000.0010000.0100000.1000001.0000001982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012制造成本  测试成本  光刻机  刻蚀设备  薄膜设备  检测设备  其他    识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  7 / 40 专题研究 |机械设备  美元，而爱德万与泰瑞达的设备收入分别为 14.1亿美元、 13.7亿美元 。  同时，半导体测试设备企业实现了更高的毛利率。 2016年科磊毛利率达到 63%，爱德万毛利率达到 59.6%、泰瑞达毛利率达到 54.7%，显著高于其他巨头 40%的毛利率水平。这其中，由于科磊的测试产品中包含软件及其他服务，因而毛利率水平最高。  图 4： 2016年全球前十大半导体设备企业设备收入与毛利率  数据来源： 各公司年报，广发证券发展研究中心  工艺过程控制与 半导体测试 各占半壁江山  与半导体制造形成分工而对应，检测设备行业也形成了两个聚焦市场。 按半导体生产流程，主要的测试环节包括： 设计验证、过程工艺控制检测、 CP测试（晶圆测试）、FT测试（成品测试）。其中我们将过程工艺控制检测归为一类、将设计验证、 CP测试、 FT测试归为一类，在本篇报告中 余下部分 ，我们将后一类 统称为半导体测试 。之所以这样分类，主要是综合测试内容、竞争格局、客户类型等。  过程工艺控制检测： 主要集中在前道晶圆制造过程中，主要是进行：（ 1） OCD结构检测，如形状、线宽、膜厚等；（ 2）缺陷检测；（ 3）其他小类型的检测，如电阻率的测试，离子注入浓度检测等。 其中在缺陷检测中主要应用光学检测 ，除此之外，过程工艺控制检测也会有电参数检测、电子束检测等。 在晶圆加工过程，需要反反复复进行几百道甚至上千道工序，这其中有超过一半的工序后需要选择进行控制检测。在 这一领域，科磊、日立高新、应用材料合计占有近 80%的市场份额（ 2012年数据，来源于 Gartner），他们的客户主要是逻辑芯片企业、存储芯片企业以及代工厂，比如三星、 Intel。  表 1：工艺过程控制检测与半导体测试对比  测试内容  测试环节  测试类型  主要设备企业  客户  0%10%20%30%40%50%60%70%0102030405060708090应用材料  阿斯麦  东京电子  泛林  科磊  迪恩仕  爱德万  泰瑞达  日立高新  尼康  设备收入（亿美元）  毛利率    识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  8 / 40 专题研究 |机械设备  过程工艺控制检测  形状、膜厚、线宽、缺陷检测、电阻率、离子注入浓度  晶圆加工环节  主要是光学检测  科磊、日立高新、 应用材料  逻辑芯片企业、存储芯片企业以及代工厂  半导体测试  DC/AC参数测试、功能测试  设计环节；晶圆加工完成后、封装完成前后（ CP与 FT）  主要是电参数检测  泰瑞达、爱德万、科利登（ Xcerra）  设计企业、封测企业  数据来源： 半导体制造技术， MichaelQuirk，电子工业出版社， 广发证券发展研究中心  半导体 测试：设计验证、 CP测试、 FT测试均归在这一类 ，主要进行电学参数测量 。包括参数测试（如短路测试、开路测试、最大电流测试等 DC参数测试，传输延迟测试、功能速度测试等 AC参数测试）与功能测试。通常所讲的后道测试仅指 FT测试，即封装完成后的芯片级测试，但事实上， CP测试与 FT测试设备通常 是一样的，使用相同的测试平台。这一领域的测试设备企业主要是泰瑞达与爱德万， 在测试机领域，两者合计市场份额可以达到 90%。他们的客户主要是封测企业以及设计企业。这其中封测企业与设计企业对设备的选择将会形成相互影响 。通常所说的测试设备，指的便是设计验证、 CP测试、 FT测试 所只用的检测设备 ，而前道的过程工艺控制往往要与制程工艺相结合，归类通常放在前道 晶圆 加工 设备 中。  表 2： IC产品的不同电学测试（从设计阶段到封装的 IC）  测试  IC生产阶段  硅片 /芯片级  测试描述  IC设计验证  生产前  硅片级  描述、调试和检验新的芯片设计，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，在制作过程的早期（前端）进行的茶品工艺检验测试  CP测试  硅片制造后  硅片级  产品功能测试，验证每个芯片是否符合产品规格  可靠性测试  封装的 IC 封装的芯片级  集成电路加电并在高温下测试，以发现早期失效（有时也在在线参数测试中进行硅片级的可靠性测试）  FT测试  封装的 IC 封装的芯片级  使用产品规格进行的产品功能测试  数据来源： 半导体制造技术， MichaelQuirk，电子工业出版社， 广发证券发展研究中心  工艺过程控制与半导体测试各占半壁江山。 根据 Gartner数据， 2015年全球半导体设备市场为 365亿美元，其中过程工艺控制检测市场为 46亿美元、半导体测试设备市场为 33亿美元，两者合计占总设备市场的 21.6%。    识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  9 / 40 专题研究 |机械设备  图 5： 2015年各类半导体设备销售额及占总设备市场的比例  数据来源： Gartner，广发证券发展研究中心  0%10%20%30%40%50%60%70%050100150200250销售额（亿美元）  占比    识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  10 / 40 专题研究 |机械设备  过程工艺控制  ： 高效生产的保障， 产业环境平稳健康  过程工艺控制：倾向于解决方案，协助芯片制造商提升生产效益  过程工艺控制检测广泛的存在 于 晶圆制造加工中，在反反复复进行几百道甚至上千道工序中，有超过一半的工序后需要选择进行控制检测。进行过程工艺控制的目的在于 提高成品率，维持良好的工艺生产能力并提高器件的特性。成品率是硅片工厂生产高质量管芯能力的标志，定义为产出的合格部分与整个部分的百分比。成品率广泛应用于半导体生产 ，用来反映工艺流程是否正常。高的成品率标志着工艺生产的产品合格并按设想运行；而低的成品率说明在产品设计和制造中存在质量问题，必须进行改进予以解决。  过程工艺控制检测的主要内容包括：缺陷检测、膜厚检测、线宽检测、关键尺寸（ CD）检测等等，广泛的存在于晶圆加工过程中。  表 3：硅片制造 生产区的质量测量  质量测量  注入  扩散  薄膜  抛光  刻蚀  曝光  金属  电介质  膜厚              方块电阻            膜应力           折射率         掺杂浓度           无图形表面缺陷               有图形表面缺陷          关键尺寸          台阶覆盖           套刻标记          电容 -电压特性         接触角度          注：扩散区工艺包括：氧化、淀积、扩散、退火和合金  数据来源 ： 半导体制造技术 ， MichaelQuirk，电子工业出版社， 广发证券发展研究中心    识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  11 / 40 专题研究 |机械设备  图 6： PMOS SiGe关键尺寸测量   图 7： 鳍图案上颗粒在伪栅极蚀刻后导致鳍尖顶缺陷  数据来源： KLA-Tencor， 广发证券发展研究中心   数据来源 ： KLA-Tencor，广发证券发展研究中心  在半导体生产中，过程控制被定义为检查（ Inspection）、测量（ Measurement）与成品率控制（ Yield Control）。过程控制中使用的设备包括过程参数管理模块、光刻过程控制设备、成品率分析软件和系统。与其他类型的生产设备相比，过程控制不仅涉及产品规格管理，还涉及 相关的咨询服务，因此过程工艺控制更多的是协助芯片制造商提升良率、提升生产效率的解决方案。  要拥有高效率、低成本的晶圆厂，关键在于能够及时地收集到关于公益的有用信息。工艺控制工具（量测与检测）是晶圆厂的 眼睛和耳朵，他们能够洞察哪些运作正常而哪些不运作；他们是对“工艺 信息”的投资。美国商务部国家标准与技术研究院（ NIST）在 2007年的文章中预计，仅量测的平均投资回报率就高达 300%。  图 8： 生产线内出现缺陷问题    识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  12 / 40 专题研究 |机械设备  数据来源 ： KLA-Tencor， 广发证券发展研究中心  工艺控制实现降低成本、提升工厂效率的几个重要因素包括：（ 1）降低次品率以及减少与可靠性不合格相关的报废和原材料成本来降低成本；（ 2）改善成品率可以减少晶圆厂运营在每个合格芯片留下的环境足迹；（ 3）提高成品率也能提高期间期间可靠性，由于成品率缺陷和可靠性缺陷有着相同来源，因此减少成品率缺陷的来源也具有减少可靠性缺陷的附带好处；（ 4）从节点好节点的工艺设备再利用，通过工艺控制有助于延长现有工艺设备的使用寿命；（ 5）改善净周期时间，任何导致晶圆批次不能正常流动的变量都会增加周期时间，而增加检测 步骤虽然会增加被筹建批次的的周期时间，但总体而言，晶圆厂的总中断时间（可变性）将缩短，且所有批次的周期时间都将得到改善。（资料来源于 KLA-Tencor的 YMS Magazine）  图 9： 工艺控制的受益类型  数据来源 ： KLA-Tencor， 广发证券发展研究中心    识别风险 ， 发现价值                                       请务必阅读末页的免责声明  13 / 40 专题研究 |机械设备  半导体制造商投资多种新工艺，驱动工艺控制持续发展  工艺控制的需求主要来源于芯片制造商（逻辑芯片、存储芯片）以及代工厂 ，其需求受下游投资影响。 根据