***、刻蝕機(jī)對造芯片的重要性已不言而喻，但若沒有質(zhì)量控制設(shè)備，同樣無法造芯。就像醫(yī)療領(lǐng)域的CT、彩超、生化分析儀等輔助檢測身體狀況的設(shè)備一樣，半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備也是給芯片“體檢”的工具，統(tǒng)稱半導(dǎo)體檢測設(shè)備。

今年5月19日，中科飛測科創(chuàng)板上市，其主要業(yè)務(wù)便是國產(chǎn)化率只有2%的半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備[1]，上市首日較發(fā)行價(jià)漲189.62%的成績，預(yù)示著半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備將不再是隱形賽道。

本文中，你將了解到：半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備概念具體指代什么，半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備國內(nèi)外整體發(fā)展情況，國產(chǎn)設(shè)備商的出路。

易于混淆的概念

半導(dǎo)體檢測作為半導(dǎo)體質(zhì)量控制較為廣義的表達(dá)方式，業(yè)內(nèi)指稱較為混亂。嚴(yán)格意義上，半導(dǎo)體質(zhì)量控制分為檢測、量測、測試三種工藝，所指代的技術(shù)也有所不同：

檢測（Inspection）：指對晶圓表面或電路的特征性結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行檢測，防止影響芯片成品的工藝性能，比如顆粒污染、表面劃傷、開短路等；

量測（Metrology）：指對晶圓電路的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性做出量化描述，如薄膜厚度、關(guān)鍵尺寸、刻蝕深度、表面形貌等；

測試（Test）：指對已制造完成的半導(dǎo)體元件進(jìn)行性能確認(rèn)，是一種電性、功能性的檢測。[2]

對應(yīng)上述三種工藝的設(shè)備，分別稱為半導(dǎo)體檢測設(shè)備、半導(dǎo)體量測設(shè)備、半導(dǎo)體測試設(shè)備。另外，除工藝制程的檢測設(shè)備外，設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段也存在第三方檢測公司進(jìn)行芯片失效分析，有時(shí)也會略稱為檢測，容易混淆。[3]

質(zhì)量控制設(shè)備在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的位置[2]

質(zhì)量控制決定著芯片生產(chǎn)的良率，集成電路生產(chǎn)工藝復(fù)雜，僅前道制程就存在數(shù)百道工序，量變引發(fā)質(zhì)變，每道工序的缺陷都會隨時(shí)間推移而被放大到數(shù)倍甚至數(shù)十倍，所以只有保證每道工序都不存在缺陷，才能保證最終成品的性能。

換句話說，生產(chǎn)每走一步，就要用半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備查看一次生產(chǎn)情況。根據(jù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)不同，半導(dǎo)體質(zhì)量控制分為前道檢測、中道檢測和后道測試。

前道檢測：又稱為過程工藝檢測，面向晶圓制造，檢查光刻、刻蝕、薄膜沉積、清洗、CMP等晶圓制造環(huán)節(jié)后產(chǎn)品加工參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求或存在影響良率缺陷，偏向物理性檢測；

中道檢測：一種新興概念，面向先進(jìn)封裝，以光學(xué)等非接觸式手段針對重布線結(jié)構(gòu)、凸點(diǎn)與硅通孔等晶圓制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制；

后道測試：面向晶圓檢測（CP，Circuit Probing，又稱中測）和成品測試（FT，F(xiàn)inal Test，又稱終測），檢查芯片性能是否符合要求，偏向電性能檢測。[4]

前道檢測、中道檢測、后道測試在產(chǎn)業(yè)鏈中的位置，制圖丨果殼硬科技

兩種截然不同的現(xiàn)狀

從全球半導(dǎo)體制造設(shè)備市場來看，15%~20%的錢都花在了質(zhì)量控制設(shè)備上。細(xì)分市場方面，檢測設(shè)備、量測設(shè)備、測試設(shè)備分別占全球質(zhì)量控制設(shè)備市場的48%、6%、46%，同時(shí)形成了截然不同的前道檢測和后道測試市場。[5]

前道檢測和后道測試涉及具體設(shè)備及市場占比（基于可溯源最新數(shù)據(jù)），制圖丨果殼硬科技

參考資料丨中科飛測招股書[2]，未來半導(dǎo)體[6]

難造的檢測和量測設(shè)備

幾納米的誤差、尺寸變化、顆粒或圖像錯(cuò)誤，都會導(dǎo)致芯片無法正常工作，假若前道工藝每道工藝良率損失0.1%，最終良率就會降低到36.8%[7]。檢測和量測設(shè)備作為前道檢測兩大設(shè)備，能夠有效控制制造過程，提高產(chǎn)量。

量測設(shè)備：用于測量透明/不透明薄膜厚度、膜應(yīng)力、摻雜濃度、關(guān)鍵尺寸、光刻套準(zhǔn)精度等指標(biāo)，對應(yīng)設(shè)備分為橢偏儀、四探針、原子力顯微鏡、CD-SEM、OCD-SEM、薄膜量測等；

檢測設(shè)備：用于檢測晶圓表面缺陷（包括異物缺陷、氣泡缺陷、顆粒缺陷等），分為明/暗場光學(xué)圖形圖片缺陷檢測設(shè)備、無圖形表面檢測設(shè)備、宏觀缺陷檢測設(shè)備等。[2]

前道測試設(shè)備分類及主要廠商情況[8]

檢測和量測設(shè)備有三個(gè)基礎(chǔ)要點(diǎn)：一是掃描必須覆蓋整個(gè)晶圓，同時(shí)保證缺陷密度在數(shù)百個(gè)工藝步驟后趨近于零；二是掃描速度必須足夠快，否則難以及時(shí)反饋制造過程的真實(shí)情況，普遍為幾分鐘到一小時(shí)之內(nèi)，要在幾分鐘內(nèi)檢查整個(gè)晶圓，需要大于1010像素每秒的數(shù)據(jù)速率，現(xiàn)今多數(shù)先進(jìn)系統(tǒng)常采用并行讀取數(shù)百像素的方式保證傳輸速率；三是檢測和量測系統(tǒng)必須完全自動化，且24小時(shí)不間斷運(yùn)行，而預(yù)防性維護(hù)至少每三個(gè)月執(zhí)行一次。[9]

技術(shù)路線上，檢測和量測分為光學(xué)檢測、電子束檢測、X光量測三種，三種技術(shù)在靈敏度、吞吐量等參數(shù)上各有所長，實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用場景有所差別，同時(shí)三種技術(shù)均可應(yīng)用于28nm及以下（成熟制程和先進(jìn)制程分界線）的全部先進(jìn)制程。

檢測和量測三種技術(shù)路線，制表丨果殼硬科技

參考丨中科飛測招股書[2]

隨著半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展?jié)u深，檢測和量測設(shè)備也逐漸跟上步伐，行業(yè)發(fā)展可分為兩個(gè)階段。第一階段是對靈敏度和可重復(fù)性要求不斷提升，隨之而來的，是監(jiān)控晶圓成本的上升；第二階段是對可靠性和易用性上提出需求，與此同時(shí)，芯片制造商對于性價(jià)比的追求，壓力不斷回傳至制造商。展望未來，兩種設(shè)備擁有以下發(fā)展趨勢：

量測設(shè)備：薄膜測量已從簡單的單層厚度測量發(fā)展到多層厚度和折射率測量，同時(shí)薄膜質(zhì)量和化學(xué)計(jì)量已變得和薄膜厚度控制一樣重要，隨著晶圓尺寸增加，行業(yè)對其經(jīng)濟(jì)效益、精度和系統(tǒng)對系統(tǒng)匹配上提出更多要求，未來趨勢是監(jiān)測加工腔內(nèi)加工參數(shù)，而不是薄膜特性，此外，因分辨率高、速度低、點(diǎn)掃描等特性，而只能活躍在研究領(lǐng)域的電子顯微鏡，也已開始在特定缺陷檢查中應(yīng)用，如測量光刻膠中線空間陣列的臨界尺寸；[9]

檢測設(shè)備：從300mm晶圓，再到越來越逼近極限的制程節(jié)點(diǎn)，對檢測系統(tǒng)靈敏度、吞吐量、可重復(fù)性和自動化等指標(biāo)要求早已不同往日，伴隨臨界尺寸逐漸縮小，靈敏度要求只會越來越高，與之相對的是，高靈敏度檢測成本極高，這是行業(yè)不得不面對的現(xiàn)實(shí)[10]。未來，新器件結(jié)構(gòu)（GAAFET）、新材料（石墨烯、碳納米管、二硫化鉬等）、新芯片形態(tài)（神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算）等都會為檢測設(shè)備帶來更多難題，而機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、亞波長成像技術(shù)是潛在的顛覆性技術(shù)。[11]

半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備研發(fā)難度高，投入大，但市場空間不如中下游集成電路或芯片那般大，且增速較為平穩(wěn)。數(shù)據(jù)顯示，全球半導(dǎo)體量測設(shè)備將從2021年的73億美元提升至2031年的133億美元，年復(fù)合增長率6.2%，同時(shí)這一領(lǐng)域全球集中度極高，科磊半導(dǎo)體（KLA）、應(yīng)用材料（Applied Materials）、日立（Hitachi）三家全球市場占比分別為50.8%、11.5%、8.9%。[12]

2020年全球半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備市場格局[2]

我國半導(dǎo)體檢測與量測設(shè)備國產(chǎn)化率極低，2020年我國半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備國產(chǎn)化率約為2%，科磊半導(dǎo)體、應(yīng)用材料、日立三家公司分別占據(jù)我國檢測和量測設(shè)備市場的54.8%、9.0%、7.1%。而我國整體市場占全球市場約27.4%，根據(jù)推算，2023年我國檢測和量測設(shè)備市場規(guī)模能夠達(dá)到326億元。[13][14]

專利角度來看，中國非常重視半導(dǎo)體檢測技術(shù)，并已展開市場競爭。智慧芽數(shù)據(jù)顯示，以半導(dǎo)體檢測為關(guān)鍵詞搜索，在170個(gè)國家/地區(qū)中，共3210條專利，總價(jià)值109,148,100美元。

半導(dǎo)體檢測專利趨勢，圖源丨智慧芽

技術(shù)生命周期方面，自1957年開始，半導(dǎo)體檢測技術(shù)開始被關(guān)注。1957年~1975年相關(guān)專利申請書一直為個(gè)位數(shù)，技術(shù)關(guān)注度并不高。1976年~2001年時(shí)期，申請量和申請人逐年上升，可視作技術(shù)萌芽期。2002年~2022年，每年相關(guān)專利申請數(shù)量保持在100~132個(gè)，市場關(guān)注度保持穩(wěn)定，綜合各種因素預(yù)計(jì)，未來兩年專利申請數(shù)將微量增長。

技術(shù)來源國/地區(qū)方面，日本、中國、美國、韓國、德國位列半導(dǎo)體檢測領(lǐng)域前五，分別占比39.43%、15.26%、15.22%、8.7%、6.84%。

半導(dǎo)體檢測技術(shù)來源國/地區(qū)排名，圖源丨智慧芽

縱觀五局流向圖，日本與美國的半導(dǎo)檢測技術(shù)相關(guān)專利出海情況較為良好，而中國則集中在國內(nèi)，缺乏出海專利。

半導(dǎo)體檢測五局流向圖，圖源丨智慧芽

從半導(dǎo)體檢測領(lǐng)域?qū)＠暾埲饲闆r來看，科磊、日立專利儲備大幅領(lǐng)先市場其余玩家，東芝、松下、三菱、濱松光子、三星電子、通用電氣、住友重機(jī)械、瑞薩、日本電氣、橫河電機(jī)等企業(yè)在半導(dǎo)體檢測專利領(lǐng)域也極為活躍。

不過，專利集中度自2017年后逐年下降。過去二十年內(nèi)，2006年、2010年、2013年、2017年半導(dǎo)體檢測集中度超過了50%，分別達(dá)到57.5%、51.85%、65.81%、65.38%，而到2022年，集中度已下降至27.97%。

半導(dǎo)體檢測申請人排名分析，圖源丨智慧芽

國內(nèi)方面，開爾文測控、中科飛測、長鑫存儲、翼云電子、聯(lián)訊儀器等國內(nèi)新進(jìn)入者在近幾年較為活躍，后續(xù)表現(xiàn)值得關(guān)注。

半導(dǎo)體檢測新進(jìn)入者分析，圖源丨智慧芽

半導(dǎo)體量測專利領(lǐng)域不如檢測領(lǐng)域那樣熱鬧，智慧芽數(shù)據(jù)顯示，在170個(gè)國家/地區(qū)中，共27條專利，總價(jià)值2,487,600 (美元)，其中中國包攬了47.62%的相關(guān)專利，其次是美國（33.33%）、韓國（9.52%）。主要企業(yè)包括科磊、上海精測半導(dǎo)體、汎銓科技、長鑫存儲、思達(dá)科技、真芯半導(dǎo)體、中科院微電子所等。

半導(dǎo)體量測申請人排名分析，圖源丨智慧芽

缺乏高端的測試設(shè)備

在行業(yè)中，封裝和測試多被劃入一個(gè)領(lǐng)域，即封測 (Semiconductor assembly and test manufacturing，ATM) ，工藝流程包括劃片、裝片、 鍵合、塑封、去飛邊、電鍍、打印、切筋和成型、外觀檢查、成品測試、包裝出貨等。[15]

相對于穿插在每道工序間的檢測和量測設(shè)備，測試設(shè)備穿插在封裝工藝的一前（晶圓檢測）和一后（成品測試）。

簡單來說，就是在一顆顆芯片從刻好電路的晶圓上切割下來前，測試一遍各種參數(shù)，通過測試后，再像裝香腸一樣，封裝成芯片，之后再測試一遍芯片的性能。

測試設(shè)備包括測試機(jī)（Tester）、探針臺（Prober）、分選機(jī)（Test Handler）三種，無論是晶圓檢測還是成品測試，測試芯片均需先將芯片引腳與測試機(jī)功能模塊相連（探針臺和分選機(jī)的作用），再通過測試機(jī)向芯片輸入信號，并檢測輸出信號。[16]

三種測試設(shè)備中，測試機(jī)市場更大，技術(shù)壁壘也更高，不止如此，客戶還對測試精度、響應(yīng)速度、存儲能力、采集分析能力、應(yīng)用程序定制化、平臺延展性等方面提出越來越高的要求。[17]

集成電路生產(chǎn)及測試具體流程[17]

半導(dǎo)體測試設(shè)備可分為3個(gè)發(fā)展階段：1990年~2000年，是功能時(shí)代，制程工藝集中在0.8μm~0.13μm，芯片搭載功能越來越多，傳統(tǒng)測試平臺逐漸被淘汰；2000年~2015年，是效率時(shí)代，隨著工藝從0.13μm發(fā)展到14nm，并行測試需求擴(kuò)大，4工位、8工位測試成為標(biāo)配；2015年至今，是新興時(shí)代，制程工藝步入3nm，此時(shí)單純的芯片測試只是基礎(chǔ)性功能，trim（微調(diào)）等更多復(fù)雜性功能成為標(biāo)配，這些功能可以有效減少設(shè)計(jì)時(shí)間、提高產(chǎn)品良率。[7]

半導(dǎo)體封測是我國最早轉(zhuǎn)型的制造環(huán)節(jié)，迄今為止，它已成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中相對成熟的環(huán)節(jié)。早在2010年，我國就已在封裝測試環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)632億元的銷售額，其產(chǎn)值一度占據(jù)我國集成電路產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的70%以上[15]。而在2020年，我國半導(dǎo)體測試設(shè)備市場規(guī)模達(dá)到91.4億元，并且連續(xù)多年成為全球最大半導(dǎo)體銷售市場。[18]

雖然看似一片繁榮，但實(shí)際核心的測試機(jī)國產(chǎn)市占率較低。通過查看2015年到現(xiàn)在國內(nèi)封測廠商長電科技公開招標(biāo)信息，測試機(jī)主要以海外頭部廠商為主。

2019年，美國泰瑞達(dá)（Teradyne)、日本愛德萬（Advantest）兩大龍頭全球合計(jì)市占率達(dá)到90%，占據(jù)國內(nèi)測試設(shè)備市場將近91.2%的市場份額，此外，美國科休（Cohu）、美國安捷倫（Agilent)、美國科利登（Xcerra）等廠商也長期盤踞位居前幾。反觀國內(nèi)本土市場，華峰測控占比國內(nèi)市場份額僅6.1%，長川科技為2.4%。[19]

相比來說，愛德萬、泰瑞達(dá)早在20世紀(jì)60~70年代進(jìn)入半導(dǎo)體測試領(lǐng)域，我國則起步較晚，所以產(chǎn)品線單一，側(cè)重于模擬/混合測試機(jī)，海外廠商則在SoC測試機(jī)、存儲測試機(jī)、模擬/混合測試機(jī)三大種類均有涉獵。

探針臺方面，Tokyo Electron和Accretech占據(jù)全球73%份額，惠特科技（Fittech）、旺矽科技（MPI）兩家中國臺灣企業(yè)占據(jù)剩余市場份額大部分空間。[19]

國內(nèi)外設(shè)備廠商ATE測試機(jī)對比[19]

專利角度來看，日本建立的專利墻極高，國內(nèi)也在突破這道墻。智慧芽數(shù)據(jù)顯示，以半導(dǎo)體測試為關(guān)鍵詞搜索，在170個(gè)國家/地區(qū)中，共7057條專利，總價(jià)值127,781,900美元。

半導(dǎo)體測試專利趨勢，圖源丨智慧芽

技術(shù)生命周期方面，自1955年開始，半導(dǎo)體測試技術(shù)開始受到關(guān)注。1955年~1981年相關(guān)專利申請書一直為個(gè)位數(shù)。1982年~1993年，短短十幾年，專利申請量就已破百。1994年~2007年，專利申請數(shù)和申請人逐年上升，市場進(jìn)入萌芽期，同時(shí)2007年成為歷史上半導(dǎo)體測試專利申請最多的一年，而此后申請專利開始放緩，直到現(xiàn)在市場開始顯現(xiàn)上升趨勢。2008至今，市場仍然保持一定量的專利申請數(shù)量，市場進(jìn)入穩(wěn)定期，且未來兩年呈增長趨勢。

技術(shù)來源國/地區(qū)方面，日本、中國、美國、韓國、中國臺灣位列半導(dǎo)體測試領(lǐng)域前五，分別占比49.72%、18.18%、15.31%、13.29%、2.32%。

半導(dǎo)體測試技術(shù)來源國/地區(qū)排名，圖源丨智慧芽

五局流向圖方面，與半導(dǎo)體檢測領(lǐng)域類似，日本與美國的半導(dǎo)檢測技術(shù)相關(guān)專利出海情況較為良好，而中國則幾乎沒有出海的專利。

半導(dǎo)體測試五局流向圖，圖源丨智慧芽

從半導(dǎo)體測試領(lǐng)域?qū)＠暾埲饲闆r來看，愛德萬專利儲備大幅領(lǐng)先市場其余玩家，橫河電機(jī)、三菱、三星、日立、東芝、瑞薩、泰瑞達(dá)、富士通、臺積電、日本電氣、中芯國際等企業(yè)在半導(dǎo)體測試專利領(lǐng)域也極為活躍。此外，2004年~2017年，半導(dǎo)體測試專利集中度常年保持在50%以上，而在2018年后至今，專利集中度逐漸至30%左右。

半導(dǎo)體測試申請人排名分析，圖源丨智慧芽

國內(nèi)方面，勝達(dá)克、長川科技、華峰測控、精測電子、澤豐半導(dǎo)體、加速科技、木王智能、英鉑科學(xué)儀器等國內(nèi)新進(jìn)入者在近幾年較為活躍，后續(xù)表現(xiàn)值得關(guān)注。

半導(dǎo)體測試新進(jìn)入者分析，圖源丨智慧芽

設(shè)備商需更多關(guān)注

國內(nèi)在前道檢測和后道測試領(lǐng)域均有不同程度發(fā)展，相對來說，后道測試的整體發(fā)展比前道檢測更快一些，但無論是哪一方面，國內(nèi)均缺乏高端設(shè)備。對于現(xiàn)階段發(fā)展，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

業(yè)界較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)是，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備自給率低主因在于系統(tǒng)、終端、制造和封測廠商習(xí)慣性采購國外大廠產(chǎn)品, 造成本土設(shè)備難以自證自身實(shí)際生產(chǎn)制造能力，這種情況下，產(chǎn)學(xué)研與產(chǎn)業(yè)鏈溝通是關(guān)鍵；[20]

現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不平衡已成事實(shí)，擺在國產(chǎn)廠商面前的路并不只是追求最低的成本，也需要不斷改善設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性、一致性，為了擴(kuò)大應(yīng)用，應(yīng)不斷推動產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作聯(lián)動；[7]

我國半導(dǎo)體行業(yè)起步晚，缺乏高技能高創(chuàng)新人才，且人才黏度不足、人才結(jié)構(gòu)不合理，現(xiàn)有人才水平難以支撐行業(yè)發(fā)展需求，國內(nèi)制造業(yè)發(fā)展大環(huán)境正在逐漸改善，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化人力資源結(jié)構(gòu)；[19]

芯片的制程工藝依然遵循著摩爾定律所規(guī)劃的路線向前發(fā)展，可以說，晶體管密度越大，對相關(guān)檢測、量測、測試設(shè)備的靈敏度、速度等參數(shù)要求就越高，誰能更快且非破壞性地找出缺陷所在，誰就能夠得到市場青睞，而這種技術(shù)的變化也會是國產(chǎn)化的機(jī)遇，國產(chǎn)并非沒有機(jī)會，此時(shí)，國內(nèi)廠商應(yīng)發(fā)揮出自身高性價(jià)比和優(yōu)質(zhì)服務(wù)的優(yōu)勢，持續(xù)降本增效；

中道檢測是伴隨先進(jìn)封裝所提出，其中也包括了行業(yè)大熱的Chiplet（芯粒），當(dāng)芯片越來逼近1nm極限，行業(yè)正藉由優(yōu)化其它工藝提升芯片整體性能，這些全新工藝也對檢測、測試設(shè)備提出新要求，國內(nèi)應(yīng)該抓住這樣的發(fā)展機(jī)會。[7]

雖說困難重重，但實(shí)際上情況也沒有想象中那樣差，在地緣政治摩擦加劇之下，更多關(guān)注度、資金、技術(shù)也開始流向半導(dǎo)體設(shè)備廠商，同時(shí)在各項(xiàng)政策激勵(lì)和基金加持下，這些廠商也將擁有越來越多的試錯(cuò)機(jī)會。

審核編輯 ：李倩