半导体行业深度分析:芯片良率重要保障,量检测设备国产替代潜力大

（报告出品方/作者：安信证券，马良、郭旺）

1.1.半导体量检测设备分为前道和后道

集成电路产业链包括集成电路设计、集成电路晶圆制造、芯片成品制造和测试、设备和材 料行业。集成电路芯片成品制造与测试的客户是集成电路设计公司和系统集成商，设计公 司设计出芯片方案或系统集成方案，委托集成电路制造商生产晶圆（芯片），然后将芯片委 托封测企业进行封装、测试等，再由上述客户将产品销售给电子终端产品组装厂。半导体量检测设备是半导体制造过程中对芯片性能与缺陷的进行检测的关键设备，分为前 道和后道检测。前道检测主要用于晶圆加工环节，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，目的是检查每一步制造工艺后晶圆产品的加工 参数是否达到设计的要求或者存在影响良率的缺陷，属于物理性的检测；半导体后道测试 设备主要是用在晶圆加工之后、封装测试环节内，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，目的是检查芯片的性能是否符合要求， 属于电性能的检测。

1.2.前道量检测设备贯穿晶圆制造各个环节，是芯片良率的重要保障

量检测设备是芯片良率的重要保障，贯穿晶圆制造各个环节。芯片制造过程中产生的缺陷 会影响产品设备的最终良率，额外增加厂商的生产成本。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。按照检测技术分类来看，目前主要的检测技术主要分为光学检测技术、电子束检测技术和 X 光量测技术，其中光学检测是目前主流技术。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%、18.7%及 2.2%，应用光学检测技术由于可以相对较好实现有高精度和高速度的均衡，并且能够满足其他技术所不能实现的功能，因此采用 光学检测技术的设备占比具有领先优势。

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。光学检测是目前应用最广的技术，具备精度高、速度快的优点，能满足大规模 生产。与电子束检测技术相比，光学检测技术在精度相同的条件下，检测速度更具有优势；与 X 光量测技术相比，光学检测技术的适用范围更广，而 X 光量测技术主要应用于特定金属 成分测量和超薄膜测量等特定的领域，适用场景相对较窄。

光学检测技术：基于光的波动性和相干性实现测量远小于波长的光学尺度，并通过对 光信号进行计算分析以获得晶圆表面的检测结果。可以满足规模化生产的速度要求， 相对较好实现高精度和高速度的均衡，具有分辨率高、运用范围广和损伤性小的特点， 但是需借助其他技术进行辅助成像并在检测精度上不及另外两种技术。光学检测技术 可进一步分为无图形晶圆激光扫描检测技术、图形晶圆成像检测技术和光刻掩膜板成 像检测技术，在量测环节中发挥了主要作用。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，精度更高并可以直接成像进行测量，但速度相对较慢、分辨率低。X 光量测技术：主要应用于特定金属成分测量和超薄膜测量等特定的领域，适用场景相 对较窄。

总体来看，电子束具备精度优势，但是受限于检测速度，电子束无法满足规模化生产的速 度要求，导致其应用场景主要在对吞吐量要求较低的环节。科磊半导体的总裁 Rick Wallace（任职 2008 年至今）曾直接提及光学技术的检测速度可以较电子束检测技术快 1,000 倍以上，电子的物理特性使得电子束技术难以在检测速度方面取得重大突破。相比而 言，光学检测是最经济、最快的选择。因此，结合三类技术路线的特点，在实际应用场景中往往会将光学技术与电子束技术相结 合，即通过光学检测设备寻找并快速锁定缺陷位置，并由电子束检测设备重访已检测到的 缺陷并进行成像处理，对部分关键区域表面尺度量测进行抽检和复查，确保设备检测的精 度和速度，两种技术的结合使用能够提高量检测的效率，同时降低对芯片的破坏性。另外，由于电子束检测通常接收的是入射电子激发的二次电子，无法区分具有三维特征的 深度信息，因而部分测量无法用电子束技术进行检测，主要通过光学检测技术实现，如三 维形貌测量、光刻套刻测量和多层膜厚测量等应用。

应用于前道制程和先进封装的质量控制根据工艺细分为检测（Inspection）和量测 （Metrology）两大设备。检测指对晶圆表面上或电路结构中是否出现异质情况进行检测， 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 主要针对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。

1.2.1.前道量检测设备：针对晶圆制造中相关物理参数测量

集成电路制造和先进封装环节中的量测主要包括三维形貌量测、薄膜膜厚量测、关键尺寸 量测、套刻精度量测等，主要对透明薄膜厚度、不透明薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等 指标进行测量，对应的设备分为四探针、椭偏仪、CD-SEM 设备、OCD 设备、原子力显微镜、 薄膜量测等。量测环节中光学检测技术发挥主要作用，运用光的波动性和相干性实现测量远小于波长的 光学尺度，通过对光信号进行计算分析以获得晶圆表面的检测结果，若一条产线中量测结 果持续偏离设计值，表明产线工艺出现了问题，需要进行问题的排查。

三维形貌量测：通过宽光谱大视野的相干性测量技术，得到相关区域电路图形的高精度三 维形貌，对晶圆表面的粗糙度、电路特征图案的高度均匀性等参数进行测量，从而对晶圆 的良品率进行保证。套刻精度量测：集成电路上电路图形每一部分之间相对位置的套刻对准直接影响了整个器 件性能、 成品率及可靠性。套刻精度测量原理是利用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。目前市面上使用较多的设备是 KLA-Tencor 的 Archer 系列和 ASML 的μDBO 产品。Archer 系 列利用的是光的反射原理，ASML 的量测方法则是利用光的衍射原理。

Archer 系列：采用光的反射进行量测，通过使用高分辨率显微镜将当层和前层(事先已 经设置好)的量测标识叠在一起进行拍照，将拍好的照片传到分析软件通过模型对反射 光信号进行计算，算出套刻误差。

ASML-μDBO 系列：DBO 设备在当前层和前一层上套叠的光栅打入一道均匀的光束，光束透 过当成量测标识时发生衍射，衍射光束达到前层后反射，对反射回来的衍射光斑进行分析 可求得套刻误差。由于前层和当层并不严格对准，光斑每个像素点的光强关于原点并不对 称从而得到误差。

薄膜膜厚量测：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 厚度及其性质会对晶圆成像处理的结果产生关键性的影响。膜厚测量环节通过精准测量每 一层薄膜的厚度、折射率和反射率，并进一步分析晶圆表面薄膜膜厚的均匀性分布，从而 保证晶圆的高良品率。膜厚测量可以根据薄膜材料划分为两个基本类型，即不透明薄膜和 透明薄膜。业界内一般使用四探针通过测量方块电阻计算不透明薄膜的厚度；通过椭偏仪 测量光线的反射、偏射值计算透明薄膜的厚度。

关键尺寸量测：半导体制程中最小线宽一般称之为关键尺寸，通过测量从晶圆表面反射的 宽光谱光束的光强、偏振等参数，来测量光刻胶曝光显影、刻蚀和 CMP 等工艺后的晶圆电路 图形的线宽以保证工艺的稳定性。由于任何图形尺寸的偏离都会对最终器件的性能、成品 率产生影响，因此先进的工艺控制都需要对关键尺寸测量。根据设备运用原理的不同分为关键尺寸扫描电子显微镜设备（CD-SEM）和光学关键尺寸 （OCD）测量设备，其中 OCD 设备弥补了 CD-SEM 设备需要将待测晶圆臵于真空的缺陷，具 备高精度与很好的稳定性与，可以一次性获得诸多工艺尺寸参数，目前已经成为先进半导 体制 造了艺中的主要工具。

1.2.2.检测设备：对晶圆生产过程中有无产生表面杂质等缺陷进行检测

检测设备通过晶圆缺陷检测来监控工艺，减少产量损失。晶圆表面缺陷类型众多，综合考 虑缺陷的物理属性和缺陷算法的针对性，一般将缺陷分为表面冗余物（颗粒、污染物等）， 晶体缺陷和图案缺陷。随着现在工艺尺寸向 14nm 以下制程方向发展，晶圆表面的缺陷尺寸变得越来越小，缺陷产 生频率也越来越高。目前行业内对硅片缺陷检测的普遍做法为：光学技术与电子束技术相 结合。通过光学检测设备寻找并快速锁定缺陷位置，并由电子束检测设备对缺陷进行成像 处理。

无图形晶圆激光扫描检测：无图形化检测指在开始生产之前，裸晶圆在晶圆制造商处获得认证，半导体晶圆厂收到后 再次认证的检测过程。无图形的硅片一般是指裸硅片或有一些空白薄膜的硅片，由于晶圆没有形成图案，因此可 以直接进行缺陷检测。其工作原理是将单波长光束照明到晶圆表面，当激光束在晶圆表面 遇到粒子或其他缺陷时会散射激光的一部分，设备收集在缺陷散射光信号，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。