半導(dǎo)體前道量檢測設(shè)備行業(yè)市場分析

半導(dǎo)體前道量檢測設(shè)備行業(yè)市場分析1、量檢測設(shè)備是芯片良率的關(guān)鍵保障根據(jù)不同工序，半導(dǎo)體檢測分為前道量檢測、后道檢測及實驗室檢測，其中，前道量檢測主要應(yīng)用于晶圓加工環(huán)節(jié)，目前以廠內(nèi)產(chǎn)線在線監(jiān)控為主；后道檢測主要應(yīng)用于晶圓加工后的芯片電性測試及功能性測試，目前主要分為第三方測試和廠內(nèi)產(chǎn)線在線監(jiān)控；實驗室檢測主要針對失效樣品進行缺陷定位和故障分析，目前主要分為第三方實驗室檢測和廠內(nèi)自建實驗室。質(zhì)量控制貫穿晶圓制造全過程，是芯片生產(chǎn)良率的關(guān)鍵保障。按Kaempf標準，晶圓缺陷可分為隨機缺陷和系統(tǒng)缺陷，其中，隨機缺陷主要由附著在晶圓表面的顆粒引起，其分布位置具有一定隨機性；系統(tǒng)缺陷主要來自光刻掩膜和曝光工藝中的系統(tǒng)誤差，一般出現(xiàn)在具有亞分辨率結(jié)構(gòu)特征的區(qū)域，通常位于一片晶圓上不同芯片區(qū)域的同一位置。按缺陷表征，晶圓缺陷可分為形貌缺陷、污染物和晶體缺陷，其中，形貌缺陷包括微小粗糙面、凹坑，污染物缺陷包括分子層面的有機層和無機層等污染物、原子層面的離子、重金屬缺陷等，晶體缺陷包括硅原子失位/錯位、非硅原子摻雜等。前道量檢測設(shè)備具有兩大類功能，一是確保IC產(chǎn)線量產(chǎn)良率，二是定量監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備，為設(shè)備驗收、維保提供依據(jù)。前道量檢測設(shè)備可按基本功能、技術(shù)手段和缺陷類型等方式進行分類，本文將重點對比光學(xué)/電子束、明場/暗場、有圖形/無圖形等三類設(shè)備。關(guān)鍵對比：光學(xué)檢測目前是主要方案光學(xué)檢測速度快、無接觸，目前是主要檢測技術(shù)。光學(xué)檢測技術(shù)通過對光信號進行計算分析獲得檢測結(jié)果，具有速度快、無接觸、易于在線集成等優(yōu)勢，根據(jù)中科飛測招股書，光學(xué)技術(shù)的檢測速度可以較電子束技術(shù)快1000倍以上，可以應(yīng)用于28nm及以下全部先進制程，在技術(shù)成熟度、通用性、可靠性等方面均已獲得晶圓廠的普遍認可，目前是半導(dǎo)體質(zhì)量控制的主要檢測技術(shù)，根據(jù)中科飛測招股書，2020年全球光學(xué)檢測技術(shù)市場規(guī)模為57.5億美元，在量檢測設(shè)備中的市場份額為75.2%。然而，傳統(tǒng)光學(xué)檢測技術(shù)因其檢測原理受限于瑞利散射，難以保證對先進節(jié)點晶圓缺陷的高靈敏度，并且其檢測結(jié)果通常含有大量噪聲缺陷（非殺傷性缺陷），進而干擾殺傷性缺陷的檢測。關(guān)鍵對比：電子束檢測適用于高精度場景電子束技術(shù)檢測精度較高，然而速率較慢、設(shè)備成本高。電子束檢測技術(shù)是通過聚焦電子束至某一探測點，逐點掃描晶圓表面產(chǎn)生圖像以獲取檢測結(jié)果。電子束的波長遠短于光的波長，電子束顯微鏡分辨率更高，測量精度優(yōu)于光學(xué)技術(shù)；然而測量速度慢、設(shè)備成本高，鑒于電子束檢測通常接收的是入射電子激發(fā)的二次電子，無法區(qū)分具有三維特征的深度信息，因而部分檢測無法采用電子束技術(shù)，主要采用光學(xué)檢測技術(shù)，如三維形貌量測、光刻套刻量測和多層膜厚量測等應(yīng)用。根據(jù)中科飛測招股書，2020年全球電子束檢測技術(shù)市場規(guī)模為14.3億美元，在量檢測設(shè)備中的市場份額為18.7%。關(guān)鍵對比：明場系統(tǒng)精度高、暗場系統(tǒng)速度快暗場系統(tǒng)主要收集被測物體的散射光，適用于大量晶圓的高速檢測。然而，1）散射信號強度遠低于入射光和反射光，噪聲對檢測精度影響較大，直接決定系統(tǒng)檢測極限；2）晶圓表面并非完全光滑，微觀起伏也會產(chǎn)生散射光（薄霧信號），進而影響檢測精度。明場系統(tǒng)通過提供均勻明亮的光場，使用圖像傳感器收集反射光進而分析缺陷，相比暗場系統(tǒng)，具有檢測靈敏度較高、掃描速度較慢等特征，適用于晶圓電路詳細檢測?，F(xiàn)有技術(shù)通常只搭配明場或暗場一種系統(tǒng)，因為無缺陷處和有缺陷處存在較大的亮度差異，通過對圖形灰度值進行閾值判斷實現(xiàn)缺陷分析，目前暗場系統(tǒng)占據(jù)晶圓檢測設(shè)備的主要市場。2、國內(nèi)量檢測設(shè)備市場有望快速發(fā)展驅(qū)動力1：全球半導(dǎo)體市場逐步回暖2024年全球半導(dǎo)體市場有望加速恢復(fù)增長。根據(jù)SIA數(shù)據(jù)，2023年11月全球半導(dǎo)體行業(yè)銷售額為480億美元，同比增長5.3%，在經(jīng)歷連續(xù)6個月同比降幅收窄后，年內(nèi)首次實現(xiàn)同比增長，連續(xù)9個月環(huán)比實現(xiàn)環(huán)比增長。根據(jù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫公眾號，IDC將2023年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)測值由5188億美元上調(diào)至5265億美元，2024E市場規(guī)模由6259億美元上調(diào)至6328億美元，同比增長20.2%，全球半導(dǎo)體市場正在逐步回暖，2024年起有望加速恢復(fù)增長，短期復(fù)蘇動力主要是消費電子逐步回暖，受益于華為、蘋果等新品發(fā)布后的換機熱潮，長期發(fā)展動力主要是車用、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)及AI等新興增長點。驅(qū)動力2：中國大陸晶圓廠持續(xù)擴產(chǎn)中國大陸加強成熟制程產(chǎn)能投資，以中芯國際為例，中芯國際三季報將2023全年資本開支上調(diào)至75億美元左右，同比增長約18%，2022年中國大陸12英寸晶圓產(chǎn)能全球占比22%，2026年預(yù)計增至25%。半導(dǎo)體行業(yè)需求回暖疊加中國大陸晶圓廠持續(xù)擴產(chǎn)，國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備市場長期有望穩(wěn)健增長。根據(jù)SEAJ數(shù)據(jù)，2023Q1-Q3中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額為244.7億美元，同比增長11.7%，2023Q3同比增長42.2%。驅(qū)動力3：先進制程提升設(shè)備投資需求先進制程對應(yīng)量檢測設(shè)備價值量有望倍增。AI芯片對性能、功耗和成本等要求較高，先進制程優(yōu)勢顯著，同時隨著汽車智能化發(fā)展，MCU等傳統(tǒng)芯片已經(jīng)難以滿足市場需求，汽車芯片功能的逐步豐富有望助力先進制程工藝快速發(fā)展。隨著芯片制程進步，設(shè)備投資成本將呈現(xiàn)大幅上升趨勢，根據(jù)中芯國際招股說明書（2020年7月），以5nm工藝為例，其投資成本高達數(shù)百億美元，是14nm的兩倍以上，28nm的四倍左右。先進制程將對工藝控制水平提出更高要求，檢測設(shè)備和量測設(shè)備價值量有望倍增。驅(qū)動力4：半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)替代正在加速國內(nèi)晶圓廠加速推進設(shè)備國產(chǎn)化。根據(jù)芯謀研究公眾號，2023年中國晶圓廠設(shè)備采購總額將達299億美元，美國、日本、荷蘭、中國設(shè)備商對應(yīng)市場份額分別為43%、21%、19%和11%，相比2020年，我國本土設(shè)備商的銷售額增長約233%，市占率增長約4pct，然而國際巨頭依舊主導(dǎo)中國設(shè)備市場，半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)替代空間廣闊。2022年10月7日，美國商務(wù)部工業(yè)與安全局（BIS）發(fā)布出口管制規(guī)則，進一步限制中國在先進計算、半導(dǎo)體制造領(lǐng)域獲得或使用美國產(chǎn)品及技術(shù)。2023年10月7日，美國BIS對此前發(fā)布的半導(dǎo)體出口禁令再次升級，對于半導(dǎo)體制造設(shè)備，新規(guī)在受控設(shè)備清單中又新增幾十個項目。中美高科技摩擦背景下，國內(nèi)晶圓廠持續(xù)推進國產(chǎn)供應(yīng)鏈整合，半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)替代正在加速。2023年全球/中國大陸量檢測設(shè)備市場空間為105/35億美元量檢測設(shè)備約占前道設(shè)備支出的10%。晶圓廠的資本支出主要包括前道制造設(shè)備、后道封測設(shè)備及廠房建設(shè)，據(jù)中科飛測（2022/03），前道制造設(shè)備支出占比可達80%，質(zhì)量控制設(shè)備約占前道制造設(shè)備支出的10%。根據(jù)VLSIResearch、QYResearch，2020-2022年全球半導(dǎo)體檢測與量測設(shè)備市場規(guī)模分別為76.5、105.1、126.3億美元，CAGR為28.49%，2020年中國大陸半導(dǎo)體量檢測設(shè)備市場規(guī)模達21億美元，全球占比27.45%。3、KLA主導(dǎo)全球市場，ASML電子束競爭優(yōu)勢顯著全球：國際巨頭主導(dǎo)量檢測設(shè)備市場全球半導(dǎo)體量檢測設(shè)備市場集中度較高，根據(jù)VLSIResearch、QYResearch，2020年行業(yè)CR5達82%，前五大設(shè)備商均來自美國和日本，主要包括KLA、應(yīng)用材料、日立等，其中KLA市占率高達51%。KLA：歷經(jīng)多次并購、產(chǎn)品種類齊全KLA歷經(jīng)多次并購。KLA儀器和Tencor儀器分別成立于1976年、1977年，并于1997年合并成立科磊半導(dǎo)體（KLA-Tencor）。成立至今，科磊半導(dǎo)體陸續(xù)收購多家公司，目前產(chǎn)品線已涵蓋質(zhì)量控制全系列設(shè)備。KLA：分產(chǎn)品，2023Q3晶圓檢測/芯片檢測收入同比下降8.4%/25.9%分產(chǎn)品看，KLA主要產(chǎn)品包括晶圓檢測（僅系統(tǒng)）、芯片檢測（僅系統(tǒng)）、半導(dǎo)體工藝（僅系統(tǒng)）、PCB/顯示/器件檢測（僅系統(tǒng)）、服務(wù)以及其他（KLAPro），2023Q3營業(yè)收入分別為10.1、5.4、1.1、0.7、5.6、1.0億美元，同比-8%、-26%、-2%、-47%、6%、-10%。我們以晶圓檢測（僅系統(tǒng)）、芯片檢測（僅系統(tǒng)）及其他（KLAPro）代表KLA量檢測業(yè)務(wù)，2020-2023年前三季度量檢測（僅系統(tǒng)）業(yè)務(wù)收入分別為37.3、54.4、74.1、50.1億美元，假設(shè)KLA市占率維持2020年值50.8%，對應(yīng)期間全球量檢測市場規(guī)模分別為73.39、106.73、145.35、98.20億美元，與本文第二章測算基本一致。4、國產(chǎn)替代正在加速，重點產(chǎn)品持續(xù)突破國內(nèi)：量檢測設(shè)備國產(chǎn)化率不足10%近年量檢測設(shè)備國產(chǎn)化率穩(wěn)步增長。中國半導(dǎo)體檢測和量測市場中，設(shè)備國產(chǎn)化率較低，國際巨頭處于市場主導(dǎo)地位，根據(jù)VSLI統(tǒng)計，2020年KLA市占率達54.8%。國產(chǎn)半導(dǎo)體量檢測設(shè)備供應(yīng)商主要包括上海精測、中科飛測、上海睿勵等，2022年營業(yè)收入分別為1.65、5.09、0.72億元。按收入口徑，2018-2022年三家公司國內(nèi)市場份額合計為0.67%、0.60%、2.11%、2.38%、3.17%，國產(chǎn)化率整體呈