半導體前道量檢測設備行業(yè)市場分析

半導體前道量檢測設備行業(yè)市場分析1、量檢測設備是芯片良率的關鍵保障根據(jù)不同工序，半導體檢測分為前道量檢測、后道檢測及實驗室檢測，其中，前道量檢測主要應用于晶圓加工環(huán)節(jié)，目前以廠內產(chǎn)線在線監(jiān)控為主；后道檢測主要應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自建實驗室。質量控制貫穿晶圓制造全過程，是芯片生產(chǎn)良率的關鍵保障。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)在具有亞分辨率結構特征的區(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)設備，為設備驗收、維保提供依據(jù)。前道量檢測設備可按基本功能、技術手段和缺陷類型等方式進行分類，本文將重點對比光學/電子束、明場/暗場、有圖形/無圖形等三類設備。關鍵對比：光學檢測目前是主要方案光學檢測速度快、無接觸，目前是主要檢測技術。光學檢測技術通過對光信號進行計算分析獲得檢測結果，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，光學技術的檢測速度可以較電子束技術快1000倍以上，可以應用于28nm及以下全部先進制程，在技術成熟度、通用性、可靠性等方面均已獲得晶圓廠的普遍認可，目前是半導體質量控制的主要檢測技術，根據(jù)中科飛測招股書，2020年全球光學檢測技術市場規(guī)模為57.5億美元，在量檢測設備中的市場份額為75.2%。然而，傳統(tǒng)光學檢測技術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。關鍵對比：電子束檢測適用于高精度場景電子束技術檢測精度較高，然而速率較慢、設備成本高。電子束檢測技術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)于光學技術；然而測量速度慢、設備成本高，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，主要采用光學檢測技術，如三維形貌量測、光刻套刻量測和多層膜厚量測等應用。根據(jù)中科飛測招股書，2020年全球電子束檢測技術市場規(guī)模為14.3億美元，在量檢測設備中的市場份額為18.7%。關鍵對比：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。現(xiàn)有技術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)晶圓檢測設備的主要市場。2、國內量檢測設備市場有望快速發(fā)展驅動力1：全球半導體市場逐步回暖2024年全球半導體市場有望加速恢復增長。根據(jù)SIA數(shù)據(jù)，2023年11月全球半導體行業(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)半導體產(chǎn)業(yè)縱橫公眾號，IDC將2023年全球半導體市場規(guī)模預測值由5188億美元上調至5265億美元，2024E市場規(guī)模由6259億美元上調至6328億美元，同比增長20.2%，全球半導體市場正在逐步回暖，2024年起有望加速恢復增長，短期復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年預計增至25%。半導體行業(yè)需求回暖疊加中國大陸晶圓廠持續(xù)擴產(chǎn)，國內半導體設備市場長期有望穩(wěn)健增長。根據(jù)SEAJ數(shù)據(jù)，2023Q1-Q3中國大陸半導體設備銷售額為244.7億美元，同比增長11.7%，2023Q3同比增長42.2%。驅動力3：先進制程提升設備投資需求先進制程對應量檢測設備價值量有望倍增。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，檢測設備和量測設備價值量有望倍增。驅動力4：半導體設備國產(chǎn)替代正在加速國內晶圓廠加速推進設備國產(chǎn)化。根據(jù)芯謀研究公眾號，2023年中國晶圓廠設備采購總額將達299億美元，美國、日本、荷蘭、中國設備商對應市場份額分別為43%、21%、19%和11%，相比2020年，我國本土設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中國設備市場，半導體設備國產(chǎn)替代空間廣闊。2022年10月7日，美國商務部工業(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、半導體制造領域獲得或使用美國產(chǎn)品及技術。2023年10月7日，美國BIS對此前發(fā)布的半導體出口禁令再次升級，對于半導體制造設備，新規(guī)在受控設備清單中又新增幾十個項目。中美高科技摩擦背景下，國內晶圓廠持續(xù)推進國產(chǎn)供應鏈整合，半導體設備國產(chǎn)替代正在加速。2023年全球/中國大陸量檢測設備市場空間為105/35億美元量檢測設備約占前道設備支出的10%。晶圓廠的資本支出主要包括前道制造設備、后道封測設備及廠房建設，據(jù)中科飛測（2022/03），前道制造設備支出占比可達80%，質量控制設備約占前道制造設備支出的10%。根據(jù)VLSIResearch、QYResearch，2020-2022年全球半導體檢測與量測設備市場規(guī)模分別為76.5、105.1、126.3億美元，CAGR為28.49%，2020年中國大陸半導體量檢測設備市場規(guī)模達21億美元，全球占比27.45%。3、KLA主導全球市場，ASML電子束競爭優(yōu)勢顯著全球：國際巨頭主導量檢測設備市場全球半導體量檢測設備市場集中度較高，根據(jù)VLSIResearch、QYResearch，2020年行業(yè)CR5達82%，前五大設備商均來自美國和日本，主要包括KLA、應用材料、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體（KLA-Tencor）。成立至今，科磊半導體陸續(xù)收購多家公司，目前產(chǎn)品線已涵蓋質量控制全系列設備。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)）、半導體工藝（僅系統(tǒng)）、PCB/顯示/器件檢測（僅系統(tǒng)）、服務以及其他（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，2020-2023年前三季度量檢測（僅系統(tǒng)）業(yè)務收入分別為37.3、54.4、74.1、50.1億美元，假設KLA市占率維持2020年值50.8%，對應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：量檢測設備國產(chǎn)化率不足10%近年量檢測設備國產(chǎn)化率穩(wěn)步增長。中國半導體檢測和量測市場中，設備國產(chǎn)化率較低，國際巨頭處于市場主導地位，根據(jù)VSLI統(tǒng)計，2020年KLA市占率達54.8%。國產(chǎn)半導體量檢測設備供應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