半导体量测设备产业发展工作计划

半导体量测设备产业发展工作计划

十四五时期，是信息化创新引领高质量发展的重要机遇期，要加快建设数字中国，大力发展数字经济，推动产业基础高级化、产业链现代化，推动新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展；是以信息化推进国家治理体系和治理能力现代化的深化巩固期，要加快构建数字社会，极大提升基于数据的国家治理能力现代化水平，把中国特色社会主义制度优势转化为强大的国家治理效能；是建设网络强国、数字中国，提升国际话语权的重要突破期，要积极倡导构建网络空间命运共同体，积极参与构建网络空间国际规则体系，推动互联网发展造福世界人民。站在新的历史起点上，要深刻认识我国社会主要矛盾变化带来的新特征新要求，深刻认识错综复杂的国际环境带来的新矛盾新挑战，深刻认识信息革命持续深化带来的新机遇新空间，增强机遇意识和风险意识，保持战略定力和底线思维，更加有力有效地推进核心技术、产业生态、数字经济、数字社会、数字建设，打造数字国家新优势，努力实现更高质量、更有效率、更加公平、更可持续、更为安全的发展。制定规划分工实施制定规划分工实施方案，明确责任分工，统筹推进各项重大任务、重点工程和优先行动。网信办将会同有关部门，跟踪督促各地区、各部门的规划实施工作。持续完善数字中国发展评价指标体系，动态跟踪监测数字中国建设进展，定期评估实施情况，分析判别潜在风险，发布数字中国发展报告。加强舆论宣传加强信息化相关政策及概念解读，总结推广一批做法经验、典型模式和先进人物。弘扬科学家、企业家精神，激发崇尚创新、勇于创业的干劲热情。营造全社会共同关注、积极参与、协力支持、共同推进信息化发展的良好氛围。光学检测行业技术发展情况从技术路线原理上看，检测和量测包括光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术等。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。光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术在应用上各有所长。半导体质量控制设备的主要性能指标涉及灵敏度、吞吐量等，不同技术路线在实现前述指标存在差异。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。光学检测技术是指基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得晶圆表面的检测结果；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。光与电子束的主要区别在于波长的长短，电子束的波长远短于光的波长，而波长越短，精度越高。在相同条件下，光学技术的检测速度比电子束检测技术快，速度可以较电子束检测技术快1，000倍以上。因此，电子束检测技术的相对低速度导致其应用场景主要在对吞吐量要求较低的环节，如纳米量级尺度缺陷的复查，部分关键区域的表面尺度量测以及部分关键区域的抽检等。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。半导体质量控制设备是集成电路生产过程中核心设备之一，涉及对集成电路制造的生产过程进行全面质量控制和工艺检测，对设备的灵敏度、速度均有较高的要求。结合三类技术路线的特点，应用光学检测技术的设备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，如三维形貌测量、光刻套刻测量和多层膜厚测量等应用，进而使得采用光学检测技术设备占多数。根据VLSIResearch和QYResearch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%，应用光学检测技术的设备占比具有领先优势，电子束检测技术亦具有一定的市场份额。随着技术的不断发展，光学检测技术与电子束检测技术存在一定的潜在竞争可能，但光学检测技术面临技术迭代的风险较小，主要理由有以下方面：①光学检测技术与电子束技术之间存在优势互补的情况。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。同时，光学检测技术可以满足规模化生产的速度要求，但是比电子束检测在检测精度上存在一定劣势。因此，在实际应用场景中，往往会同时考虑光学检测技术与电子束检测技术特性，即当光学技术检测到缺陷后，用电子束重访已检测到的缺陷，对部分关键区域表面尺度量测的抽检和复查，确保设备检测的精度和速度。两种技术之间存在优势互补的情况。②当前半导体质量控制主要依赖光学检测技术。鉴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。以国际巨头科磊半导体为例，其在1998年通过收购AmrayInc获得电子束检测技术，开始开发电子束缺陷检测设备和电子束缺陷复查设备。截至目前，科磊半导体官网显示的电子束相关设备依然为电子束缺陷检测设备和电子束缺陷复查设备，未进一步拓展基于电子束技术的其他检测及量测设备。同时，电子束检测技术在检测速度上存在制约。科磊半导体的总裁RickWallace（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。此外，根据VLSIResearch，2016年度至2020年度期间所有电子束检测设备在全球半导体检测和量测设备市场中的占比分别为19．3%、20．4%、21．0%、17．4%和18．7%，其中，电子束缺陷检测设备和电子束缺陷复查设备两种设备占比分别为9．3%、10．8%、11．5%、9．2%和10．6%，电子束检测设备及部分细分产品市场占有率总体保持平稳，未见大幅增长的原因主要系受集成电路制程中的大部分质量控制环节无法通过电子束检测技术实现或设备无法达到检测速度要求。③光学检测技术仍然为国家重点支持的领域。根据《国家自然科学基金十三五发展规划》等政策，超高分辨、高灵敏光学检测方法与技术为国家自然科学基金委信息科学部十三五优先发展领域，其主要研究方向为突破衍射极限的光学远场成像方法与技术；多参数光学表征和跨层次信息整合以及单分子成像与动态检测；亚纳米级精度光学表面检测，包括三维空间信息精确获取与精密检测、高灵敏度精细光谱实时检测技术。国家自然科学基金致力于通过超前部署，全面推进基础研究繁荣发展，为创新驱动发展提供持久动力，信息科学部优先发展光学检测技术一定程度反映了光学检测技术的重要性。综上所述，光学检测技术和电子束检测技术未来均有不断发展的空间，光学检测技术可以通过持续提高光学分辨率，并结合图像信号处理算法等实现技术创新与突破，进一步提升并增强技术优势，带来设备应用比例的增加，从而进一步带动设备市场份额的提升。（一）光学检测技术的分类及发展光学检测技术是晶圆制造中使用的关键检测技术。在检测环节，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，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，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、套刻精度量测、关键尺寸量测等。总体上，集成电路检测和量测技术的发展呈现出以下趋势：随着集成电路器件物理尺度的缩小，需要检测的缺陷尺度和测量的物理尺度也在不断缩小；随着集成电路器件逐渐向三维结构发展，对于缺陷检测和尺度测量的要求也从二维平面中的检测逐渐拓展到三维空间的检测。为满足检测和量测技术向高速度、高灵敏度、高准确度、高重复性、高性价比的发展趋势和要求，行业内进行了许多技术改进，例如增强照明的光强、光谱范围延展至DUV波段、提高光学系统的数值孔径、增加照明和采集的光学模式、扩大光学算法和光学仿真在检测和量测领域的应用等，未来随着集成电路制造技术的不断提升，相应的检测和量测技术水平也将持续提高。（二）光学检测技术未来发展趋势随着全球半导体产业产能的持续扩张，半导体设备的需求快速增长，从而推动市场对检测和量测设备需求的增加。中国大陆作为全球最大集成电路生产和消费市场，中国大陆的集成电路产业规模不断扩大，作为全球第一大半导体设备市场，对检测和量测设备的需求将持续快速增长。主流半导体制程正从28nm、14nm向10nm、7nm发展，部分先进半导体制造厂商已实现5nm工艺的量产并开始3nm工艺的研发，三维FinFET晶体管、3DD等新技术亦逐渐成为目前行业内主流技术。随着工艺不断进步，产品制程步骤越来越多，微观结构逐渐复杂，生产成本呈指数级提升。为了获取尽量高的晶圆良品率，必须严格控制晶圆之间、同一晶圆上的工艺一致性，因此对集成电路生产过程中的质量控制需求将越来越大。未来检测和量测设备需在灵敏度、准确性、稳定性、吞吐量等指标上进一步提升，保证每道工艺均落在容许的工艺窗口内，保证整条生产线平稳连续的运行。随着DUV、EUV光刻技术的不断发展，集成电路工艺节点不断升级，对检测技术的空间分辨精度也提出了更高要求。目前最先进的检测和量测设备所使用的光源波长已包含DUV波段，能够稳定地检测到小于14nm的晶圆缺陷，并且能够实现0．003nm的膜厚测量重复性。检测系统光源波长下限进一步减小和波长范围进一步拓宽是光学检测技术发展的重要趋势之一。此外，提高光学系统的数值孔径也是提升光学分辨率的另一个突破方向，以图形晶圆缺陷检测设备为例，光学系统的最大数值孔径已达到0．95，探测器每个像元对应的晶圆表面的物方平面尺寸最小已小于30nm。未来，为满足更小关键尺寸的晶圆上的缺陷检测，必须使用更短波长的光源，以及使用更大数值孔径的光学系统，才能进一步提高光学分辨率。达到或接近光学系统极限分辨率的情况下，最新的光学检测技术已不再简单地依靠解析晶圆的图像来捕捉其缺陷，而需结合深度的图像信号处理软件和算法，在有限的信噪比图像中寻找微弱的异常信号。晶圆检测和量测的算法专业性很强，检测和量测设备对于检测速度和精度要求非常高，且设备从研发到产业化的周期较长。因此，目前市场上没有可以直接使用的软件。业内企业均在自己的检测和量测设备上自行研制开发算法和软件，未来对检测和量测设备相关算法软件的要求会越来越高。半导体质量控制设备是晶圆厂的主要投资支出之一，设备的性价比是其选购时的重要考虑因素。质量控制设备检测速度和吞吐量的提升将有效降低集成电路制造厂商的平均晶圆检测成本，从而实现降本增效。因此，检测速度和吞吐量更高的检测和量测设备可帮助下游客户更好地控制企业成本，提高良品率。发展形势十四五时期，我国信息化发展的外部环境和内部条件发生复杂而深刻的变化。当今世界正经历百年未有之大变局，新兴市场国家和发展中国家崛起速度之快前所未有，新一轮科技革命和产业变革带来的激烈竞争前所未有，全球治理体系与国际形势变化之大前所未有，新冠肺炎疫情冲击带来的世界格局演变的不稳定性、不确定性前所未有。从国际看，世界进入动荡变革期，单边主义、保护主义、霸权主义对世界和平与发展构成威胁，我国信息技术产业链、供应链、创新链的安全性、稳定性受到严峻挑战。世界经济数字化转型加速，新一代信息技术加速迭代升级和融合应用，数字经济引领生产要素、组织形态、商业模式全方位变革。数字空间国际竞合进入新阶段，以信息技术生态优势、数字化转型势能、数据治理能力为核心的国家创新力和竞争力正在成为世界各国新一轮竞争焦点，数字领域规则体系及核心技术生态体系的竞争日趋激烈。从国内看，我国已转向高质量发展阶段，制度优势显著，治理效能提升，经济长期向好，物质基础雄厚，人力资源丰富，市场空间广阔，发展韧性强劲，社会大局稳定，继续发展具有多方面优势和条件。加快数字化发展，坚持技术创新和制度创新双轮驱动，以数字经济引领现代产业体系建设，有利于推动经济发展质量变革、效率变革、动力变革。加快数字化发展，推进国家治理体系和治理能力现代化，打造共建共治共享社会治理格局，有利于满足人民群众美好生活新期待。加快数字化发展，提升产业基础高级化、产业链现代化水平，有助于补齐产业基础能力短板，激发市场主体活力。坚持合作共赢，推动信息化对外开放水平向更大范围、更宽领域、更深层次拓展，有利于支撑构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局。同时，我国信息化发展还存在一些突出短板，主要是：信息化发展不平衡不充分的问题较为明显，城乡信息化发展水平差距依然较大；制约数字化生产力进一步释放的体制机制障碍依然存在；关键核心技术短板突出，产业生态国际竞争能力不足；数字经济与实体经济深度融合不够，引领高质量发展的作用有待进一步发挥；社会治理信息化建设存在薄弱环节，基层治理能力有待提升；国家数据资源体系建设滞后，数据要素价值潜力尚未有效激活；社会公共服务数字化供给能力不足，尚不能满足群众的个性化和普惠化需求；数字领域国际合作中国方案尚待完善；数字化发展治理体系亟待健全。十四五时期，是信息化创新引领高质量发展的重要机遇期，要加快建设数字中国，大力发展数字经济，推动产业基础高级化、产业链现代化，推动新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展；是以信息化推进国家治理体系和治理能力现代化的深化巩固期，要加快构建数字社会，极大提升基于数据的国家治理能力现代化水平，把中国特色社会主义制度优势转化为强大的国家治理效能；是建设网络强国、数字中国，提升国际话语权的重要突破期，要积极倡导构建网络空间命运共同体，积极参与构建网络空间国际规则体系，推动互联网发展造福世界人民。站在新的历史起点上，要深刻认识我国社会主要矛盾变化带来的新特征新要求，深刻认识错综复杂的国际环境带来的新矛盾新挑战，深刻认识信息革命持续深化带来的新机遇新空间，增强机遇意识和风险意识，保持战略定力和底线思维，更加有力有效地推进核心技术、产业生态、数字经济、数字社会、数字建设，打造数字国家新优势，努力实现更高质量、更有效率、更加公平、更可持续、更为安全的发展。信息技术产业取得重要突破我国全球创新指数排名从2015年的第29位跃升至2020年的第14位。集成电路、基础软件等部分关键核心技术取得突破。2019年以来，我国成为全球最大专利申请来源国，5G、区块链、人工智能等领域专利申请量全球第一。信息技术产业进一步做大做强，电子信息制造业增加值保持年增长9%以上，软件业务收入保持年增长13%以上。战略性技术产业生态不断优化。信息惠民便民水平大幅提升设立全球首家互联网法院，国家互联网+监管系统初步建成。网络扶贫成效显著，数字化技术在新冠肺炎疫情防控中发挥重要作用。全国电子社保卡签发达3．6亿张，远程医疗协作网覆盖全国所有地市2．4万余家医疗机构和所有国家级贫困县县级医院，全国中小学（含教学点）互联网接入率达100%。数字领域国际合作取得明显成效。数字经济伙伴关系网络不断拓展，发布《携手构建网络空间命运共同体行动倡议》，提出《全球数据安全倡议》，发起《二十国集团数字经济发展与合作倡议》《一带一路数字经济国际合作倡议》，与16个国家签署数字丝绸之路合作谅解备忘录，与22个国家建立丝路电商双边合作机制。网信企业全球化发展，网络互通深入推进，信息通信技术、产品和服务国际市场竞争力大幅提升。网络空间命运共同体理念广泛传播。数字经济实现跨越式发展我国数字经济总量跃居世界第二，2020年数字经济核心产业增加值占GDP比重达到7．8%，数字产业化基础更加坚实，数据赋能赋智作用日益凸显。农业数字化加快发展，精准作业、数字化管理等大面积推广。制造业数字化转型加快推进，降本提质增效明显。服务业数字化进程加快，新业态新模式蓬勃发展。2020年电子商务交易额达到37．21万亿元，成为居民消费的重要渠道。半导体细分行业概述（一）半导体质量控制设备的概况半导体设备分类由半导体制造工艺衍生而来，从工艺角度看，主要可以分为：光刻、刻蚀、薄膜沉积、质量控制、清洗、CMP、离子注入、氧化等环节。传统的集成电路工艺主要分为前道和后道，随着集成电路行业的不断发展进步，后道封装技术向晶圆级封装发展，从而衍生出先进封装工艺。先进封装工艺指在未切割的晶圆表面通过制程工艺以实现高密度的引脚接触，实现系统级封装以及2．5/3D等集成度更高、尺度更小的器件的生产制造。鉴于此，集成电路工艺进一步细分为前道制程、中道先进封装和后道封装测试。贯穿于集成电路领域生产过程的质量控制环节进一步可分为前道检测、中道检测和后道测试，半导体质量控制通常也广义地表达为检测。其中，前道检测主要是针对光刻、刻蚀、薄膜沉积、清洗、CMP等每个工艺环节的质量控制的检测；中道检测面向先进封装环节，主要为针对重布线结构、凸点与硅通孔等环节的质量控制；后道测试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。应用于前道制程和先进封装的质量控制根据工艺可细分为检测（Inspection）和量测（Metrology）两大环节。检测指在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，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；量测指对被观测的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。根据检测类型的不同，半导体质量控制设备可分为检测设备和量测设备。随着技术的进步发展，集成电路前道制程的步骤越来越多，工艺也更加复杂。28nm工艺节点的工艺步骤有数百道工序，由于采用多层套刻技术，14nm及以下节点工艺步骤增加至近千道工序。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。随着制程越来越先进、工艺环节不断增加，行业发展对工艺控制水平提出了更高的要求，制造过程中检测设备与量测设备的需求量将倍增。从技术原理上看，检测和量测包括光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术等。目前，在所有半导体检测和量测设备中，应用光学检测技术的设备占多数。光学检测技术基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得检测结果，光学检测技术对晶圆的非接触检测模式使其具有对晶圆本身的破坏性极小的优势；通过对晶圆进行批量、快速的检测，能够满足晶圆制造商对吞吐能力的要求。在生产过程中，晶圆表面杂质颗粒、图案缺陷等问题的检测和晶圆薄膜厚度、关键尺寸、套刻精度、表面形貌的测量均需用到光学检测技术。（二）全球半导体检测和量测设备市场格局全球半导体检测和量测设备市场规模高速增长，根据VLSIResearch的统计，2016年至2020年全球半导体检测与量测设备市场规模的年均复合增长率为12．6%，其中2020年全球市场规模达到76．5亿美元，同比增长20．1%。根据VLSIResearch的统计，检测设备占比为62．6%，包括无图形晶圆缺陷检测设备、图形晶圆缺陷检测设备、掩膜检测设备等；量测设备占比为33．5%，包括三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备（晶圆介质薄膜量测设备）、套刻精度量测设备、关键尺寸量测设备、掩膜量测设备等。目前，全球半导体检测和量测设备市场也呈现国外设备企业垄断的格局，全球范围内主要检测和量测设备企业包括科磊半导体、应用材料、日立等。科磊半导体一家独大，根据VLSIResearch的统计，其在检测与量测设备的合计市场份额占比为50．8%，全球前五大企业合计市场份额占比超过了82．4%，均来自美国和日本，市场集中度较高。（三）中国半导体检测与量测设备市场格局近五年，中国大陆半导体检测与量测设备的市场处于高速发展期。根据VLSIResearch的统计，2016年至2020年中国大陆半导体检测与量测设备市场规模的年均复合增长率为31．6%，其中2020年中国大陆半导体检测与量测设备的市场规模为21．0亿美元，同比增长24．3%。2016年至2020年，中国大陆半导体检测与量测设备市场规模呈现快速增长，尤其是在2019年全球半导体检测和量测设备市场较2018年缩减了近3．8%的背景下，中国大陆地区半导体检测和量测设备市场2019年仍然实现了35．2%的同比增长，超过中国台湾市场成为全球最大的半导体检测与量测设备市场，占比为26．5%；2020年中国大陆半导体检测和量测设备市场规模占全球半导体检测和量测设备市场比例进一步提升至27．4%。综上所述，2016年至2020年，全球和中国大陆地区半导体设备和检测与量测设备市场处于快速发展期，其中，中国大陆地区半导体设备市场和检测与量测市场显著高于全球半导体设备和检测和量测设备市场增长。同时，中国半导体检测与量测设备市场中，设备的国产化率较低，市场主要由几家垄断全球市场的国外企业占据主导地位，其中科磊半导体在中国市场的占比仍然最高，领先于所有国内外检测和量测设备企业，并且得益于中国市场规模近年来的高速增长，根据VLSIResea