半导体检测设备产业发展调研报告

半导体检测设备产业发展调研报告

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。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。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VLSIResearch的统计，科磊半导体在中国大陆市场近5年的销售额复合增长率超过35．7%，显著高于其在全球约13．2%的复合增长率。目前，国内半导体市场处于高速增长期，本土企业存在较大的国产化空间，但由于国外知名企业规模大，产品线覆盖广度高，品牌认可度高，导致本土企业的推广难度较大。近年来国内企业在检测与量测领域突破较多，受益于国内半导体产业链的迅速发展，该领域国产化率有望在未来几年加速提升。半导体行业面临的挑战（一）半导体行业产业基础薄弱，技术积累劣势明显我国半导体产业起步较晚，在国际分工中长期处于中低端领域。国外厂商通过持续的产业并购以及长期的研发投入构筑了较强的专利壁垒，并将在较长时间内保持技术优势。近年来，中国大陆半导体行业迅速发展，在下游需求驱动以及国家政策的支持下，半导体设备厂商亦大力投入、加快研发进度。但国内厂商与国际领先设备厂商在整体规模、研发投入、员工人数以及技术积累等各方面存在巨大差距。行业龙头企业科磊半导体在2019-2021财年研发投入达25．03亿美元。高昂的研发投入是确保科磊半导体在半导体质量控制设备领域保持稳定领导地位的核心要素，使得其在最为前沿的市场领域鲜有实力相当的竞争对手。虽然国内企业在半导体质量控制设备领域已有突破，但企业规模都相对偏小，技术积累相对不足。（二）半导体行业高端技术和人才相对缺乏半导体设备行业属于典型技术密集型行业，技术人员的知识背景、研发能力及工艺经验积累至关重要。同时，半导体质量控制设备行业横跨高精密的自动化装备和新一代信息技术，研发和生产均需使用高精度元器件，精密设备与精密器件的发展相辅相成，行业的发展也受配套行业的技术水平约束。与国外竞争对手相比，国内半导体质量控制设备行业缺乏配套的技术支持以及高端人才。近年来，我国对半导体全产业链的发展和相关人才培养的重视程度不断提升，政策支持力度不断加大。半导体设备的零部件率已大幅提升，行业协同发展成果初显，但半导体产业内的高端技术与高端人才仍存在缺口，行业整体仍需继续加大研发投入。（三）半导体行业融资环境较为受限半导体设备行业投资周期长，研发投入大，是典型的资本密集型行业。集成电路技术更新迭代迅速，随着工艺节点的演进，技术的复杂度不断提高，为满足应用领域不断改进的需求并保持技术优势，企业需要持续进行研发投入。目前行业内企业资金主要来源于股东投入，行业所处的融资环境仍不够成熟。强化战略研究持续跟踪信息化领域战略规划和技术、产业国际前沿动态，加强对战略性、前瞻性、颠覆性技术的研究力度和政策储备。加强中国特色信息化发展理论研究，构建数字中国理论研究体系。强化队伍建设优化人才培养机制，着力培育信息化领域高水平研究型人才和具有工匠精神的高技能人才。推动科研人才广泛交流，深化新工科建设，打造信息化领域多层次复合人才。大力推动学网、懂网、用网，不断提高对信息化发展的驾驭能力。半导体行业发展态势及面临的机遇物联网，5G通信，汽车电子等新型应用市场的不断发展产生了巨大的半导体产品需求，推动半导体行业进入新一轮的发展周期。全球范围内，晶圆厂产能扩充仍在继续，下游需求的不断发展为半导体设备制造产业的扩张和升级提供了机遇。凭借巨大的市场容量以及多年的发展，中国已成为全球最大的半导体消费国和生产国。广阔的下游市场和不断完善的上下游产业链带动全球产能中心逐步向中国大陆转移。根据SEMI的统计，2017-2020年，全球新投产的62座晶圆厂中有26座来自中国大陆。根据SEMI的预测，全球半导体制造商将在2021年年底前开始建设19座新的晶圆厂，并在2022年再开工建设10座；中国大陆、中国台湾将在新晶圆厂建设方面处于领先地位，各有8座新增晶圆厂。半导体产业规模的不断扩大将为国内设备厂商带来巨大发展机遇，国产设备将加速导入大陆晶圆厂，因此国产半导体设备将迎来快速发展期。集成电路产业作为国民经济中基础性、关键性和战略性的产业，是现代信息产业的基础和核心产业之一，是衡量一个国家或地区现代化程度以及综合国力的重要标志。近年来，全球供应链的紧张和国际贸易摩擦对国内集成电路产业的发展产生了重大影响，国内社会各界对半导体设备国产化的重视程度不断提升。十三五规划中多次提及集成电路产业发展的重要性，强调要着力补齐核心技术短板，加快科技创新成果向现实生产力转化，攻克集成电路装备等关键核心技术。规划中将集成电路装备作为关键核心技术，极大规模集成电路制造装备及成套工艺被列为国家重点科