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半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備行業(yè)近年來的發(fā)展情況與未來發(fā)展趨勢
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 中科飛測    2023-10-23

（1）行業(yè)技術(shù)發(fā)展情況

從技術(shù)路線原理上看，檢測和量測包括光學(xué)檢測技術(shù)、電子束檢測技術(shù)和X光量測技術(shù)等。

光學(xué)檢測技術(shù)、電子束檢測技術(shù)和X光量測技術(shù)的差異主要體現(xiàn)在檢測精度、檢測速度及應(yīng)用場景上。光學(xué)檢測技術(shù)、電子束檢測技術(shù)和X光量測技術(shù)在應(yīng)用上各有所長。

半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備的主要性能指標涉及靈敏度、吞吐量等，不同技術(shù)路線在實現(xiàn)前述指標存在差異。

與電子束檢測技術(shù)相比，光學(xué)檢測技術(shù)在精度相同的條件下，檢測速度更具有優(yōu)勢。光學(xué)檢測技術(shù)是指基于光學(xué)原理，通過對光信號進行計算分析以獲得晶圓表面的檢測結(jié)果；電子束檢測技術(shù)是指通過聚焦電子束至某一探測點，逐點掃描晶圓表面產(chǎn)生圖像以獲得檢測結(jié)果。光與電子束的主要區(qū)別在于波長的長短，電子束的波長遠短于光的波長，而波長越短，精度越高。

在相同條件下，光學(xué)技術(shù)的檢測速度比電子束檢測技術(shù)快，速度可以較電子束檢測技術(shù)快1,000倍以上。因此，電子束檢測技術(shù)的相對低速度導(dǎo)致其應(yīng)用場景主要在對吞吐量要求較低的環(huán)節(jié)，如納米量級尺度缺陷的復(fù)查，部分關(guān)鍵區(qū)域的表面尺度量測以及部分關(guān)鍵區(qū)域的抽檢等。

與X光量測技術(shù)相比，光學(xué)檢測技術(shù)的適用范圍更廣，而X光量測技術(shù)主要應(yīng)用于特定金屬成分測量和超薄膜測量等特定的領(lǐng)域，適用場景相對較窄。

半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備是集成電路生產(chǎn)過程中核心設(shè)備之一，涉及對集成電路制造的生產(chǎn)過程進行全面質(zhì)量控制和工藝檢測，對設(shè)備的靈敏度、速度均有較高的要求。結(jié)合三類技術(shù)路線的特點，應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)的設(shè)備可以相對較好實現(xiàn)有高精度和高速度的均衡，并且能夠滿足其他技術(shù)所不能實現(xiàn)的功能，如三維形貌測量、光刻套刻測量和多層膜厚測量等應(yīng)用，進而使得采用光學(xué)檢測技術(shù)設(shè)備占多數(shù)。

根據(jù)VLSI Research和QY Research的報告，2020年全球半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備市場中，應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)、電子束檢測技術(shù)及X光量測技術(shù)的設(shè)備市場份額占比分別為75.2%、18.7%及2.2%，應(yīng)用光學(xué)檢測技術(shù)的設(shè)備占比具有領(lǐng)先優(yōu)勢，電子束檢測技術(shù)亦具有一定的市場份額。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)檢測技術(shù)與電子束檢測技術(shù)存在一定的潛在競爭可能，但光學(xué)檢測技術(shù)面臨技術(shù)迭代的風(fēng)險較小，主要理由有以下方面：

①光學(xué)檢測技術(shù)與電子束技術(shù)之間存在優(yōu)勢互補的情況。受限于檢測速度，電子束無法滿足規(guī)?；a(chǎn)的速度要求，導(dǎo)致其應(yīng)用場景主要在對吞吐量要求較低的環(huán)節(jié)。同時，光學(xué)檢測技術(shù)可以滿足規(guī)?；a(chǎn)的速度要求，但是比電子束檢測在檢測精度上存在一定劣勢。因此，在實際應(yīng)用場景中，往往會同時考慮光學(xué)檢測技術(shù)與電子束檢測技術(shù)特性，即當光學(xué)技術(shù)檢測到缺陷后，用電子束重訪已檢測到的缺陷，對部分關(guān)鍵區(qū)域表面尺度量測的抽檢和復(fù)查，確保設(shè)備檢測的精度和速度。兩種技術(shù)之間存在優(yōu)勢互補的情況。

②當前半導(dǎo)體質(zhì)量控制主要依賴光學(xué)檢測技術(shù)。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，因而部分測量無法用電子束技術(shù)進行檢測，主要通過光學(xué)檢測技術(shù)實現(xiàn)，如三維形貌測量、光刻套刻測量和多層膜厚測量等應(yīng)用。以國際巨頭科磊半導(dǎo)體為例，其在1998年通過收購Amray Inc公司獲得電子束檢測技術(shù)，開始開發(fā)電子束缺陷檢測設(shè)備和電子束缺陷復(fù)查設(shè)備。

截至目前，科磊半導(dǎo)體官網(wǎng)顯示的電子束相關(guān)設(shè)備依然為電子束缺陷檢測設(shè)備和電子束缺陷復(fù)查設(shè)備，未進一步拓展基于電子束技術(shù)的其他檢測及量測設(shè)備。同時，電子束檢測技術(shù)在檢測速度上存在制約?？评诎雽?dǎo)體的總裁RickWallace（任職2008年至今）曾直接提及光學(xué)技術(shù)的檢測速度可以較電子束檢測技術(shù)快1,000倍以上，電子的物理特性使得電子束技術(shù)難以在檢測速度方面取得重大突破。相比而言，光學(xué)檢測是最經(jīng)濟、最快的選擇。

此外，根據(jù)VLSI Research，2016年度至2020年度期間所有電子束檢測設(shè)備在全球半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備市場中的占比分別為19.3%、20.4%、21.0%、17.4%和18.7%，其中，電子束缺陷檢測設(shè)備和電子束缺陷復(fù)查設(shè)備兩種設(shè)備占比分別為9.3%、10.8%、11.5%、9.2%和10.6%，電子束檢測設(shè)備及部分細分產(chǎn)品市場占有率總體保持平穩(wěn)，未見大幅增長的原因主要系受集成電路制程中的大部分質(zhì)量控制環(huán)節(jié)無法通過電子束檢測技術(shù)實現(xiàn)或設(shè)備無法達到檢測速度要求。

③光學(xué)檢測技術(shù)仍然為國家重點支持的領(lǐng)域。根據(jù)《國家自然科學(xué)基金“十三五”發(fā)展規(guī)劃》等政策，超高分辨、高靈敏光學(xué)檢測方法與技術(shù)為國家自然科學(xué)基金委信息科學(xué)部“十三五”優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，其主要研究方向為突破衍射極限的光學(xué)遠場成像方法與技術(shù)；多參數(shù)光學(xué)表征和跨層次信息整合以及單分子成像與動態(tài)檢測；亞納米級精度光學(xué)表面檢測，包括三維空間信息精確獲取與精密檢測、高靈敏度精細光譜實時檢測技術(shù)。國家自然科學(xué)基金致力于通過超前部署，全面推進基礎(chǔ)研究繁榮發(fā)展，為創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展提供持久動力，信息科學(xué)部優(yōu)先發(fā)展光學(xué)檢測技術(shù)一定程度反映了光學(xué)檢測技術(shù)的重要性。

綜上所述，光學(xué)檢測技術(shù)和電子束檢測技術(shù)未來均有不斷發(fā)展的空間，光學(xué)檢測技術(shù)可以通過持續(xù)提高光學(xué)分辨率，并結(jié)合圖像信號處理算法等實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與突破，進一步提升并增強技術(shù)優(yōu)勢，帶來設(shè)備應(yīng)用比例的增加，從而進一步帶動設(shè)備市場份額的提升。

（2）光學(xué)檢測技術(shù)的分類及發(fā)展

光學(xué)檢測技術(shù)是晶圓制造中使用的關(guān)鍵檢測技術(shù)。

在檢測環(huán)節(jié)，光學(xué)檢測技術(shù)可進一步分為無圖形晶圓激光掃描檢測技術(shù)、圖形晶圓成像檢測技術(shù)和光刻掩膜板成像檢測技術(shù)。

在量測環(huán)節(jié)，光學(xué)檢測技術(shù)基于光的波動性和相干性實現(xiàn)測量遠小于波長的光學(xué)尺度，集成電路制造和先進封裝環(huán)節(jié)中的量測主要包括三維形貌量測、薄膜膜厚量測、套刻精度量測、關(guān)鍵尺寸量測等。

總體上，集成電路檢測和量測技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢：隨著集成電路器件物理尺度的縮小，需要檢測的缺陷尺度和測量的物理尺度也在不斷縮??；隨著集成電路器件逐漸向三維結(jié)構(gòu)發(fā)展，對于缺陷檢測和尺度測量的要求也從二維平面中的檢測逐漸拓展到三維空間的檢測。

為滿足檢測和量測技術(shù)向高速度、高靈敏度、高準確度、高重復(fù)性、高性價比的發(fā)展趨勢和要求，行業(yè)內(nèi)進行了許多技術(shù)改進，例如增強照明的光強、光譜范圍延展至DUV波段、提高光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑、增加照明和采集的光學(xué)模式、擴大光學(xué)算法和光學(xué)仿真在檢測和量測領(lǐng)域的應(yīng)用等，未來隨著集成電路制造技術(shù)的不斷提升，相應(yīng)的檢測和量測技術(shù)水平也將持續(xù)提高。

（3）光學(xué)檢測技術(shù)未來發(fā)展趨勢

隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能的持續(xù)擴張，半導(dǎo)體設(shè)備的需求快速增長，從而推動市場對檢測和量測設(shè)備需求的增加。中國大陸作為全球最大集成電路生產(chǎn)和消費市場，中國大陸的集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，作為全球第一大半導(dǎo)體設(shè)備市場，對檢測和量測設(shè)備的需求將持續(xù)快速增長。

主流半導(dǎo)體制程正從28nm、14nm向10nm、7nm發(fā)展，部分先進半導(dǎo)體制造廠商已實現(xiàn)5nm工藝的量產(chǎn)并開始3nm工藝的研發(fā)，三維FinFET晶體管、3D NAND等新技術(shù)亦逐漸成為目前行業(yè)內(nèi)主流技術(shù)。隨著工藝不斷進步，產(chǎn)品制程步驟越來越多，微觀結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，生產(chǎn)成本呈指數(shù)級提升。

為了獲取盡量高的晶圓良品率，必須嚴格控制晶圓之間、同一晶圓上的工藝一致性，因此對集成電路生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制需求將越來越大。未來檢測和量測設(shè)備需在靈敏度、準確性、穩(wěn)定性、吞吐量等指標上進一步提升，保證每道工藝均落在容許的工藝窗口內(nèi)，保證整條生產(chǎn)線平穩(wěn)連續(xù)的運行。檢測和量測設(shè)備的技術(shù)提升主要體現(xiàn)在以下三個方面：

①光學(xué)檢測技術(shù)分辨率提高

隨著DUV、EUV光刻技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路工藝節(jié)點不斷升級，對檢測技術(shù)的空間分辨精度也提出了更高要求。目前最先進的檢測和量測設(shè)備所使用的光源波長已包含DUV波段，能夠穩(wěn)定地檢測到小于14nm的晶圓缺陷，并且能夠?qū)崿F(xiàn)0.003nm的膜厚測量重復(fù)性。檢測系統(tǒng)光源波長下限進一步減小和波長范圍進一步拓寬是光學(xué)檢測技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。

此外，提高光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑也是提升光學(xué)分辨率的另一個突破方向，以圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備為例，光學(xué)系統(tǒng)的最大數(shù)值孔徑已達到0.95，探測器每個像元對應(yīng)的晶圓表面的物方平面尺寸最小已小于30nm。未來，為滿足更小關(guān)鍵尺寸的晶圓上的缺陷檢測，必須使用更短波長的光源，以及使用更大數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，才能進一步提高光學(xué)分辨率。

②大數(shù)據(jù)檢測算法和軟件重要性凸顯

達到或接近光學(xué)系統(tǒng)極限分辨率的情況下，最新的光學(xué)檢測技術(shù)已不再簡單地依靠解析晶圓的圖像來捕捉其缺陷，而需結(jié)合深度的圖像信號處理軟件和算法，在有限的信噪比圖像中尋找微弱的異常信號。晶圓檢測和量測的算法專業(yè)性很強，檢測和量測設(shè)備對于檢測速度和精度要求非常高，且設(shè)備從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化的周期較長。因此，目前市場上沒有可以直接使用的軟件。業(yè)內(nèi)企業(yè)均在自己的檢測和量測設(shè)備上自行研制開發(fā)算法和軟件，未來對檢測和量測設(shè)備相關(guān)算法軟件的要求會越來越高。

③設(shè)備檢測速度和吞吐量的提升

半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備是晶圓廠的主要投資支出之一，設(shè)備的性價比是其選購時的重要考慮因素。質(zhì)量控制設(shè)備檢測速度和吞吐量的提升將有效降低集成電路制造廠商的平均晶圓檢測成本，從而實現(xiàn)降本增效。因此，檢測速度和吞吐量更高的檢測和量測設(shè)備可幫助下游客戶更好地控制企業(yè)成本，提高良品率。