芯片良率守護者：半導體檢測量測設備概述

一、質量控制把關良率，多種設備各司其職

（一）芯片制造過程中會產生缺陷，質量控制設備把關良品率

芯片制造過程中會產生顆粒、互聯、靜電損傷等工藝缺陷。以芯片前道制程為例， 其具體缺陷包括：空氣中的分子污染或由環境引起的有機物或無機物顆粒；工藝過 程引起的劃痕、裂紋和顆粒、覆蓋層缺陷和應力；在從掩模到晶片的圖形轉移過程 中，由于設計偏差導致的布局和關鍵尺寸的偏差和變化；原子通過層和半導體散裝 材料的擴散等。 隨著工藝節點尺寸降低，集成電路前道制程步驟越來越多，致命缺陷數量也隨著增 多，進而影響良率。28nm工藝節點的工藝步驟有數百道工序，14nm及以下節點工 藝步驟增加至近千道工序。根據YOLE的統計，工藝節點每縮減一代，工藝中產生的 致命缺陷數量會增加 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 保證最終的良品率。當工序超過500道時（對應14nm及以下制程），只有保證每一 道工序的良品率都超過99.99%，最終的良品率方可超過95%；當單道工序的良品率 下降至99.98%時，最終的總良品率會下降至約90%。

（二）質量控制貫穿制造全流程，包括測試和過程工藝控制兩大類

（1）測試：包括設計驗證、CP測試（晶圓測試）、FT測試（成品測試）。主要進 行電學參數測量，具體分為參數測試（如短路測試、開路測試、最大電流測試等DC 參數測試，傳輸延遲測試、功能速度測試等AC參數測試）和功能測試。主要設備是 測試機、分選機和探針臺。

（2）過程工藝控制：根據工藝可細分為檢測（Inspection）和量測（Metrology） 兩大類型。①檢測：在晶圓表面上或電路結構中，檢測其是否出現異質情況，如顆 粒污染、表面劃傷、開短路等對芯片工藝性能具有不良影響的特征性結構缺陷；②量測：對被觀測的晶圓電路上的結構尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、 關鍵尺寸、刻蝕深度、表面形貌等物理性參數的量測。

（三）過程工藝控制的技術路徑包括光學、電子束、X 光三大類

檢測技術的波長等基本屬性決定了檢測精度和速度，進而影響靈敏度、吞吐量等生 產性能參數。（1）光學檢測：相對較好均衡高精度和高速度，檢測速度可以較電子 束檢測技術快1000倍以上，廣泛應用于晶圓制造各個環節，同時光學檢測能夠滿足 其他技術所不能實現的功能，如三維形貌測量等；（2）電子束檢測：波長遠短于光 的波長，檢測精度更高，但是檢測速度較慢，主要應用于吞吐量要求較低的環節， 如納米量級尺度缺陷的復查，部分關鍵區域的表面尺度量測以及部分關鍵區域的抽 檢等；（3）X光：主要利用其吸收特性，穿透力強，應用于特定的場景，如檢測超 薄膜厚度、檢測特定金屬成分等。

光學檢測均衡速度與精度，是過程工藝控制的主要技術路徑。根據 VLSI Research、 QY Research統計，2020年全球半導體檢測和量測設備市場中，應用光學、電子束、 X光技術的設備市場份額占比分別為75.2%、18.7%、2.2%。在檢測領域，光學技術 主要應用于無圖形晶圓激光掃描檢測、圖形晶圓成像檢測、光刻掩膜板成像檢測等； 量測領域主要包括三維形貌量測、薄膜膜厚量測、套刻精度量測、關鍵尺寸量測。

二、中國檢測量測市場超二十億美元，國產化率較低

（一）中國大陸為半導體檢測、量測設備的第一大市場

受行業周期性和美國制裁影響，2023年中國半導體設備投資額逐漸收緊。根據semi 數據，預計2023年中國本土、外資企業半導體設備投資額為86、39億美元，同比-53%、 -25%，主要原因系全球芯片下游的庫存修正和美國對中國先進制程產品的出口管制。 過程工藝控制國產化率尚低，行業Capex下修的影響有限。中國半導體設備國產化 率仍處于相對低位，且目前國產檢測、量測設備大多面對28nm以上的成熟制程環節， 半導體資本開支下修對其影響有限。 根據VLSI Research、QY Research統計，中國大陸為全球半導體檢測+量測設備 第一大市場，2020年市場空間達21億美元。16-20年，全球半導體檢測+量測設備市 場規模由47.6億美元增長到76.5億美元，四年CAGR 12.6%，中國大陸市場規模由 7.0億美元增長至21.0億美元，四年CAGR為31.6%，增速大幅快于全球。2020年， 中國大陸半導體過程工藝控制設備全球占比為27%，超過中國臺灣位列全球第一。

（二）設備應用于前道和先進封裝各環節，國產替代空間大

2020年全球過程工藝控制設備占半導體設備投資額的11%，目前該設備國產化率低 于10%，國產替代空間較大。根據SEMI和VLSI Research數據，2020年，過程工藝 控制檢測設備和半導體測試設備的市場規模分別為76.5、60.1億美元，在半導體設 備中占據的份額為10.6%、8.4%。根據中國招標網數據，2018-2021年，過程工藝 控制和半導體檢測兩類設備的國產化率低于10%，國產替代還有較大空間。 過程工藝控制中檢測、量測設備市場份額分別為62.6%、33.5%，廣泛應用于前道 制程和先進封裝的各環節。根據VLSI Research劃分，全球過程工藝控制設備共包 含檢測6類、量測8類共計14小類。從半導體主要工藝環節看，光刻、刻蝕、離子注 入、CMP等環節對量檢、檢測設備需求量較大。

（三）本土企業率先布局高應用寬度、低技術壁壘領域

根據各檢測量測設備市場空間、設備應用寬度、設備難度壁壘構建技術矩陣圖，其 中市場空間引用自VLSI Research統計的2020年全球各檢測量測設備市場規模，設 備應用寬度以各設備在前道制程和先進封裝領域所涉及的環節總數表示，設備難度 壁壘以各設備在科磊半導體、中科飛測等共計14家海內外設備公司產品線中的被覆 蓋程度表示。結論如下：

（1）寬應用低壁壘：以無圖形晶圓檢測、圖形晶圓檢測、關鍵尺寸量測為代表，此 類設備在半導體制造過程中應用環節更多，市場空間相對較大，且技術壁壘相對較 低，為國產廠商率先替代領域，以中科飛測、上海睿勵等廠商為代表的本土廠商以 率先進行布局并獲得市場認可。

（2）窄應用高壁壘：以納米圖形晶圓檢測、套刻精度量測、掩膜版檢測/量測為代 表，此類設備重點應用于光刻等晶圓制造核心環節，且深度參與光刻工藝，對制程 節點較為敏感。同時，通常來說設備的最小靈敏度是生產工藝節點的0.5-1倍左右的 關系，因此納米級晶圓檢測對設備要求更高，相應設備單價更貴，市場空間更大。 此類設備提供商以科磊半導體、應用材料、阿斯麥爾等海外廠商為主，同時天準科 技通過并購德國公司MueTec進軍掩膜版、套刻精度量測領域。

三、競爭梯隊分明，本土企業快速切入市場

（一）市占率：海外龍頭占據競爭高地，本土企業市占率逐漸提升

海外龍頭平臺化優勢明顯，發展歷史悠久產品系列全。量測和檢測設備的主要競爭 者包括以應用材料為代表的半導體設備平臺化公司，以及以科磊半導體、創新科技 為代表的半導體質量控制設備龍頭。海外頭部公司大都成立于上世紀七十年代及之 前，并歷經企業合并和產品線拓展，營收規模較大。2021年，應用材料、科磊半導 體、創新科技營業收入分別為1476.0、367.0、50.5億元。

國內競爭者分為內生、外延兩大陣營。（1）內生：國內以中科飛測、上海精測、上 海睿勵（中微公司持股29%）為代表的競爭者依托既有檢測產品優勢，向半導體領 域進行產品拓展，在無圖形晶圓檢測、膜厚量測、關鍵尺寸量測等細分領域開始拓 展市場，2021年營業收入為3.6、1.1、0.4億元；（2）外延：長川科技、賽騰股份、 天準科技等公司通過收購海外STI、Optima、MueTec公司快速切入賽道，其2021 年營業收入分別為5.7、1.2、0.4億元，海外公司具備一定的技術優勢和客戶優勢， 本土企業通過收并購以實現業務外延與產業協同。

本土企業以及并購子公司業務體量相對較小，盈利能力弱于海外龍頭。2021年科磊 半導體的營業收入、凈利潤分別為398、140億元，而本土企業或其海外子公司的營 收規模在10億元之內，凈利潤小于1億元，整體的業務體量相對較小。從盈利能力看， 本土企業及其海外子公司毛利率、凈利率仍具備較大的成長空間。

科磊半導體占據檢測+量測半壁江山，全球競爭集中度高。2020年，科磊半導體、 應用材料、日立、創新科技、雷泰光電、阿斯麥爾、新星測量儀器、康特科技在全 球檢測、量測市場的市占率分別為51%、12%、9%、6%、5%、5%、3%、2%，合 計CR8達92%。

以中科飛測為代表的國內競爭者市占率持續提升。2018-2021年，中科飛測國內市 占率由0.4%提升至1.7%，產品市場認可度逐漸增加。

（二）產品線：本土企業產品覆蓋日趨健全，核心產品已獲市場認可

1. 海外公司在各產品線深度和廣度占據優勢地位 科磊半導體對于量測+檢測產品線覆蓋率達85.3%，且幾乎在每一個所涉產品線中均 位列頭位；應用材料、創新科技等公司產品覆蓋率分別為49.0%、37.0%，并在電子 束缺陷復檢等細分領域占據優勢。

2. 本土企業通過自主研發拓展產品線，預計短期內產品覆蓋率將大幅提升 目前中科飛測、東方晶源、上海微電子、上海睿勵批量銷售產品所能覆蓋的產品份 額分別為19.9%、13.8%、16.0%、3.5%，與此同時，各企業紛紛進行品類拓展， 若包含在驗證及小批量出貨產品，中科飛測、上海睿勵的產品份額覆蓋率將達37.9%、 29.7%，具體表現為：

（1）中科飛測：①核心產品：無圖形晶圓缺陷檢測、圖形晶圓缺陷檢測、三維形貌 量測、晶圓介質薄膜量測設備已實現批量銷售，構成公司營收主體。②拓展產品： 量測、檢測產品向納米圖形晶圓缺陷檢測、套刻精度量測、關鍵尺寸量測、晶圓金 屬薄膜量測設備領域拓展，目前，除納米圖形晶圓缺陷檢測設備尚處于設計階段外， 其余三類產品已處于產業化驗證階段，其中套刻精度量測設備（型號十七）已取得 兩家客戶的訂單。產品覆蓋度由19.9%預計提升18.0pct至37.9%。

（2）上海睿勵：①核心產品：TFX4000系列薄膜厚度量測設備，應用于12英寸大 規模集成電路前端、化合物半導體生產線，可量測透明或半透明介質材料、金屬硅化物等半導體材料薄膜。②拓展產品：WSD200、300等系列外觀缺陷檢測設備，應 用于8寸及12寸圖形或無圖形晶圓檢測；TFX3000 OCD等系列產品，除具有300mm 全自動光學膜厚測量能力外，還可以進行關鍵尺寸量測。產品覆蓋度由3.5%預計提 升26.2pct至29.7%。

3. 本土企業通過并購海外子公司獲得較寬的產品線,有利于發揮協同優勢

MueTec等公司產品線雖然較廣，但資金實力和產品全球競爭力相對較弱，通過收并 購有利于充分發揮產業協同優勢。長川科技（STI）、賽騰股份（Optima）、天準 科技（MueTec）所能覆蓋的產品份額分別為6.3%、9.7%、50.5%，具體表現為：

（1）長川科技（STI）：聚焦于光學檢測領域，除提供分選、測試設備之外，其iFcous 晶圓光學檢測機能在晶圓制造前道、封裝環節進行晶圓檢測。其主要客戶為德州儀 器、美光、意法半導體、三星、日月光、安靠技術等。

（2）賽騰股份（Optima）：主要從事半導體晶圓檢查設備和曝光設備的開發，其 主要產品為無圖形晶圓缺陷檢測設備，包括硅片邊緣缺陷、晶圓背面、針孔缺陷檢 測機，其主要客戶為三星、索尼等。

（3）天準科技（MueTec）：深耕檢測量測行業30余年，其檢測產品包括晶圓宏觀 缺陷、晶圓微缺陷、晶圓切割后、掩膜版、紅外線檢測設備，量測產品包括關鍵尺 寸、套刻精度、薄膜膜厚、掩膜版、紅外線量測設備。主要服務于晶圓制造、先進 封裝、光掩模版、MEMS、OLED、LED等先進制造商，主要客戶包括英飛凌、恩智 浦、臺積電等。

（三）先進制程：細分品類研發驗證為主，部分領域獲得突破

海外企業大都具備先進制程覆蓋能力，本土企業細分產品研發端持續突破，部分產 品已通過客戶驗證。海外科磊半導體、應用材料、創新科技、新星測量儀器均能覆蓋28nm以下先進制程。本土企業中，上海睿勵薄膜膜厚測量TFX4000i系列設備突 破5nm制程，產品已交付客戶，同時TFX3000系列產品正在14nm芯片生產線進行驗 證；中科飛測套刻精度量測適用于2Xnm以下制程，已取得兩家客戶訂單，同時應用 于1Xnm的無圖形晶圓缺陷檢測設備正在研發中。

四、內生+外延，中國檢測量測企業發展潛力巨大

（一）深耕質量控制行業，產品品類持續拓展

1. 中科飛測：打破國外壟斷，細分領域對標海外龍頭

中科飛測的檢測量測設備主要應用于28nm及以上制程的半導體晶圓制造（前道）和 先進封裝（中道）環節，在部分細分領域填補了國內高端半導體質量控制設備市場 的空白。中科飛測基于光學技術，生產銷售無圖形晶圓缺陷、圖形晶圓缺陷等檢測 設備，以及三維形貌、薄膜膜厚、3D曲面玻璃等量測設備，2021年在檢測、量測設 備營收占比分別為74%、26%，在前道晶圓制造、中道先進封裝、精密加工及其他 領域的營收占比分別為65%、33%、2%。其中，中科飛測的無圖形晶圓缺陷檢測（S2 產品）、三維形貌量測（C2產品）等設備在長江存儲等頭部客戶中對科磊半導體 （Surfscan SP產品）、帕克公司（NX Wafer產品）等海外廠商設備形成替代，成 功打破國外廠商壟斷，并實現了國內本土企業的銷售突破。

公司收入端躍進式成長。2018-2021年，公司營業收入分別為0.3、0.6、2.4、3.6億 元，分別同比+87.5%、324.4%、51.8%，期間三年CAGR為129.4%。公司收入端 高速成長主要系（1）銷量：公司檢測設備自2017年通過下游知名客戶驗證后，口 碑效應明顯，產品迅速獲得市場廣泛認可，帶動設備銷量的快速增長；（2）售價： 公司持續對各系列設備進行優化升級，逐步進入更高端市場，因此公司產品銷售均 價呈現上升態勢，進一步帶動收入的增長。 高研發投入利潤蟄伏，市場認可度提升盈利凸顯。2018-2021年公司歸母凈利潤分 別為-0.6、-1.0、0.4、0.5億元，較高的期間費用使得公司歸母凈利潤承壓，其中較 高的研發投入影響較大，2021年公司研發支出合計1.0億元，研發費用率達26.4%。 在盈利能力方面，公司設備逐步獲得市場驗證，核心設備設備量價齊升，帶動公司 毛利率由2018年的23.7%提升25.3pct至2021年的49.0%。

山雨欲來風滿樓，在手訂單數倍于營收，彰顯業績前瞻性。2019-2021年公司在手 訂單分別為1.2、2.6、8.8億元，同比+823.9%、+125.2%、+237.2%，其中2021年 在手訂單為當期主營業務收入、存貨的2.4、1.6倍；2021年公司新簽訂單9.8億元， 為當期主營業務收入的2.7倍。

中科飛測在細分產品領域逐漸突破海外壟斷打開國內市場。結合歷史數據，假設 2021年中國檢測量測設備占半導體設備投資比重約為13%，可以測算出其市場空間 約為32億美元，約204.8億元。假設中國各量測、檢測設備市場占比與全球相同，則 可計算出中國無圖形晶圓缺陷檢測設備、圖形晶圓缺陷檢測設備、薄膜膜厚量測設 備、三維形貌量測設備的市場空間分別為19.9、12.9、6.1、1.8億元，中科飛測產 品的市占率分別為8.6%、7.4%、2.9%、38.1%。

（二）收購整合海外公司，快速抓住發展紅利

1. 長川科技收購STI：IC制造質量控制設備平臺化發展

長川科技平臺化布局半導體質量控制設備領域，其優勢產品為半導體分選機、測試 機，2021年營收占比分別為62.0%、32.4%。2017-2021年公司營業收入、歸母凈利 潤以64.8%、39.4%的復合增長率成長至15.1、2.2億元，根據公司業績預告，預計 2022年實現歸母凈利潤4.5-5.2億元，同比+106.2%~+138.3%。

2019年，長川科技通過發行股份的方式購買長新投資，其實際經營主體為新加坡 STI。截至2022年6月底，長新投資為長川科技的全資子公司，STI作為全資控股公 司獨立運營。STI主要從事集成電路封裝檢測設備商的研發和生產，通過收購STI， 長川科技在技術研發、客戶和銷售渠道等方面與之形成了優勢互補和協同。 STI憑借2D/3D高精度光學檢測技術，提供光學檢測、分選、編帶等功能的集成電路 封裝檢測設備，具體包括轉塔式、平移式、膜框架測編一體機以及晶圓光學檢測機， 以2018Q1-3 STI經營數據為例，Hexa、iSort測編一體機為公司應收主體，iFcous 晶圓檢測量測設備，營收占比相對較小。 STI的核心管理團隊來源于德州儀器在新加坡的工藝自動化中心，全球維度產品推廣。 STI在AOI設備制造相關領域均具有超過25年的工作經驗，其業務范圍遍布全球，在 馬來西亞、韓國、菲律賓擁有3家子公司，并在中國大陸和泰國擁有專門的服務團隊。 STI產品的下游客戶包括德州儀器、美光、意法半導體、三星等大型半導體生產公司 及日月光、安靠技術等世界一流的半導體封裝和測試外包服務商，其中，STI為德州 儀器頒發的全球50家優秀設備供應商之一。

2. 賽騰股份收購Optima：以自動化設備為錨，進軍晶圓檢測領域

賽騰股份聚焦于自動化領域，主要產品為消費電子、汽車零部件、半導體、光伏等 智能組裝及檢測設備。其中在消費電子領域，公司作為蘋果供應鏈的合作廠商，合 作深度正在持續拓展；在汽車新能源板塊與日本電產、村田新能源、松下能源等客 戶建立了長期穩定的合作關系；在半導體晶圓檢測板塊，公司擁有 Sumco、三星、 協鑫、奕斯偉、中環半導體、金瑞泓等優質客戶。2017-2021年公司營業收入、歸 母凈利潤以41.9%、30.1%的復合增長率成長至23.2、1.8億元，根據公司業績預告， 預計2022年實現歸母凈利潤2.9-3.3億元，同比+61.7%~+81.2%。

Optima主要從事半導體晶圓檢測設備生產銷售。2019年，賽騰股份現金收購日本公 司Optima株式會社，進軍晶圓檢測裝備領域。截至2022年6月底，賽騰股份持有 Optima74.1%的股權。Optima的主要產品為晶圓檢測設備，包括硅片邊緣缺陷自動 檢測、晶圓片用背面檢測、邊緣/表背面復合檢測、針孔缺陷檢測設備，其主要客戶 為三星、索尼等。Optima與賽騰股份同屬于自動化設備研發制造行業，二者實現產業協同并將賽騰股份產品線向高端半導體檢測設備領域進一步延伸。2019-2021年， Optima營業收入分別為0.9、1.5、1.2億元，受行業周期影響業績波動。

3. 天準科技收購MueTec：檢測量測產品寬度廣，掩膜版等領域添補空白

天準科技深耕于機器視覺領域，產品向多下游拓展。天準科技主要產品包括視覺測 量裝備、視覺檢測裝備、視覺制程裝備和智能網聯方案等，下游主要向半導體及泛 半導體、新能源汽車、消費電子等領域，提供機器視覺裝備產品，2021年伊始，公 司下游應用由消費電子單一行業進一步向光伏、汽車等領域分散化，有利于抵御單 一行業周期性波動。2017-2021年公司營業收入、歸母凈利潤以47.6%、33.6%的復 合增長率成長至12.7、1.3億元。

天準科技于2021年5月以1819萬歐元完成收購德國MueTec公司100%股權。 MueTec的主要產品為高精度的光學測量和檢測解決方案，具備較強的技術實力，但 受限于產能和資金制約，2021年營業收入僅為0.4億元。天準科技積極推動MueTec 相關業務整合：（1）產能端：在中國建設相關產品產能支撐業務增長并進行國內市 場推廣；（2）技術端：積極推進MueTec產品線技術升級，以覆蓋55nm、28nm等 工藝節點；（3）產業鏈：投資蘇州矽行半導體有限公司，研發相關領域的關鍵零部 件，以進行產業鏈補充和整合。 MueTec深耕檢測量測行業三十余年，重點覆蓋65nm及以上制程，具備較寬產品線 并為多行業提供產品解決方案。MueTec的主要產品包括晶圓宏觀缺陷檢測、晶圓微 缺陷檢測、掩膜版檢測、紅外線檢測等檢測設備，以及關鍵尺寸量測、套刻精度量 測、薄膜膜厚量測、掩膜版量測、紅外線量測等量測設備，其中掩膜版、套刻精度等產品在國內供應中均具備稀缺性。MueTec主要服務于晶圓制造、先進封裝、光掩 模版、MEMS傳感器、電子元件、OLED、LED等多個先進制造領域，主要客戶包括 英飛凌、恩智浦、臺積電等。

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精選報告來源：【未來智庫】。（報告出品方/作者：廣發證券，孫柏陽、代川）