2024年中国晶圆检测设备行业研究报告.pdf
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1、2024年中国晶圆检测设备行业研究报告:半导体工艺控制核心设备,国产化率持续提升Research Report on Chinas Wafer Defect Inspection Equipment Industry in 20242024年中国検出装置業界研究報告2024/052024 LeadL400-072-5588 中国晶圆检测设备行业综述-6行业定义:半导体过程控制(量/检测)设备是保证芯片生产良品率的关键-7行业分类:半导体检测从工序上可分为前道量检测、后道检测和实验室检测-8技术路线:量/检测技术主要包括光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术-9行业发展现状(1/3)-10行
2、业发展现状(2/3)-11行业发展现状(3/3)-12 中国晶圆检测设备产业链分析-13产业链图谱-14产业链上游:高精度运动与控制系统类和光学类零部件主要从日本和德国等海外供应商采购-15产业链中游:国产晶圆检测设备基本实现了28nm及以上制程产品的初步覆盖-16产业链下游:中国晶圆厂在12英寸晶圆领域快速扩产,总体规划产能达417.3 万片/月(1/2)-17产业链下游:中国晶圆厂在12英寸晶圆领域快速扩产,总体规划产能达417.3 万片/月(2/2)-18 中国晶圆检测设备行业相关政策-19国家层面晶圆检测设备行业相关政策-20地方层面晶圆检测设备行业相关政策-21 中国晶圆检测设备市场
3、规模-22半导体设备市场规模:2023年受下游需求疲软影响出现下滑,预计2024年市场出现回暖-23半导体量/检测设备市场规模:中国大陆市场回暖将滞后全球市场半年至一年-24目录CONTENTS2024 LeadL400-072-5588 中国晶圆检测设备行业驱动因素及发展趋势-25驱动因素(1/3):中国大陆晶圆厂产能爬坡,带动晶圆检测设备采购量提升-26驱动因素(2/3):美日荷先进半导体设备封锁,中国晶圆检测设备国产替代势在必行-27驱动因素(3/3):晶圆检测设备投资额随制程节点先进程度提升而大幅增长-28发展趋势:光学检测分辨率提高、多系统组合、大数据检测算法、提高检测速度和吞吐量-
4、29 中国晶圆检测设备行业竞争格局-30竞争态势:全球半导体量/检测市场呈现高度垄断格局,科磊半导体(KLA)市占率超50%-31厂商产品进展情况:已推出设备精度多为m级别,nm级别精度产品多在研发或验证中-32 中国晶圆检测设备企业推荐-33中科飞测:国产量检测设备龙头厂商,高端量检测产品持续扩充-34诚锋科技:专注半导体视觉外观检测及前道YE图形检测设备,实现核心设备国产替代-35上海精测:聚焦半导体前道检测设备,膜厚系列产品、OCD设备、电子束设备已获批量订单-36 业务合作-37 方法论与法律声明-38目录CONTENTS报告摘要中国晶圆检测设备厂商基本实现了28nm及以上制程产品的初
5、步覆盖中国晶圆检测设备厂商产品已覆盖有图形/无图形缺陷检测、电子束缺陷检测/复查等检测设备,并基本实现了28nm及以上制程的初步覆盖,国产头部厂商正在进行更先进工艺节点产品的研发或验证。国产晶圆检测设备厂商与海外厂商相比,其差异在于:1)产品覆盖程度不及海外厂商。科磊半导体(KLA)几乎涵盖所有前道检测产品,覆盖率超过90%,应用材料(AMAT)及创新科技(ONTO)在前道检测产品覆盖率也超过60%,而多数国产厂商在前道检测产品覆盖率在20%-30%;2)产品工艺节点远不及海外头部厂商。目前国产晶圆检测设备厂商仅能批量出货28nm及以上制程产品,对于28nm以下制程产品仍在研发和验证中。海外头
6、部厂商产品普遍能覆盖2Xnm以下制程,而科磊半导体(KLA)的无图形晶圆缺陷检测产品Surfscan SP7XP已经应用在5nm及以下制程。预计全球半导体量/检测设备市场在2024年回暖,而中国大陆市场回暖将滞后全球市场半年至一年预计全球量/检测设备市场将在2024年上半年开始回暖,然而中国大陆市场的恢复性增长将滞后半年到一年。增长滞后主要由于:1)截至一季度,中国大陆晶圆代工厂订单增长不显著,且未见明显资本开支上调迹象;2)中国大陆厂商对于高阶封装技术的掌握仍需半年到一年的时间。高阶封装技术的掌握可使得中阶芯片代工需求量增长,进而推动包括量/检测设备在内的半导体设备采购需求增长。全球半导体量
7、/检测市场呈现高度垄断格局,科磊半导体(KLA)市占率超50%全球半导体量/检测设备市场集中度较高,CR5超80%。中国市场中,半导体量/检测设备国产化率已由2020年的2%左右提升至2023年的5%左右。产品细分领域中,高精度Overlay测量设备国产化率接近于0;X光量检测设备国产化率不足1%;膜厚厚度量测设备国产化率已达到15%;光学复查设备国产化率已达到10%;AOI检测设备国产化率可达到15%。国产晶圆检测设备厂商有中科飞测、上海精测、上海睿励、赛腾股份、诚锋科技、矽行半导体、东方晶圆、上海御微、南京中安等。Chapter 1中国晶圆检测设备行业综述2024 LeadL400-072
8、-5588来源:头豹研究院半导体制造工艺流程半导体过程控制(量/检测)设备为集成电路生产过程中的核心设备之一,贯穿集成电路生产全过程,是保证芯片良品率的关键行业定义:半导体过程控制(量/检测)设备是保证芯片生产良品率的关键拉单晶磨外圆切片倒角磨削/研磨CMP扩散薄膜沉积光刻刻蚀离子注入CMP金属化测试背面减薄晶圆切割贴片引线键合模塑切筋/成型终测单晶硅片制造进行检测并重复若干次前道工艺后道工艺半导体设备可分为前道设备(晶圆制造)和后道设备(封装与测试)两大类。前道设备涉及硅片加工、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、清洗、抛光、金属化等工艺,所对应的核心专用设备包括硅片加工设备、光刻设备、刻蚀设备
9、、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备、量/检测设备等。后道设备则包括封装设备和测试设备,同时后道先进封装工艺也会用到部分前道设备。半导体过程控制(量/检测)设备为集成电路生产过程中的核心设备之一,贯穿于集成电路生产的全过程,是保证芯片生产良品率的关键。后道检测前道量检测晶圆结构缺陷检测、薄膜厚度量测等晶圆测试(CP)与成品测试(FT)随着集成电路工艺节点的提高,制造工艺步骤持续增加,工艺中产生的致命缺陷数量也随之增加,因此每一道工序的良品率都要保持在几乎“零缺陷”的极高水准才可保证最终芯片的良品率。注:本篇报告重点讨论前道晶圆检测设备。2024 LeadL400-072-558
10、8来源:中科飞测招股书,胜科纳米招股书,头豹研究院量检测过程工艺控制设备分类半导体检测从工艺上可分为检测和量测;从工序上可分为前道量检测、后道检测和实验室检测;从技术原理上可分为光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术行业分类:半导体检测从工序上可分为前道量检测、后道检测和实验室检测半导体检测分类(按工序)半导体生产环节前道量检测后道检测实验室检测检测对象加工中的晶圆加工后的晶圆封装后的芯片产业链任一环节的样品检测项目薄膜厚度量测、晶圆图形缺陷检测等晶圆测试(CP)、成品测试(FT)等失效分析(FA)、材料分析(MA)、可靠性分析(RA)等检测方式全检全检非全检,针对特性失效样品检测或针对完
11、好样品的抽检非破坏性非破坏性破坏性、非破坏性主要检测目的控制生产工艺缺陷监控前道工艺良率、保证出厂产品合格率确定样品失效原因、测定材料结构与成分、验证产品可靠性服务机构厂内产线在线监控厂内产线在线监控厂内自建实验室第三方测试第三方实验室检测前道检测中道检测后道测试按工序检测量测按工艺按技术原理光学检测技术电子束检测技术X光量测技术过程工艺控制设备薄膜沉积光刻掩膜刻蚀离子注入CMP清洗重布线结构凸点与硅通胶晶圆测试成品测试异物缺陷气泡缺陷颗粒缺陷光刻套刻偏移量薄膜膜厚三维形貌从工艺上看,量/检测设备可分为检测(Inspection)和量测(Metrology)两大环节。检测指在晶圆表面上或电路结
12、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;从工序上看,半导体检测可分为前道检测、后道检测及实验室检测。其中,前道量检测主要应用于晶圆加工环节,目前主要以厂内产线在线监控为主。后道检测主要应用于晶圆加工后的芯片电性测试及功能性测试,目前主要以厂内产线在线监控及第三方测试为主。实验室检测则主要针对生效样品进行缺陷定位和故障分析,主要以第三方实验室及厂内自建实验室为主;从技术原理上看,量检测主要包括光学检测技术、电子束
13、检测技术和X光量测技术,其中光学检测速度快、无接触,是目前主要的检测技术。2024 LeadL400-072-5588来源:中科飞测招股书,VLSI,头豹研究院晶圆检测技术路线对比,2023从技术路线来看,量/检测技术主要包括光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术,三者的差异主要体现在检测精度、检测速度及应用场景上。光学检测技术具备相对较高的检测精度和速度,市场空间占比最大,达81.4%技术路线:量/检测技术主要包括光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术技术名称主要内容先进制程工艺应用情况优势劣势未来发展方向市场份额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,具有
14、速度快、精度高、无损伤的特点应用于28nm及以下的全部先进制程。光学检测技术因其特点,目前广泛应用于晶圆制造环节精度高,速度快,能够满足全部先进制程的检测需求,符合规模化生产的速度要求,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与电子束检测技术相比,精度存在一定劣势通过提高光学分辨率,并结合图像信号处理算法,进一步提高检测精度81.4%电子束检测技术通过聚焦电子束扫描样片表面产生样品图像以获得检测结果,具有精度高、速度较慢的特点,通常用于部分线下抽样测量部分关键区域应用于28nm及以下的全部先进制程。电子束检测技术因其具有精度高但速度慢特点,所以基于
15、电子束检测技术的设备一部分应用于研发环节,一部分应用在部分关键区域抽检或尺寸量测等生产环节,例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精度比光学检测技术更高速度相对较慢,适用于部分晶圆的部分区域的抽检应用,在满足规模化生产存在一定的劣势提升检测速度,提高吞吐量,由单一电子束向多通道电子束技术发展14.2%X光量测技术基于X光的穿透力强及无损伤特性进行特定场景的测量应用于28nm及以下的全部先进制程,但鉴于X光具有穿透性强、无损伤特性,所以主要应用于特定的场景,如检测特定金属成分具有穿透性强,无损伤的特点,在特定应用场景的检测具有优势,如检测超薄膜厚度,可以检
16、测特定金属成分等速度相对较慢,应用场景较少,只限于特定应用需求基于X光的穿透性特性,扩大应用的场景范围2.3%从技术路线来看,量/检测技术主要包括光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术。其中,光学检测技术室目前晶圆制造场景下的主要检测技术,2023年市场份额占比为81.4%。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。在相同条件下,光学技术的检测速度比电子束检测技术快,速度可较电子束检测技术快1,000倍以上。然而由于电子束的波长远短于光的波长,波长越短精度越高。因此在相同条件下,电子束检测技术拥有较光学检测更高的精度;与X光量测技术相比,光学
17、检测技术的适用范围更广,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领域。2024 LeadL400-072-5588来源:IC Insights,头豹研究院全球半导体行业呈现典型周期性,技术驱动10年长周期,资本开支驱动3-4年短周期。预计2024年全球半导体行业资本开支将迎来反弹,拉动全球半导体设备投资增加,半导体量/检测设备需求量有望持续提升行业发展现状(1/3)单位:%单位:亿美元全球半导体行业资本开支及增速,2008-2023全球半导体行业呈现典型周期性,技术迭代驱动10年长周期,资本开支驱动3-4年短周期。从长周期来看,半导体制造技术大约每10年进行一波迭代,从1965
18、年至今已发展到EUV光刻机为代表的第六代技术,制程节点突破至以台积电最新发布的1.6nm(TSMC A16TM)半导体工艺;从短周期来看,2023年全球半导体行业资本开支同比下降14%至156亿美元,下降主要由于芯片需求疲软以及消费和移动设备库存增加,众多半导体公司减少对新设备的投资,以应对市场的不确定性。其中,削减幅度最大的是存储公司,降幅为19%。按此周期计算,全球半导体行业有望在2024年迎来复苏,晶圆厂资本开支有望上调。半导体量/检测设备作为半导体工艺控制环节的重要组成,其需求量预计在2024年下半年开始逐步提升。43.4 26.1 54.0 67.4 59.0 55.3 66.1 6
19、5.2 67.8 95.6 106.1 102.5 113.1 153.1 181.7 156.0-100%0%100%200%01002002008200920102011201220132014201520162017201820192020202120222023全球半导体资本支出同比4年3年4年时间区间1965-19751975-19851985-19951995-20052005-20152015-2025特征尺寸12-3m3-1m1-0.35m0.35m-65nm65-22nm22-1.6nm存储器小于1KB到16KB16KB-1MB1-64MB64MB-1GB1-16GB(芯片组
20、)16GB到1TB以上(芯片组)CPU字长(bit)4,88,1616,3232,646464CPU晶体管数1000104-105105-106106-107108-109,多核架构多核架构主流圆片直径2-4in4in-150mm150mm,200mm200mm,300mm200mm,300mm200mm,300mm,450mm主流设计工具手工从逻辑编辑到布局布线从布局布线到综合从综合到DFMSoC、IPSoC、IP、SiP主要封装形式从TO到DIPDIP从DIP到QFPDIP、GFP、BGA多种封装、SiPSiP、3D封装、Chiplet等第一代第二代第三代第四代第五代第六代2024 Lea
21、dL400-072-5588来源:SEMI,公司公告,头豹研究院全球半导体设备市场高度集中,海外龙头厂商仍处于垄断地位,中国半导体设备厂商已覆盖多个细分领域,但仍处于国产化替代的早期阶段行业发展现状(2/3)工艺流程单晶生长前道工艺后道工艺设备类型硅Sic刻蚀清洗薄膜沉积热处理光刻离子注入抛光去胶前道测试测试先进封装公司/细分设备清洗机PVDCVDALD氧化炉RTP设备涂胶显影光刻机离子注入机CMP设备去胶机检测量测测试机分选机探针台北方华创晶盛机电中微公司盛美上海至纯科技华海清科拓荆科技长川科技芯源微万业企业中科飞测华峰测控晶升股份屹唐半导体上海微电子精测电子中国大陆主流半导体设备厂商产品布
22、局全球半导体设备市场高度集中,中国半导体设备厂商产品布局方面已涵盖了半导体制造过程中的多个关键环节,但海外龙头厂商仍处于垄断地位,国产替代仍处于早期阶段。根据SEMI,2022年中国晶圆厂商半导体设备国产化率明显提升,从21%提升至35%,预计2025年,国产化率将会达到50%,并初步摆脱对美国半导体设备的依赖。2024 LeadL400-072-5588来源:SEMI,公司公告,头豹研究院晶圆制造各类设备价值量占比,2022在晶圆制造设备中,量/检测设备价值量占比约为11%,仅次于光刻设备、刻蚀设备和薄膜沉积设备,显著高于清洗、CMP、涂胶显影等设备;量/检测设备国产化率仍处于较低水平,处于
23、5%以下,未来国产替代空间大行业发展现状(3/3)中国主要半导体设备海内外品牌及国产化率类别外资品牌国产品牌国产化率光刻设备ASML、Nikon、Canon上海微电子1%涂胶显影TEL、DNS芯源微5%刻蚀设备LAM、TEL、AMAT中微公司、北方华创10-20%薄膜沉积设备AMAT、LAM、TEL北方华创、拓荆科技、中微公司、微导纳米、盛美上海等10-30%离子注入设备AMAT、Axcelis、Nissin烁科中科信、凯世通5%量/检测设备KLA、AMAT、日立高新精测电子、上海睿励、中科飞测、诚锋科技等5%清洗设备DNS、TEL、KLA、LAM盛美上海、北方华创、至纯科技、芯源微等20-3
24、0%CMP抛光设备AMAT、Revasum、Ebara华海清科等20-30%热处理设备AMAT、TEL北方华创、华卓精科、屹唐半导体等30-40%去胶机PSK、Hitachi屹唐半导体80-90%从晶圆厂的资本开支来看,20%-30%用于厂房建设,70%-80%用于设备投资。前道设备(晶圆制造)投资量占半导体设备投资量的约80%,封装和测试设备占比分别约为10%和8%。2022年全球晶圆制造设备中,光刻设备、刻蚀设备和薄膜沉积设备价值量占比分别为22%、21%和21%,而量/检测设备价值量占比约为11%,显著高于清洗、CMP、涂胶显影、离子注入等细分领域设备。目前在28nm及以上领域,中国半导
25、体设备厂商已基本实现了全覆盖,国产化率达80%以上。而在14nm工艺上,中国半导体设备厂商也实现了50%以上的覆盖,国产化率已达到了20%以上。目前在14nm以下,国产化率仍较低,仅为10%左右。中国大陆半导体设备国产化率稳步提升,刻蚀设备、薄膜沉积设备、清洗设备、CMP抛光设备的国产化率位于10%-30%之间,热处理设备国产化率位于30%-40%之间;去胶机国产化率达到了90%。然而,量/检测设备、离子注入设备、涂胶显影设备国产化率仍较低,处于5%以下;光刻设备国产化率仅不到1%,意味着国产替代空间大22%21%21%11%5%4%3%3%3%7%光刻设备刻蚀设备薄膜沉积设备量/检测设备清洗
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