集成电路制造检测/量测项目可行性研究

1、工艺过程控制包括检测和量测，设备种类

集成电路制造过程中，需要使用在线工艺检测设备要对经过每一道工艺的圆片进行无损的定量测量和检查，以确保工艺的关键物理参数满足工艺指标，这种质量控制分为检测和量测，集成 电 路 制 造 过 程 中 的 质 量 控 制 根 据 工 艺 可 以 分 为 检 测（Inspection）和量测（Metrology）两大环节：
检测是指在晶圆表面上或者电路结构中，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结构缺陷；
量测是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，比如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测。

前道制造用到的检测/量测设备众多，根据VLSI Research的统计，2020年半导体检测和量测设备市场中检测设备占比微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33.5%，包括三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备（晶圆截至薄膜量测设备）、套刻精度量测设备、关键尺寸量测设备、掩膜量测设备等。

2 、检测/量测贯穿集成电路制造始终，采用光学检测技术原理的检测&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。

从技术原理上看，检测和量测技术包括光学检测技术、电子束检测技术和X光量测技术等，在所有的半导体检测和量测设备中，采用光学检测技术的设备占多数。根据VLSI Research和QY Research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分别为75.2%，18.7%和2.2%。

1）光学检测技术：

主要内容：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，具有速度快、精度高，无损伤的特点

先进制程工艺应用情况：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

优势：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

劣势：与电子束检测技术相比，精度存在一定的劣势

2）电子束检测技术

主要内容：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

先进制程工艺应用情况：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

优势：精度比光学检测技术更高

劣势：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

3）X光量测技术

主要内容：基于X光的穿透力强及无损伤特性进行特定场景的测量

先进制程工艺应用情况：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

优势：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， 可以检测特定金属成分等

劣势：速度相对较慢，应用场景相对较少，只限于特定应用需求

注：以28nm作为成熟制程和先进制程的分界线

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模版成像检测技术；
在量测环节，光学检测技术在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

光学检测技术在半导体检测&量测上的应用及原理
检测：

1）无图形晶圆激光扫描检测技术：通过将单波长光束照明到晶圆表面，利用大采集角度的光学系统，收集在高速移动中的晶圆表面上存在的缺陷散射光信号。通过多维度的光学模式和多通道的信号采集，实时识别晶圆表面缺陷、判别缺陷的种类，并报告缺陷的位置

2）图形晶圆成像检测技术：通过从深紫外到可见光波段的宽光谱照明或者深紫外单波长高功率的激光照明，以高分辨率大成像视野的光学明场或暗场的成像方法，获取晶圆表面电路的图案图像，实时地进行电路图案的对准、降噪和分析，以及缺陷的识别和分类，实现晶圆表面图形缺陷的捕捉

3）光刻掩模版成像检测技术：针对光刻所用的掩膜板，通过宽光谱照明或者深紫外激光照明，以高分辨率大成像口径的光学成像方法，获取光刻掩膜板上的图案图像，以很高的缺陷捕获率实现缺陷的识别和判定

量测：

1）三维形貌量测：通过宽光谱大视野的相干性测量技术，得到晶圆级别、芯片级别和关键区域电路图形的高精度三维形貌，从而测量晶圆表面的粗糙度、电路特征图案的高度均匀性等参数，从而对晶圆的良品率进行保证

2）薄膜膜厚量测 ：在前道制程中，需在晶圆表面覆盖包括金属、绝缘体、多晶硅、氮化硅等多种材质的多层薄膜，膜厚测量环节通过精准测量每一层薄膜的厚度、折射率和反射率，并进一步分析晶圆表面薄膜膜厚的均匀性分布，从而保证晶圆的高良品率

3）套刻精度量测：套刻精度测量通过对晶圆表面特征图案的高分辨率成像和细微差别的分析，用于电路制作中不同层之间图案对图案对齐的误差测量，并将数据反馈给光刻机，帮助光刻机优化不同层之间的光刻图案对齐误差，从而避免工艺中可能出现的问题

4）关键尺寸量测： 关键尺寸测量技术通过测量从晶圆表面反射的宽光谱光束的光强、偏振等参数，来测量光刻胶曝光显影、刻蚀和 CMP 等工艺后的晶圆电路图形的线宽、高度和侧壁角度，从而提高工艺的稳定性

3 、检测&量测设备市场分析

竞争格局方面，全球半导体检测和量测设备市场业呈现出国外设备企业垄断的格局，全球范围内的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，尤以科磊一家独大，根据VLSI Research2020年的统计数据，科磊在检测和量测设备市场占比为50.8%，前五大公司合计占比超82.4%，均来自美国和日本，市场集中度较高。
2020年，中国大陆半导体检测与量测设备市场规模为21.0亿美元，占全球市场的27.4%，其中，科磊半导体、应用材料和日立分别占比54.8%，9.0%和7.1%，合计超70%。

美国

1）KLA：KLA Instruments 和 Tencor Instruments 相继成立于 1976 年和 1977 年，并于 1997 年合并成立科磊半导体，总部位于美国硅谷。产品线涵盖了质量控制全系列设备。其22年检测和量测设备实现营业收入 79.25 亿美元。

2）应用材料：主要提供刻蚀设备、 离子注入机、化学气相沉积设备（CVD）、物理气相沉积设备（PVD）、化学机械抛光设备（CMP）、晶圆检测和测量等各类半导体设备。2022 年全年实现营业收入 257.85 亿美元。

3）创新科技：Rudolph Technologies, Inc.和 Nanometrics Incorporated 分别成立于 1940 年和 1975 年，并于 2019 年合并成立创新科技，总部位于美国麻萨诸塞州。该公司主 要产品与服务涵盖关键尺寸量测设备、薄膜膜厚量测设备、三维形貌量测设备、 缺陷检测设备，以及半导体制程控制软件等产品。22年全年实现营业收入 10.05 亿美元。

中国

1）上海精测：精测电子子公司，主要聚焦半导体前道 检测设备领域，以椭圆偏振技术为核心开发了适用于半导体工业应用的膜厚测量以及光学关键尺寸量测系统的产品，其膜厚量测设备种类相对最为成熟的产品，OCD（高精度光学关键尺寸量测设备），电子束设备中缺陷检测设备已经开始获得批量订单，量测设备方面完成了CD-SEM的首台交付，明场光学检测设备目前取得突破性订单，推出的半导体应力量测设备也已有订单完成交付。上 海精测 2022年实现营业收入 1.65亿元

2）中科飞测：成立于2014年，专注检测/量测两大集成电路设备，主要产品包括无图形晶圆缺陷检测设备、 图形晶圆缺陷检测设备等检测设备和三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备等 量测设备，已应用于国内 28nm及以上制程的集成电路制造产线，2022年营业收入5.09亿元

3）上海睿励：被中微公司收购，产品主要为光学膜厚测量设备和光学缺陷检测设备，以及硅片厚度及翘曲测量设备等。其12 英寸光学测量设备TFX3000 系列产品，已应用在 65/55/40/28 纳米芯片生产线并在进行了 14 纳米工艺验证，在 3D 存储芯片产线支持 64层 3D NAND 芯片的生产，并正在验证 96 层 3D NAND 芯片的测量性能。2021 年实现营业收入 4,083.98 万元。