冲云破雾的检测设备——2019半导体设备专题系列之二

检测是确认产品性能符合要求的必要条件，广泛分布在生产过程中和产成后，根据性能要求的不同，检测类别也是五花八门，包括外观尺寸测试、视觉测试等等。随着生产流程的愈发精细化、复杂化，检测工序的地位也是日益提升。本文以半导体检测设备为切入点，详细介绍了自动检测设备（ ATE ）的主要作用以及当前全球行业竞争格局。在 半导体制造逐渐向中国大陆转移的背景下，我们认为国产设备有望迎来重大机遇，而检测设备无疑是最有希望的品类之一。

全球景气度下行背景下，国内半导体设备的机会来自于逆周期扩张和进口替代。受智能手机销量等因素影响，19年上半年全球半导体行业依然较为低迷，但我们认为在强力政策推动下， 国内受全球周期影响相对较弱，存在逆周期扩张机会。目前绝对部分半导体设备依然高度依赖进口，提升“核芯技术”自主化率已迫在眉睫，上升至国家战略，进口替代是国内半导体设备公司面临的重大机遇和挑战。

进口替代难度较高，正在进行时。 在设备领域，核心的光刻、刻蚀等前道核心设备依然被外资巨头牢牢把控，短期内国产想要替代有难度，但在检测、清洗、硅片制备等领域国产设备已具备一定替代实力。例如长川科技的检测设备，晶盛机电的单晶炉，至纯科技的高纯工艺系统和清洗设备。

晶圆检测、终测环节设备占比 9% ，空间超 50 亿美元。 广义上的半导体检测，包括工艺检测（在线参数测试）、晶圆检测（ CP 测试）、终测（ FT 测试），国内公司目前主要涉足在晶圆检测和终测环节，这两个环节的检测设备价值量约占整各半导体制造设备投资的 9% ，按照全球每年 550 亿美元以上的设备销售来测算，检测设备年市场空间超 50 亿美元。

关注国内检测领域技术领先公司。 长川科技在测试机、分选机领域已有较深积淀，并通过收购 STI 进一步提升技术水平和客户资源。此外，由于技术工艺的共通性，一些面板检测设备公司也逐渐转型至半导体检测设备领域，例如科创板新上市的华兴源创等，建议关注国内技术最领先的长川、华兴等。

风险提示： 技术突破不及预期、新产品开发不及预期、行业周期性波动风险

检测设备，主要用于检测产品在生产过程中和产成后的各类性能是否达到设计要求。检测种类繁多，客户需求多样化，因此检测设备往往存在非标定制化的特点。本篇报告主要从半导体检测领域切入，详细分析在半导体生产过程中检测的各个科目及其重要性。相对于光刻等前道设备，检测设备的制造难度相对低一些，但是也存在较高的推广难度。目前全球半导体检测设备行业已经形成了泰瑞达、爱德万两家垄断的局面，国内的长川科技、北京华峰、华兴源创等公司正在寻求从各自的细分领域突破，逐渐进行进口替代，目前已取得一定的进展。

广义上的半导体检测设备，主要包括工艺检测（在线参数测试）、晶圆检测（CP测试）、终测（FT测试），国内公司目前主要涉足于晶圆检测和终测环节，这两个环节的检测设备价值量约占整体半导体制造设备投资的9%左右。检测设备相对于中前道的光刻、刻蚀设备来说，绝对制造技术难度相对低，国产厂商更容易突破，但由于涉及到度量衡标准，因此品牌壁垒，以及推广难度还是较高的。

半导体检测贯穿整个半导体制造过程，可避免制造损失的指数式增长。 随着半导体技术的迅速发展，行业设计能力和制造能力都有了很大的提高，这一方面使得半导体实现的功能日益强大，另一方面其内部结构的复杂度也不断提高，检验测试面临越来越多的挑战。半导体检测贯穿整个半导体制造，从设计验证到最终测试都不可或缺， 按照电子系统故障检测中的“十倍法则” ：如果一个芯片中的故障没有在芯片测试时发现，那么在电路板（PCB）级别发现故障的成本就芯片级别的十倍。以此类推半导体检测失效损失呈指数增长，测试在制造过程中的地位不言而喻。

测试设备需求旺盛，国内公司已有一定技术积累。 从2017年开始，国内存储器和逻辑芯片产能不断释放，目前在建和拟建晶圆厂项目总投资金额接近万亿元规模。根据SEMI估算，2018-2020年国内半导体制造设备投资额约为1550、1604、1702亿元，按照历史经验检测设备占总设备17%（晶圆检测9%，过程工艺控制8%）的比例进行测算，2018-2020年国内晶圆厂检测对应的半导体检测设备需求分别为264、273、289亿元，随着测试成本占比逐年升高，实际需求有望在此基础上继续突破。国内检测设备公司方面，长川科技、北京华峰技术水平较为领先，长川科技生产的测试机、分选机已获得长电科技、华天科技等多个封测、代工厂商的使用和认可，在国内实现批量销售。

SEMI下调半导体制造设备2019年的全球销售额预测值。 根据SEMI最新预测，由于智能手机和存储半导体需求的低迷，2019年半导体设备销售额将同比减少18％，降至527亿美元，但预测随着存储器投资复苏和中国大陆新建及扩建工厂，预计2020年设备销售额将比2019年增长12%至588亿美元，SEMI预计中国大陆将成为半导体制造设备的最大市场。

存储器价格走跌，反应全球半导体景气度或下行。 价格相对于销量，经常是更前瞻性的指标。可以看到，NAND Flash存储器的价格在2018年跌了50%以上，也跌破了2016年的价格，供过于求加上高库存的影响导致价格跌幅剧烈。经过了两年的高景气之后，半导体价格及市场景气度进入下行周期。

近期由于日本开始对韩国限制半导体材料出口，DRAM和NAND flash价格均有所上涨，但整体上DRAM产能预计到19年末还将维持供过于求的状态。

据 SIA 最新报告， 5 月全球半导体销售额连续第五个月同比下降 14.6% 至 331 亿美元。受智能手机等终端设备需求疲弱的影响，我国 5 月半导体销售额 110.4 亿美元，同比跌幅也超 10% 。

日韩半导体行业起争端，中国厂商或迎机遇。 日本政府近日宣布，将从 7 月 4 日起对用于制造电视和智能手机面板的氟聚酰亚胺、半导体制作过程中的核心材料光刻胶和高纯度半导体用氟化氢出口进行限制。韩国官方数据显示，韩国企业对这 3 种日本材料的进口依赖度分别高达 43.9% 、 91.9% 和 93.7% ，而韩国对这三种半导体核心材料的储备量只够继续使用 1~3 个月，若 3 个月之后日本仍不供货，三星、海力士等半导体生产厂商会面临停产风险。因此，如果日韩分歧长期延续，韩国厂商的产能缺口或转移至中国，中国厂商可借机抢占市场。

中国或将接过产业接力棒，承接第三次半导体产业转移。 随着半导体产业同时迈入后摩尔时代与后 PC 时代，全球半导体市场增速明显放缓，中国已成为带动全球半导体市场增长的主要动力。我国在过去的二十多年中，凭借低廉的劳动力成本，获取了部分国外半导体封装、制造等业务，通过不断的技术引进和人才培养，已经完成了半导体产业的原始积累。但是目前国内半导体行业技术积累与国外先进水平差距仍然较大，并不能完全满足国内现阶段的需求，根据 IC insights 的数据， 2016 年我国集成电路自给率仅为 10.4% 。下游需求端的强烈爆发叠加国内集成电路自给率不足正在不断加速半导体产业向中国大陆转移，据 SEMI 预估， 2017-2020 年全球 62 座新投产的晶圆厂中有 26 座来自中国大陆，占全球总数 42% 。

差距巨大倒逼国产突围，避免核心设备受制于人。 前有“中兴事件”让国人痛定思痛，后有福建晋华遭美国技术禁售，再加上近期对于华为的一些制裁措施，都让我们意识到必须在核心技术上占据主动。 2017 年，中国进口商业芯片共计花费 13640 亿人民币。过去十年，中国进口芯片费用超过 10 万亿人民币，相当于 2017 年中国 GDP 的整整 1/8 。 2016 年，中国的集成电路自给率仅为 10.4% ，推动集成电路发展已经上升至国家重中之重，芯片国产化率亟待提高。

政策支持带动国内企业突围，大力支持封测行业发展。 为了推动国产设备突围，我国启动了“ 02 专项”以及成立国家产业大基金，其中“ 02 专项”全方面的对半导体设备行业进行了扶植，一期重点在制造，晶圆代工 28nm 和存储是关键：制造的投资额占比为 65% 、设计占 17% 、封测占 10% 、装备材料占 8% 。 2018 年 5 月，工信部发言人指出国家大基金第二期正在募集，预计再有超过千亿的资金进入集成电路产业。 尤其针对封测行业，国家几乎每年出政策推进，通过税收改善、基金投资等方式引领企业突围。

测试复杂度升级，高端需求旺盛带动市场。 半导体芯片中晶体管的特征尺寸每年都在减小，这也导致晶体管的密度每年大约增长 20% ，这使得芯片内部模块变得越来越难测，测试的复杂度在逐渐升级。同时随着芯片封装技术逐渐向高密度、高速度的发展，成品测试也变得逐渐复杂，测试的成本在逐渐升高。

2018-2020 年国内检测设备需求估计超 800 亿元。 从 2017 年开始，国内存储器和逻辑芯片产能不断释放，目前在建和拟建晶圆厂项目总投资金额近万亿元规模。根据 SEMI 估算， 2018-2020 年国内半导体制造设备投资额为 1550 、 1604 、 1702 亿元，按照历史经验检测设备占总设备 17% （晶圆检测 9% ，过程工艺控制 8% ）的比例进行测算， 2018-2020 年国内晶圆厂检测对应的半导体检测设备需求分别为 264 、 273 、 289 亿元，随着测试成本占比逐年升高，实际需求有望在此基础上继续突破。

缺陷贯穿生产过程，未及时修正则导致最终失效。 集成电路的设计、加工、制造以及生产过程中，各种各样人为、非人为因素导致错误难以避免，造成的资源浪费、危险事故等代价更是难以估量。设计的漏洞、布局布线的失误、工作条件的差异、原料的纯度不足和存在缺陷以及机器设备的误操作等造成的错误，都是导致电路产生缺陷最终失效的原因。测试成为贯穿于集成电路设计、制造、生产中的、保证芯片质量的重要环节。

测试环节覆盖生产全过程，保证芯片符合规格。 以IC测试为例，IC从设计到失效整个寿命中所经历的测试主要有设计验证、工艺监控测试、晶圆测试、最终测试、可靠性测试、用户测试。其中前四个发生在制造过程中，设计验证在批量生产前进行，最终测试在芯片封装后进行，所有测试目的是保证芯片符合规格，尽量避免损失升级。

1、设计验证——决定是否量产的关键验证

设计验证主要检测芯片样品功能设计，在生产前进行。 设计验证针对的是芯片样品，主要工作是检测芯片设计的功能是否能够达到客户要求，在检测过程中会对芯片样品逐一检查，只有通过设计验证的产品型号才会开始进入量产，由于其发生在芯片制造最早环节，性价比相对最高，可为芯片批量制造指明接下来的方向。

设计验证过程中需要使用全部半导体测试设备。 由于设计验证的特殊功能定位，其过程包括了整个芯片的制造流程，所需测试设备也包含了过程工艺检测过程中的光学设备等、晶圆检测中的探针台等以及最终检测过程中的分选机、测试机等。经过设计验证的产品型号才会开始进入量产，我们将在后面量产测试环节中对不同测试设备技术及市场进行逐一介绍，在此不一一赘述。

2、过程工艺检测——控制缺陷放大的关键环节

顾名思义，过程工艺控制应用于晶圆制造的全过程。 在晶圆的制造过程中，包括离子注入、抛光、刻蚀等几乎任意一个环节都会由于技术不精确或外在环境污染等而形成缺陷，从而导致芯片最终失效。 主要检测的指标包括膜厚、表面缺陷、关键尺寸等。 例如整个晶圆的制造工艺便是不断的成膜工艺，在硅片表面形成不同的膜，膜厚便是膜的关键质量参数，针对不同种类薄膜测试参数也不尽相同，例如对于不透明膜的测量便使用四探针来测量方块电阻来计算膜厚，针对透明膜便主要依据光学测试进行测量。

工艺检测缺陷及测试方法复杂多样，下面主要列出了部分常见缺陷检测原理，辅助理解整个工艺检测环节（主要列举了氧化、光刻、刻蚀、 CMP 四个主要制造流程）：

1 ）氧化 是晶圆制造中重要的一步，在硅片上通过热生长或淀积产生的氧化膜可以对器件保护和隔离、产生表面钝化、掺杂阻挡充当芯片间金属层有效绝缘体等。当一批硅片进炉氧化时，将一定数量表面裸露的检测片（无图形片）放在炉管的关键位置上，用于氧化步骤之后的各种评估，确保氧化物具有可接受的质量。

2 ）光刻 是晶圆制造中设备价值最高的流程，通过对光刻胶曝光，把高分辨率的投影掩膜版上图形复制到硅片上。一旦光刻胶在硅片上形成图形，便要使用自动显影检查设备检查光刻胶图形的质量，如果确定有缺陷便可通过去胶把它们除去，或者硅片也可以返工，否则如果有缺陷的硅片被送去刻蚀，便将会成为废品，是灾难性的问题，因此此阶段质量检查意义重大。

3 ）刻蚀 工艺最后一步是进行刻蚀检查确保刻蚀质量。其中最重要的一步是对特殊掩蔽层的检查，以确保关键尺寸的正确，通过检测来确定是否发生过刻蚀、欠刻蚀或钻蚀。所用到的设备仪器为关键尺寸检测需要的光学显微镜等。

4 ）化学机械平坦化（ CMP ） 使硅片具有平滑的表面，表面起伏变到最小，可以减小由于表面起伏带来的光刻时对线宽失去控制等负面影响。但 CMP 带来的一个显著问题是表面微摩擦，小而难以发现的微擦痕导致淀积的金属中存在隐藏区，可能引起同一层金属间的短路，对其进行质量测量的设备主要是表面缺陷检测设备。

检测设备分为光学检测和电子束检测，过程工艺控制设备主要是以光学检测设备为主，应用在前制程环节。 由于晶圆制造的核心在于硅片上的成膜，图案的精确程度以及膜厚等直接关乎芯片是否能达到所设计性能指标。所用的检测设备也主要为光学检测设备，包括通过图案缺陷检测系统来检测晶圆光刻环节的成功率，通过 FEB 测量装置判断硅片的少子寿命等。

（1）量测——判断厚度、应力等指标

量测是确定所有步骤符合设计的标准。 通过“量”判断薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套刻精度等关键参数是否符合设计要求，一旦量测结果不符合要求，则说明产线出现问题，需要及时进行问题排查。

a.  膜厚

硅片工艺是成膜工艺。 集成电路的主体结构和器件都是由各种形状和尺寸的膜构成的，它们或是透明的膜或是不透明的膜，类型有金属、绝缘体、光刻胶和多晶硅，薄膜厚度的任何微小变化，对集成电路的性能都会产生直接的影响。除此之外，薄膜材料的力学性能，透光性能，磁性能，热导率，表面结构等都与厚度有着密切的联系，因此薄膜厚度的精准是是高成品率制造工艺的基础。

椭偏仪—测量透明椭偏仪—半透明薄膜厚度最精确的方法之一。 由于具有非接触性、非破坏性、测量精度高和适于测量较薄膜层的特点，成为了半导体工业常用的薄膜测量工具。当一束光射到薄膜面上时，在上界面和下界面形成多次反射和折射，形成椭圆偏振光。通过测量得到的椭圆偏振光的偏振态（幅度和相位），并根据已知的输入值（例如反射角、入射光的偏振态），则可精确地确定薄膜的厚度。椭偏仪测试具有小的测试点、图形识别软件和高精度硅片定位的优势， 但由于其是一种光学测量方法，无法测量不透明薄膜的厚度。

椭偏仪可测量的材料包括金属、涂覆聚合物和金属。 其中只有薄的金属才可以被看做半透膜，如铜互连工艺中用到的铜种子层，厚度大于 1000A 的金属层通常被认为是不透明的，不能用椭偏仪测量。椭偏仪可以直接集成到工艺设备中，应用于注入刻蚀和平坦化一些领域的原位（实时）测试。

椭偏仪 2013 年全球市场规模为 4086 万美元，销售量 1018 台，据预测 2023 年市场规模将达到 8582 万美元，销售量 2844 台。 行业已经发展成熟且高度集中， J.A.Woollam ， Horiba ， Semilab ， Sentech ， Angstrom SunTechnologies 占据了大部分市场份额，并在全球市场中发挥重要作用。国内椭偏仪的龙头企业是 北京量拓科技，公司在太阳能电池检测椭偏仪取得一定成绩，但在芯片检测方面还与国际水平存在一定差距。

不透明导电薄膜可用四探针法来测量。 其原理是用四个等距的金属探针接触硅表面，外边的两令探针通直流电流 I ，中间两个探针之间的电压降 V 由电位差计测量。由所测得的电流 I 和电压 V ，利用关于样品和探针几何结构的适当校正因子，可以直接换算成薄层电阻，最后根据材料的电阻率换算出薄膜厚度。

b.  膜应力

薄膜沉积在基体以后，由于沉淀原子处于非平衡状态，因此薄膜处于应变状态。薄膜应力分为拉应力（ tensilestress ）和压应力（ compressivestress ）。 拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。压应力则相反，膜表面产生外凸现象，薄膜有向表面扩张的趋势。如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。由此可见，薄膜应力是引起薄膜失效的重要原因。 在薄膜淀积前后，利用扫描激光束技术或分束激光技术测量硅片半径，绘制硅片应力的剖面图，则可实现对膜应力进行的检测。

检查膜应力可使用原子力显微镜（ AFM ）或扫描电子显微镜（ SEM ），其中 SEM 是目前最广泛使用的表面形貌仪。 SEM 利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态：当高能电子束轰击样品表面时，入射电子束与样品间的相互作用， 99% 以上的入射电子能量将转变成热能，其余约 1% 的入射电子能量将从样品中激发出各种有用的信息，检测仪器将其转变为放大的电信号，并在记录仪上显示出来。

SEM 市场主要被美国、日本、德国所瓜分，进口依赖严重。 日本日立、日本电子公司、美国 FEI 以及德国蔡司构成 SEM 全球市场的几大巨头，我国 SEM 严重依赖进口，每年我国花费超过 1 亿美元采购的几百台扫描电镜中，国产扫描电镜只占约 5% — 10% 。

c.  折射率

折射是透明物质的特性，它表明光通过透明物质的弯曲程度。 折射率的改变表明薄层中有沾污，并造成厚度测量不正确 ， 薄层的折射率可以通过干涉和椭圆偏振技术来测量，与用于确定薄膜厚度的椭偏仪相同。

d.  掺杂浓度

在晶圆的一些区域，如 pn 结、外延层、掺杂多晶硅等，杂质原子的分布情况直接影响到这些半导体器件的性能， 常用的在线测量方法是四探针法（用于高掺杂浓度）和热波系统（用于低掺杂浓度）

热波系统广泛应用于检测离子注入剂量浓度，是检测精度最高的方法之一 。在该系统内，一束激光产生加热的波使硅片表面温度升高，热硅片会导致另一束激光的反射系数发生变化，这一变化量正比于硅片中由杂质粒子注入而产生的晶体缺陷点的数目。由此，测量杂质粒子浓度的热波信号探测器可以将晶格缺陷的数目与掺杂浓度等注入条件联系起来，描述离子注入工艺后薄膜内杂质的浓度数值。

e. 关 键尺寸（CD ）

关键尺寸 (Critical Dimension ， CD ）是指在集成电路光掩模制造及光刻工艺中，为评估及控制工艺的图形处理精度设计的一种反映集成电路特征线条宽度的专用线条图形，关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的准确控制。 CD 的测量是半导体器件性能控制的关键，如在 CMOS 技术中，栅宽决定了沟道的长度，沟道的长度影响了速度，因此对晶体管栅结构尺寸的检测变得十分重要。 由于关键尺寸越来越小，能获得这种测量水平的仪器是扫描电子显微镜（ SEM ）。

f.  台阶覆盖

随着芯片尺寸越来越小，如何在小通孔和互连线中实现保形的阶梯覆盖成为半导体制造过程中最具挑战的问题之一。 理想的台阶覆盖如图 27 左图所示，沿着台阶所有界面的膜层厚度是均匀的。 常用来测量台阶覆盖和硅片表面的其他特征的仪器是光学非接触轮廓仪或探针接触式轮廓仪。

g. 套准精度

套准精度的检测在光刻工艺之后，用于测量光刻机和光刻胶图形与硅片前面刻蚀图形的套刻的能力。 测量套准精度的主要方法是相干探测显微镜（ CPM ）。 相干探测显微镜主要是利用相干光的干涉原理，将相干光的相位差转换为光程差。它能够获得沿硅片垂直方向上硅片表面的图像信息，通过相干光的干涉图形可以分辨出样品内部的复杂结构，增强了 CMP 后低对比度图案的套刻成像能力。

（ 2 ）缺陷检测

缺陷检测是寻找晶圆加工后不该呈现的结果。 晶圆的特征尺寸的不断减小会造成更多微小的缺陷，因此晶圆表面的缺陷已经成为影响良率的主要障碍。表面缺陷检测分为有图案检测和无图案检测，使用的设备是扫描电子显微镜和光学显微镜。

a. 有图案缺陷检测

有图案检测方法包括电子束检测、明场检测、暗场检测。每个都有自己的特点，比如明场检测系统用于详细检查图案缺陷，暗场检测运行速度快，适用于大量晶片的缺陷检测。但这些检测系统的基本原理又是相同的：缺陷通常是由灰尘等粒子引起的，并且发生位置是随机的。由于缺陷在某一区域反复出现的可能性极低， 因此图案化的晶片检查系统是通过比较相邻芯片图案的差异来检测缺陷。

b. 无图案缺陷检测

无图案硅片是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片。 无图案硅片检测用于晶圆运输检查、晶圆来料检查以及设备清洁度检查。为了检查设备的清洁度，将用于清洁度检测的裸晶圆装入设备，移动晶圆并检测表面颗粒度的增加情况。无图形硅片上典型的缺陷包括颗粒、划伤、裂纹和其他材料缺陷光。由于没有图案，因此无需图像比较即可直接检测缺陷。

无图案缺陷检测系统的原理如下：激光束投射到旋转晶片上并沿径向移动，使得激光束能够照射晶片的整个表面，当激光束投射到旋转晶片的颗粒 / 缺陷上时，光将被检测器散射和检测，因此检测到颗粒 / 缺陷。根据晶片旋转角度和激光束的半径位置，计算并记录粒子 / 缺陷的位置坐标。除了颗粒之外，镜面晶片上的缺陷还包括诸如 COP 的晶体缺陷。

2、过程工艺环节被高度垄断，国内公司突围困难

从价值体量来看，过程工艺控制设备占半导体设备市场8%左右。 根据WSTS数据显示，2017年全球半导体设备市场规模约为566亿美元，过程工艺控制市场规模约为46亿美元，占比8%左右。目前来看，前道工艺控制环节设备包括： （1）有图形的晶圆检测，占比约为37%； （2）光罩检测设备，占比为20%； （3）缺陷测量，占比是13%； （4）关键尺寸测量占比11%； （5）无图形晶圆检测占比6%。

设备市场被科磊、日立等几家国外企业垄断。 科磊是过程工艺控制检测设备绝对龙头，其在整体设备中占据了一半的全球市场，尤其在无图案及有图形晶圆检测设备市场中一家独大。日立高新与科磊进行差异化竞争，主要产品体现在关键尺寸测量等光学设备上。 过程工艺控制检测设备由于涉及光学精度，技术壁垒较高，国内公司突破难度仍然很大。

3、晶圆检测——封装前最后一道防线

晶圆检测可分为硅片测试及晶圆中测（CP测试），应用在封装之前，CP检测意义重大。 在芯片制造过程中，晶圆在氧化前的过程属于硅片制造的范畴，这部分的设备投资额占比很少，通常在 2% 左右；硅片制备完毕后进入晶圆制造环节，这部分为芯片制造的核心环节，设备投资价值量占了整个制造环节的 70% ， CP 测试则是在封装前的最后一道防线，通过测试的晶圆将进入封装切割环节，因此 CP 检测质量意义重大，其标准直接影响芯片最终测试环节的良品率。

（1）硅片检测

硅片检测主要是对表面缺陷检测。 硅单晶、抛光片的电学、物理和化学等性质以及加工精度将直接影响集成电路制备的特性和成品率，为了满足对硅单晶、抛光片的高要求，必须采用先进的测试方法，对硅单晶的晶向、缺陷、氧含量、碳含量、电阻率、导电型号、少数载流子浓度、等技术参数有效测试，对抛光片表面缺陷（点缺陷、错位、层错等），颗粒污染和沾污进行检测。

检测设备包括厚度仪、颗粒检测仪、硅片分选仪等。 目前国产设备涉足较少，主要以进口设备为主，主要设备商包括日本爱德万（Advantest）、美国MTI等公司。硅片检测设备占硅片制备设备总投资的15%左右，根据 芯思想研究院的预测，未来 19/20 两年共 24.3 亿元的市场空间。

（2）晶圆中测（CP）——检测核心环节

晶圆检测（CP测试）主要目的是对晶粒电性能参数测试，保持生产质量以及合格率。 主要指在晶圆制造完成后进行封装前，通过探针台和测试机配合使用，对晶圆上的芯片进行功能和电参数性能测试，其测试过程为：探针台将晶圆逐片自动传送至测试位置，芯片的焊盘（PAD）通过探针、专用连接线与测试机的功能模块进行连接，测试机对芯片施加输入信号、采集输出信号，判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性。测试结果通过通信接口传送给探针台，探针台据此对芯片进行打点标记，形成晶圆的Map图，根据MAP图进行下一步的切割和封装。

CP测试主要过程:

1. 将待测晶圆放在晶圆框架盒中置于探针台（ Prober) 的上下片部分，探针台自动上片到承片台（ chuck ），晶圆便会被真空吸附在承片台上。

2. 承片台吸附晶圆进行自动对准定位，以使探针卡 / 探针与晶圆测试区域接触良好。

3. 测试机将电信号通过探针卡加载在待测 die 上，对产品进行测试，按照测试结果分类。

4. 对不合格芯片进行打墨点标记，以便不良管芯可以在封装之前被识别并废弃。

CP测试主要设备:

1. 探针卡（probe card）

探针卡是一种测试接口，主要对裸芯进行测试，连接测试机和芯片，通过传输信号对芯片参数进行测试。 半导体探针卡的 2015 年全球销售总额为 14 亿美元， VLSIresearch 预计该数字在 2020 年将达到 17 亿美元。

探针卡市场主要被美国、日本和韩国企业控制。 2018 年销售收入前五大半导体探针卡公司依次为美国的 FormFactor 、意大利 Technoprobe 、日本 Micronics 、日本电子材料、台湾的 MPI ，排名 7-10 位的公司是韩国 Korea Instrument 、韩国 TSE 、韩国 Will Technology 、韩国 Microfriend 。

其中美国Formfactor是全球第一的探针卡供应商，多样的高性能探针卡产品组合广泛应用于DRAM，闪存和SoC器件测试。 它在高端半导体元件的较窄探测间距（ Probe Pitch ）的 MEMS 型探针卡方面形成了绝对的技术优势，保证了公司营业收入的高增长。 FormFactor 公司 2018 年营业收入 5.3 亿美元，公司占有超过三成的市场份额，是竞争对手的两倍。

2. 探针台（prober)

探针台负责晶圆输送与定位，使晶粒依次与探针接触完成测试。探针台主要提供 wafer 的自动上下片、找中心、对准、定位以及按照设置的步距移动 Wafer 的功能，以使探针卡上的探针总是能对准硅片相应位置进行测试。由于探针台只涉及探针与焊盘的可靠接触，电性测试由专用的测试机来执行，使得探针台可以通过通讯接口搭载不同的测试机，实现对各种晶圆进行针测的可能。因此，探针台成为一台在晶圆针测中可以普遍适用的通用性工艺装备。

全自动探针台被东京精密、TEL, EG等品牌所垄断。东京精密设计和生产的UF系列探针台 是当今世界晶圆化测试领域的旗舰产品，UF3000以及其改进版UF3000EX通过采用XY平台的高速同步、晶圆的静音操作等协同工作实现晶圆测试的高产能；Z轴用4轴驱动的新技术(OPU),实现高精度、稳定的探针接触，从而使Z轴的定位精度和重复定位精度已达到世界先进水平；采用高分辨率的彩色相机，改进大屏幕的操作性能；组合不同的测试选件，可实现如低噪声、高电压环境下的测试。 东京电子研发的P12全自动探针台 XY平台采用导轨加丝杠传动方式，预对位安装于机台后部，使预对位有了更大的空间，从而使扩展诸如高低温测试等功能模块成为可能。 美国electroglas公司推出的EG系列探针台 在晶圆中测设备中测市场中占有不小的份额，尤其是最近几年新推的EG4090,极大高了测试精度，扩大了适用晶圆类型。

国内公司技术仍有较大差距，长川科技已开始布局。 目前国内探针台技术较为成熟的为中电45所，其研制的探针台曾一度为国内的主流机型，市占率高达67%，但随国外成熟品牌的流入，市占率逐渐被压缩。从其生产的探针台的性能也可以看出，无论是适用的硅片尺寸，还是各轴的精度，都与目前国际流行的探针台有不小差距。长川科技直接把市场定位在12英寸，自18年以来加大投入进行研发，目前已有一定进展，但探针台制造技术壁垒较高，在短期直接寻求高端突破可能性并不是很大。

国产探针台的主要技术壁垒：1）运动精度和可重复定位精度较低: 由于控制系统采用半闭环控制，机械结构的加工精度又不能满足微米级精度要求，再加上电机控制和传感器选型上的偏差，势必造成综合运动精度降低。 2）视觉定位和图形处理不完善: 视觉系统所涉及的晶圆中心自动检测、模板匹配、墨点识别、自动对针等都对晶圆测试产生很大的影响。而国内鲜有企业对视觉系统模块投入大量研发精力和成本，而把时间花费到预对位等其它模块。

3. 测试机（tester/ATE）

测试机的使用贯穿了设计验证、晶圆检测和成品终测。 测试机是检测芯片功能和性能的专用设备，测试机对芯片施加输入信号，采集被检测芯片的输出信号与预期值进行比较，判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性。在设计验证和成品测试环节，测试机需要和分选机配合使用；在晶圆检测（CP）环节，测试机需要和探针台配合使用。

测试机的核心难点来自于算法，测试厂商需要推出定制化的算法来解决客户不断更新的测试需求。 国内企业由于在研发人才储备、技术底蕴上与国外企业有较大差距，因此在测试机领域迟迟没有突破一线客户。

测试机全球市场主要由爱德万和泰瑞达长期垄断。 得益于起步较早及最先掌握核心测试技术，爱德万和泰瑞达成为了全球范围内最核心的两家测试机供应商，合计市场份额高达90%。目前已有一些国产设备公司布局测试机， 国内公司长川科技主要布局方向在分立器件，高功率电源管理芯片等方向，精测电子在 18 年与三星供应商 IT&T 合作，进军存储器和面板驱动芯片检测设备市场。

测试机按测试芯片功能主要分为测试SOC、存储器、RF、逻辑芯片等类别。 爱德万主要产品为存储器测试机及SOC测试机，泰瑞达主要产品为RF测试机和SOC测试机，Xcerra主要在市场较小的逻辑芯片领域提供设备。Xcerra（科利登）在18年被Cohu（科休）以8亿美元的价格收购。

（1）SOC测试

SOC高性能促其广泛应用，但多核SOC测试成本高。 片上系统（SoC：System-on-a-chip）是通过深亚微米工艺技术实现了一套功能完整的电路系统集成至一块芯片上，有效迎合了低功耗、高性能、便携式等IC发展理念，SOC凭借性能高、体积小、开发周期短等诸多优势，己经广泛被应用至航空航天、军用电子系统、互联网络、多媒体系统等领域。然而，随着集成电路制造工艺的快速发展，单个芯片上的集成度越来越高，soc的功耗问题日益凸显， 单个集成处理器嵌入多个计算内核（MSOC）便有效降低系统的功耗，但MSOC的封装及测试成本大大提高。

存储器市场市场持续低迷，设备市场同期周期性波动。 存储器在半导体IC产业中的占比达到20%左右，占据极为重要的地位。18年以来,由于需求不振和前期过多的产能投放，存储器价格自18年下半年以来便一直处于下跌状态，预计到2020年存储器工序将达到平衡。据ICInsights预测，2020年存储器市场规模将达1000亿美元。届时受益于存储器测试市场的升温，检测设备需求也有望同步增长。

（3）射频芯片测试（RF）

5G 时代来临，射频市场扩大如箭在弦。 2018年移动产业的产出占全球GDP的3.5%，大约3.6万亿美元的价值，到2022年，这个数值将达到4.6万亿美元，全球移动通信系统协会预测中国有望成为未来最大的5G市场。 应用于通信、雷达、导航等领域的射频芯片将是5G时代的重要组成部分。

RF 测试要求高，需进行全参数测试。 射频接收芯片具有射频接收部分和模数转换部分,结构复杂，为保障芯片高质量一致性,必须进行全参数测试,对测试系统性能可靠性、测试板设计制造和筛选机的配合应用提出更高要求。RF测试设备主要为示波器、信号发生器、频谱分析仪、网络分析仪。据麦姆斯咨询报道，2016年，RF测试设备市场规模为23.2亿美元，预计到2023年将达到32.1亿美元，2017-2023年期间的复合年增长率为4.92%。推动RF测试设备市场增长的主要因素包括：楼宇通信系统对无线网络的采用增加；基于5G网络设备的开发增加；应用于各大领域、基于IoT技术设备的部署增加，包括通信、汽车、航空航天和国防，以及消费电子。

国产设备已着手布局，突围仍需时日。 由于半导体产业向大陆转移对本土设备企业的利好，长川科技、北京华峰、精测电子、华兴源创等都已经布局研发测试机，其中长川科技主要布局在功率器件测试机并且已实现对国内封测厂的批量供货；精测电子联合三星供应商IT&T，进入国内存储器和面板驱动芯片检测设备市场，而华兴源创则主要布局在SOC测试机方向，但都刚刚起步，距离突围仍需一定时日。

长川科技技术已接近国际一流水平。 目前长川科技是国内综合能力最强的半导体测试设备供应商，多项产品技术水平已接近国际一流。但是对比泰瑞达等国际龙头，参数上还有一定差距，以长川科技测试机CTA8280型号对标测试龙头泰瑞达的ETS88系列测试机，可发现在关键指标中电压精度、电流精度仍有一定差距，但时间精度已达到国外先进技术水平。在客户方面，长川科技研发的集成电路测试机已获得长电科技、华天科技、通富微电、士兰微、华润微电子、日月光等多个一流集成电路企业的使用和认可，在测试机领域国产化突围较为成功。 受益于半导体产业向大陆转移，长川科技测试机在国内已实现批量销售。

4、终测（FT）——芯片成品的良品率抽样检测

终测为芯片进入系统前的最后检测。 成品终测（FT测试）是对封装后的芯片进行功能和电参数性能测试，保证出厂的每颗集成电路的功能和性能指标能够达到设计规范要求。其测试过程为：分选机将被检测集成电路逐个自动传送至测试工位，被检测集成电路的引脚通过测试工位上的金手指、专用连接线与测试机的功能模块进行连接，测试机对集成电路施加输入信号、采集输出信号，判断集成电路在不同工作条件下功能和性能的有效性。测试结果通过通信接口传送给分选机，分选机据此对被测试集成电路进行标记、分选、收料或编带。

在CP环节，存储芯片和SOC的测试方式基本一样，但在FT环节有所不同，由于单个SOC测试的时间较短，因此在载板上放置的芯片数量较少，一般为4-8颗（由于放置时间长），而存储测试由于时间较长，所以会一次性放着多颗芯片。

国内三大封测厂资本开支维持相对高位。 终测往往在封装工厂进行，因而封装和测试常常被叫成整体的封测行业。封测环节的市场集中度相对于晶圆代工较低，全球前十大的封测企业市场份额约为41%。主要包括各大IDM公司和专业代工封测厂商，份额各占50%。全球较大型的封测厂商有日月光、安靠、力成等，内地为长电科技、华天科技和通富微电等。受益于国内晶圆厂的高速扩建，国内封测厂也迅速提升了规模，根据封测厂与测试设备公司的上下游采购关系，我们认为国内有能力进入供应采购名单的设备公司将一起享受巨大行业红利。

FT 测试所需设备为分选机和测试机。 测试机与晶圆检测所用测试机基本一致，主要用来检测封装后芯片的功率、性能等参数。承载待测品进行测试的自动化机械结构，其内有机械机构将待测品一颗颗从标准容器内自动的送到测试机台的测试头（Test Head）上接受测试，测试的结果会从测试机台内传到分类机内，分类机会依其每颗待测品的电性测试结果来作分类（此即产品分Bin）的过程；此外分类机内有升温装置，以提供待测品在测试时所需测试温度的测试环境，而分类机的降温则一般是靠氮气，以达到快速降温的目的。

分选机市场集中度较低，国产化取得突破。 分选机按照结构分为三类，即重力式分选机、平移式分选机和转塔式分选机。国内企业也在平移式分选机和重力式分选机中实现了追赶，自给率分别可达80%和22%，而转塔式分选机由于是UPH（每小时分选芯片数量）最多的一类分选机，在高速运行下，既需保证重复定位精度，又需保证较低故障率，对分选机设备开发提出了更高的要求，国产率相对较低，在8%左右。

2017年分选机全球排名前三的企业分别为科休、科利登和爱德万，市场份额分别为21.5%、17.0%和14.0%。 除了这前三大企业外，韩 国的Techwing是细分领域分选龙头，是全球领先的存储芯片测试分选机厂商，其在存储芯片测试分选机领域的市占率超过50%；ASM在转塔式分选机领域的市占率为54%，Epson、Hontech在平移式分选机领域有较高的市场份额。

长川科技分选机已在国内主流封测厂批量销售。 长川科技的“SiP 吸放式全自动测试分选机”项目适用于QFP、QFN、BGA等中高端封装外型芯片的测试分选，已通过长电科技的验证，并实现批量销售。 但与国外设备相比，技术差距仍然较大。 目前 长川科技仅生产平移式分选机和重力式分选机，对标Xcerra的同类型设备，无论是在封装适用性还是在UPH上都存在很大差距。而且其仍然没有布局技术壁垒较高的转塔式分选机，转塔式分选机精度高速度快，处于半导体设备制造产业顶端。

我们将国内检测设备公司长川科技与国外的科磊、泰瑞达、爱德万和东京精密测试几大龙头进行财务指标对比，可以发现在公司营收规模上国内公司距离国外龙头还有相当大的差距，2018年长川科技的营收仅有科磊的0.7%左右（按1USD=6.7CNY计算）。在毛利率水平上，科磊最高为64%，另外几家公司也都在50%左右，可见半导体设备行业由于其较高的技术壁垒，毛利率水平都较高。

1、科磊——全球控制检测设备龙头

KLA -Tencor公司是全球领先的半导体制造工艺控制检测设备供应商，为半导体、数据存储、LED 及其他相关纳米电子产业提供工艺控制与良率管理的解决方案。

科磊2018财年收入40.36亿美元，GAAP净利润8.03亿美元，净利率20%，自2010年以来，科磊的毛利率一直维持55%以上，体现了其产品在全球范围内的核心竞争力。2018财年科磊的研发费用为6.09亿美元，占营业收入比重达15%。中日韩台湾是科磊最大的市场，主要在于此四个地区集中了全球半导体生产大部分的比重，2018财年中国地区销售收入6.43亿美元，占比达15.9%。

服务收入比例高，客户实力强，收入抗风险能力强。 不同于设备产品的二阶导属性，设备服务对经济周期波动的敏感程度低。近五年科磊服务收入占比都保持在20%的水平，2019Q3服务收入5.6亿美元，占比25%，同比增长29.3%。此外，公司约70%的产品订单是来自头部先进制造客户，这部分客户需求稳健、扩产理性，进一步弱化了经济环境对公司订单的影响。

公司注重研发，研发收入占比常年保持15%以上。 科磊用于研发的费用逐年递增，2017/2018/2019Q3公司研发投入为5.2/6.1/5.0亿美元，同比增长16.6%/16.0%/11.6%，科磊在产品研发方面持续大量的投资不断向市场提供产品创新，并与芯片行业高速的技术发展保持同步。世界上绝大多数晶圆裸片，集成电路（IC），光罩和硬盘制造商均采用该公司的产品和服务。

产品线丰富，覆盖整个半导体生产过程的检测与量测需求。产品包括：线上晶圆和 IC缺陷的监测、检查和分类，光罩缺陷的检测和量测，封装及互连层检测，关键尺寸量测，套刻量测，以及膜厚、表面形貌与成份量测。此外，科磊也在诸如腔室内工艺条件测量，晶片形状及应力量测，光刻仿真工具，良率管理软件以及全厂数据管理和分析系统等领域为其客户提供产品与服务。