★
欢迎星标 果壳硬科技
★
光刻机、刻蚀机对造芯片的重要性已不言而喻，但若没有质量控制设备，同样无法造芯。就像医疗领域的CT、彩超、生化分析仪等辅助检测身体状况的设备一样，半导体质量控制设备也是给芯片“体检”的工具，统称半导体检测设备。
今年5月19日，中科飞测科创板上市，其主要业务便是国产化率只有2%的半导体检测和量测设备 [1] ，上市首日较发行价涨189.62%的成绩，预示着半导体质量控制设备将不再是隐形赛道。
本文是“果壳硬科技”策划的“国产替代”系列第二十三篇文章，关注半导体质量控制设备国产替代。在本文中，你将了解到：半导体质量控制设备概念具体指代什么，半导体质量控制设备国内外整体发展情况，国产设备商的出路。
付斌丨作者
李拓丨编辑
果壳硬科技丨策划
易于混淆的概念
半导体检测作为半导体质量控制较为广义的表达方式，业内指称较为混乱。严格意义上，半导体质量控制分为检测、量测、测试三种工艺，所指代的技术也有所不同：
对应上述三种工艺的设备，分别称为半导体检测设备、半导体量测设备、半导体测试设备。另外，除工艺制程的检测设备外，设计验证阶段也存在第三方检测公司进行芯片失效分析，有时也会略称为检测，容易混淆。 [3]
质量控制设备在半导体产业链中的位置 [2]
质量控制决定着芯片生产的良率，集成电路生产工艺复杂，仅前道制程就存在数百道工序，量变引发质变，每道工序的缺陷都会随时间推移而被放大到数倍甚至数十倍，所以只有保证每道工序都不存在缺陷，才能保证最终成品的性能。
换句话说，生产每走一步，就要用半导体质量控制设备查看一次生产情况。根据生产环节不同，半导体质量控制分为前道检测、中道检测和后道测试。
前道检测、中道检测、后道测试在产业链中的位置，制图丨果壳硬科技
两种截然不同的现状
从全球半导体制造设备市场来看，15%~20%的钱都花在了质量控制设备上。细分市场方面，检测设备、量测设备、测试设备分别占全球质量控制设备市场的48%、6%、46%，同时形成了截然不同的前道检测和后道测试市场。 [5]
前道检测和后道测试涉及具体设备及市场占比（基于可溯源最新数据），制图丨果壳硬科技
参考资料丨中科飞测招股书 [2] ，未来半导体 [6]
难造的检测和量测设备
几纳米的误差、尺寸变化、颗粒或图像错误，都会导致芯片无法正常工作，假若前道工艺每道工艺良率损失0.1%，最终良率就会降低到36.8% [7] 。检测和量测设备作为前道检测两大设备，能够有效控制制造过程，提高产量。
前道测试设备分类及主要厂商情况 [8]
检测和量测设备有三个基础要点：一是扫描必须覆盖整个晶圆，同时保证缺陷密度在数百个工艺步骤后趋近于零；二是扫描速度必须足够快，否则难以及时反馈制造过程的真实情况，普遍为几分钟到一小时之内，要在几分钟内检查整个晶圆，需要大于10 10 像素每秒的数据速率，现今多数先进系统常采用并行读取数百像素的方式保证传输速率；三是检测和量测系统必须完全自动化，且24小时不间断运行，而预防性维护至少每三个月执行一次。 [9]
技术路线上，检测和量测分为光学检测、电子束检测、X光量测三种，三种技术在灵敏度、吞吐量等参数上各有所长，实现的应用场景有所差别，同时三种技术均可应用于28nm及以下（成熟制程和先进制程分界线）的全部先进制程。
检测和量测三种技术路线，制表丨果壳硬科技
参考丨中科飞测招股书 [2]
随着半导体行业发展渐深，检测和量测设备也逐渐跟上步伐，行业发展可分为两个阶段。第一阶段是对灵敏度和可重复性要求不断提升，随之而来的，是监控晶圆成本的上升；第二阶段是对可靠性和易用性上提出需求，与此同时，芯片制造商对于性价比的追求，压力不断回传至制造商。展望未来，两种设备拥有以下发展趋势：
半导体检测和量测设备研发难度高，投入大，但市场空间不如中下游集成电路或芯片那般大，且增速较为平稳。数据显示，全球半导体量测设备将从2021年的73亿美元提升至2031年的133亿美元，年复合增长率6.2%，同时这一领域全球集中度极高，科磊半导体（KLA）、应用材料（Applied Materials）、日立（Hitachi）三家全球市场占比分别为50.8%、11.5%、8.9%。 [12]
2020年全球半导体检测和量测设备市场格局 [2]
我国半导体检测与量测设备国产化率极低，2020年我国半导体检测和量测设备国产化率约为2%，科磊半导体、应用材料、日立三家公司分别占据我国检测和量测设备市场的54.8%、9.0%、7.1%。而我国整体市场占全球市场约27.4%，根据推算，2023年我国检测和量测设备市场规模能够达到326亿元。 [13][14]
专利角度来看，中国非常重视半导体检测技术，并已展开市场竞争。智慧芽数据显示，以半导体检测为关键词搜索，在170个国家/地区中，共3210条专利，总价值109,148,100美元。
半导体检测专利趋势，图源丨智慧芽
技术生命周期方面，自1957年开始，半导体检测技术开始被关注。1957年~1975年相关专利申请书一直为个位数，技术关注度并不高。1976年~2001年时期，申请量和申请人逐年上升，可视作技术萌芽期。2002年~2022年，每年相关专利申请数量保持在100~132个，市场关注度保持稳定，综合各种因素预计，未来两年专利申请数将微量增长。
技术来源国/地区方面，日本、中国、美国、韩国、德国位列半导体检测领域前五，分别占比39.43%、15.26%、15.22%、8.7%、6.84%。
半导体检测技术来源国/地区排名，图源丨智慧芽
纵观五局流向图，日本与美国的半导检测技术相关专利出海情况较为良好，而中国则集中在国内，缺乏出海专利。
半导体检测五局流向图，图源丨智慧芽
从半导体检测领域专利申请人情况来看，科磊、日立专利储备大幅领先市场其余玩家，东芝、松下、三菱、滨松光子、三星电子、通用电气、住友重机械、瑞萨、日本电气、横河电机等企业在半导体检测专利领域也极为活跃。
不过，专利集中度自2017年后逐年下降。过去二十年内，2006年、2010年、2013年、2017年半导体检测集中度超过了50%，分别达到57.5%、51.85%、65.81%、65.38%，而到2022年，集中度已下降至27.97%。
半导体检测申请人排名分析，图源丨智慧芽
国内方面，开尔文测控、中科飞测、长鑫存储、翼云电子、联讯仪器等国内新进入者在近几年较为活跃，后续表现值得关注。
半导体检测新进入者分析，图源丨智慧芽
半导体量测专利领域不如检测领域那样热闹，智慧芽数据显示，在170个国家/地区中，共27条专利，总价值2,487,600 (美元)，其中中国包揽了47.62%的相关专利，其次是美国（33.33%）、韩国（9.52%）。主要企业包括科磊、上海精测半导体、汎铨科技、长鑫存储、思达科技、真芯半导体、中科院微电子所等。
半导体量测申请人排名分析，图源丨智慧芽
缺乏高端的测试设备
在行业中，封装和测试多被划入一个领域，即封测 (Semiconductor assembly and test manufacturing，ATM) ，工艺流程包括划片、装片、 键合、塑封、去飞边、电镀、打印、切筋和成型、外观检查、成品测试、包装出货等。 [15]
相对于穿插在每道工序间的检测和量测设备，测试设备穿插在封装工艺的一前（晶圆检测）和一后（成品测试）。
简单来说，就是在一颗颗芯片从刻好电路的晶圆上切割下来前，测试一遍各种参数，通过测试后，再像装香肠一样，封装成芯片，之后再测试一遍芯片的性能。
测试设备包括测试机（Tester）、探针台（Prober）、分选机（Test Handler）三种，无论是晶圆检测还是成品测试，测试芯片均需先将芯片引脚与测试机功能模块相连（探针台和分选机的作用），再通过测试机向芯片输入信号，并检测输出信号。 [16]
三种测试设备中，测试机市场更大，技术壁垒也更高，不止如此，客户还对测试精度、响应速度、存储能力、采集分析能力、应用程序定制化、平台延展性等方面提出越来越高的要求。 [17]
集成电路生产及测试具体流程 [17]
半导体测试设备可分为3个发展阶段：1990年~2000年，是功能时代，制程工艺集中在0.8μm~0.13μm，芯片搭载功能越来越多，传统测试平台逐渐被淘汰；2000年~2015年，是效率时代，随着工艺从0.13μm发展到14nm，并行测试需求扩大，4工位、8工位测试成为标配；2015年至今，是新兴时代，制程工艺步入3nm，此时单纯的芯片测试只是基础性功能，trim（微调）等更多复杂性功能成为标配，这些功能可以有效减少设计时间、提高产品良率。 [7]
半导体封测是我国最早转型的制造环节，迄今为止，它已成为我国集成电路产业链中相对成熟的环节。早在2010年，我国就已在封装测试环节实现632亿元的销售额，其产值一度占据我国集成电路产业总产值的70%以上[15]。而在2020年，我国半导体测试设备市场规模达到91.4亿元，并且连续多年成为全球最大半导体销售市场。 [18]
虽然看似一片繁荣，但实际核心的测试机国产市占率较低。通过查看2015年到现在国内封测厂商长电科技公开招标信息，测试机主要以海外头部厂商为主。
2019年，美国泰瑞达（Teradyne)、日本爱德万（Advantest）两大龙头全球合计市占率达到90%，占据国内测试设备市场将近91.2%的市场份额，此外，美国科休（Cohu）、美国安捷伦（Agilent)、美国科利登（Xcerra）等厂商也长期盘踞位居前几。反观国内本土市场，华峰测控占比国内市场份额仅6.1%，长川科技为2.4%。 [19]
相比来说，爱德万、泰瑞达早在20世纪60~70年代进入半导体测试领域，我国则起步较晚，所以产品线单一，侧重于模拟/混合测试机，海外厂商则在SoC测试机、存储测试机、模拟/混合测试机三大种类均有涉猎。
探针台方面，Tokyo Electron和Accretech占据全球73%份额，惠特科技（Fittech）、旺矽科技（MPI）两家中国台湾企业占据剩余市场份额大部分空间。 [19]
国内外设备厂商ATE测试机对比 [19]
专利角度来看，日本建立的专利墙极高，国内也在突破这道墙。智慧芽数据显示，以半导体测试为关键词搜索，在170个国家/地区中，共7057条专利，总价值127,781,900美元。
半导体测试专利趋势，图源丨智慧芽
技术生命周期方面，自1955年开始，半导体测试技术开始受到关注。1955年~1981年相关专利申请书一直为个位数。1982年~1993年，短短十几年，专利申请量就已破百。1994年~2007年，专利申请数和申请人逐年上升，市场进入萌芽期，同时2007年成为历史上半导体测试专利申请最多的一年，而此后申请专利开始放缓，直到现在市场开始显现上升趋势。2008至今，市场仍然保持一定量的专利申请数量，市场进入稳定期，且未来两年呈增长趋势。
技术来源国/地区方面，日本、中国、美国、韩国、中国台湾位列半导体测试领域前五，分别占比49.72%、18.18%、15.31%、13.29%、2.32%。
半导体测试技术来源国/地区排名，图源丨智慧芽
五局流向图方面，与半导体检测领域类似，日本与美国的半导检测技术相关专利出海情况较为良好，而中国则几乎没有出海的专利。
半导体测试五局流向图，图源丨智慧芽
从半导体测试领域专利申请人情况来看，爱德万专利储备大幅领先市场其余玩家，横河电机、三菱、三星、日立、东芝、瑞萨、泰瑞达、富士通、台积电、日本电气、中芯国际等企业在半导体测试专利领域也极为活跃。此外，2004年~2017年，半导体测试专利集中度常年保持在50%以上，而在2018年后至今，专利集中度逐渐至30%左右。
半导体测试申请人排名分析，图源丨智慧芽
国内方面，胜达克、长川科技、华峰测控、精测电子、泽丰半导体、加速科技、木王智能、英铂科学仪器等国内新进入者在近几年较为活跃，后续表现值得关注。
半导体测试新进入者分析，图源丨智慧芽
设备商需更多关注
国内在前道检测和后道测试领域均有不同程度发展，相对来说，后道测试的整体发展比前道检测更快一些，但无论是哪一方面，国内均缺乏高端设备。对于现阶段发展，应注意以下几点：
虽说困难重重，但实际上情况也没有想象中那样差，在地缘政治摩擦加剧之下，更多关注度、资金、技术也开始流向半导体设备厂商，同时在各项政策激励和基金加持下，这些厂商也将拥有越来越多的试错机会。
References：
[1] 科创之道：国产化率只有2%的半导体量测设备.2023.5.10.https://mp.weixin.qq.com/s/ZYi1StaVfZcveIv_ZvZz6Q
[6] 未来半导体：测试设备之争 | 美日测试机巨头引领创新，国产设备需求巨大.2023.5.6.https://mp.weixin.qq.com/s/4wDOPCVqfELpM62RDjjvWw
[7] 陈炳欣.全球将新建多座晶圆厂 半导体测试市场迎来黄金时代[N].中国电子报,2022-02-15(008)
[9] Fielden J. Semiconductor inspection and metrology challenges[C]//2018 31st International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC). IEEE, 2018: 1-2.
[10] Seshan K. Handbook of thin film deposition techniques principles, methods, equipment and applications, second editon[M]. CRC Press, 2002.P245~250
[12] Allied Market Research：https://www.alliedmarketresearch.com/semiconductor-metrology-and-inspection-market-A31718
[15] 姚丽丽, 史海波, 刘昶. 半导体封装测试生产线排产研究[J]. 自动化学报, 2014, 40(5): 892-900.
[16] 周万成.半导体测试设备选型研究[D].苏州大学,2012.
[19] 彭荣超.晶圆检测设备产业的现状、挑战与发展趋势研究[J].中国设备工程,2023,(07):174-176.
[20] 张倩.关于我国集成电路装备国产化问题的研究[J].电子测量技术,2019,42(02):28-32.
如果你是投资人、创业团队成员或科研工作者，对果壳硬科技组织的闭门会或其它科创服务活动感兴趣，欢迎扫描下方二维码，或在微信公众号后台回复“企业微信”添加我们的活动服务助手，我们将通过该渠道组织活动——
