半导体量检测：检测类型、市场空间与国产化进展

在现代半导体制造体系中，量检测（Metrology & Inspection） 是连接工艺、设备与良率的关键环节。它贯穿前道晶圆加工、后道封测以及失效分析全流程， 通过对关键尺寸、形貌、缺陷和材料特性的量化测量，为工艺优化和质量管控提供依据。

一、半导体量检测与芯片良率

半导体检测大体可分为前道量检测、后道检测和实验室检测三个环节， 各自承担不同的检测任务，但共同指向同一目标：保障芯片产品的质量与可靠性。

（1）前道量检测：主要发生在晶圆加工环节，核心任务是实时监控晶圆的加工质量。 当前，前道量检测主要依托厂内产线的在线监控系统，结合量测与缺陷检测设备， 通过对关键工艺参数与结构尺寸的持续监控，及时发现并处理工艺异常， 确保晶圆加工过程的稳定性和一致性。

（2）后道检测：主要针对晶圆加工完毕后的芯片， 包括电性测试和功能性测试。此阶段的目标，是确保芯片性能满足设计指标。 当前后道检测主要有两种形式：其一是交由第三方测试机构完成， 其二是依托厂内产线的在线测试平台进行实时监控，从而在大批量生产中持续把关。

（3）实验室检测：更侧重于失效样品的深度分析。 当产品在应用端或可靠性测试中出现问题时，实验室检测会对其进行缺陷定位和失效机理分析， 找出问题根源。目前实验室检测既包括第三方实验室， 也包括厂内自建实验室。 前者具备较强的中立性和专业性，有利于提升检测结果的公信力； 后者则便于快速响应与持续改进工艺。

二、晶圆缺陷类型与质量控制

在晶圆制造的全过程中，质量控制是确保芯片生产良率的核心。 从硅片与化合物衬底材料的选择，到最终芯片封装，每一个环节都需要严格的质量监控。

（1）根据 Kaempf 的分类标准，晶圆缺陷可分为随机缺陷和系统缺陷： 随机缺陷通常由晶圆表面的微小颗粒等随机事件产生，在晶圆上的空间分布不可预测， 往往影响局部芯片，但不会对整片晶圆形成系统性模式； 系统缺陷则源自光刻掩膜、曝光工艺或工艺条件偏差， 通常会在不同芯片的相同位置重复出现，对整批晶圆的良率影响更大。

（2）从表征角度看，晶圆缺陷还可分为形貌缺陷、污染物缺陷和晶体缺陷： 形貌缺陷包括表面粗糙、凹坑等形态异常； 污染物缺陷涵盖有机 / 无机分子层污染以及离子、重金属等原子级杂质； 晶体缺陷则与硅或其他原子的失位、错位和不当掺杂相关， 直接影响材料的半导体特性。

通过对缺陷类型与分布特征的精确识别与分析，工厂可以建立针对性的质量控制策略， 从源头降低缺陷密度，从而有效提升晶圆制造良率。

三、检测类型与应用场景

（1）光学检测技术： 以快速、非接触为优势，在半导体行业中占据主导地位。 该类技术通过分析反射、散射、干涉等光信号获取检测结果， 适合集成到产线，易于实现高通量在线监控。 据中科飞测招股书数据，光学检测速度可比电子束技术快逾 1000 倍，适用于 28nm 及以下先进制程， 2020 年全球光学检测市场规模约为 57.5 亿美元， 在量检测设备市场中的份额约为 75.2%。

然而，传统光学检测基于瑞利散射原理， 在极小尺寸缺陷的灵敏度上受到物理极限制约； 同时检测结果中往往含有大量“噪声缺陷”（非致命缺陷）， 对真实致命缺陷的识别带来挑战。 因此，业界正通过多波段光学、深度学习算法等路径不断提升检测能力。

（2）电子束检测技术： 以高分辨率著称，通过聚焦电子束逐点扫描晶圆表面获得图像。 由于电子束的波长远短于可见光，其在测量精度上明显优于光学技术， 特别适合用于关键节点的高精度缺陷分析和工艺开发。

但电子束检测存在两大问题：测量速度较慢且 设备成本高昂。同时，电子束成像主要依赖二次电子信号， 对三维形貌信息的区分能力有限，不适合大规模三维形貌量测、 套刻量测和多层膜厚量测等场景，这些场景仍更多依赖光学量测方案。 2020 年全球电子束检测技术市场规模约为 14.3 亿美元，在量检测设备市场中的份额约为 18.7%。

（3）暗场光学检测： 是无图形晶圆检测的关键技术。无图形缺陷检测设备主要针对表面未刻蚀的晶圆， 能识别颗粒污染、凹坑、水印、划伤、浅坑、外延堆垛、CMP 突起等多类缺陷。 其应用包括：

· 圆片制造：工艺研发中的缺陷检测、圆片出厂前最终检验；
· 芯片制造：来料品质检测、薄膜沉积与 CMP 工艺控制、圆片背面污染检测、 设备洁净度监测；
· 设备制造：工艺研发和设备工艺品质评估。

对于未经处理的裸晶圆，颗粒和划痕是最常见缺陷， 它们在高频散射分量上信号突出，因此暗场显微镜 等光学检测方案成为重要工具。

（4）有图形检测： 则主要依托明场光学技术。有图形缺陷检测设备面向已完成图形加工的集成电路结构， 检测对象不仅包括纳米颗粒、凹陷、突起、划伤、断线、桥接等表面缺陷， 还涉及空洞、材料成分不均匀等亚表面 / 内部缺陷。

随着图形复杂度和材料多样性的提升，有图形缺陷检测愈发依赖 高精度光学平台、精细建模方法以及图像后处理算法， 检测系统事实上已经演变为“设备 + 算法 + 数据平台”的综合解决方案。

四、量检测设备市场空间

在晶圆厂资本支出结构中，前道制造设备通常占比约 80%，而用于质量控制的量检测设备， 约占前道制造设备支出的 10% 左右。 这意味着在每一轮扩产和新线建设中，量检测都是不可忽略的大类投资。

根据 VLSI Research 与 QYResearch 的统计，全球半导体检测与量测设备市场 在 2020–2022 年间快速增长，市场规模分别为 76.5 亿美元、105.1 亿美元和 126.3 亿美元， 复合年增长率（CAGR）达到 28.49%。 其中，中国大陆市场 2020 年规模约为 21 亿美元， 占全球的 27.45%。

随着成熟工艺扩产和新兴应用（车用、数据中心、工业及 AI）的拉动， 量检测设备市场有望在未来数年持续保持较高景气度。

五、国际量测设备格局：KLA 与 ASML 为代表

（1）从全球市场集中度看，半导体量检测设备行业集中度较高。 2020 年前五大厂商的市场份额之和（CR5）达到82%， 且前五企业均来自美国和日本。 其中，KLA 以丰富全面的前道检测产品线占据明显领先地位， 市场份额约为51%，在光学检测与量测领域长期扮演“行业标准制定者”的角色。

（2）ASML 凭借其在 EUV 光刻机市场的垄断优势，在电子束检测设备领域也占据强势地位。 ASML 的量检测产品分为光学与电子束两大类。 通过 2016 年对 HMI 的收购，ASML 成功切入电子束检测市场， 先后推出 HMI eP5、HMI eScan 600 等产品。

2020 年，ASML 推出了全球首台多电子束晶圆缺陷检测设备 HMI eScan 1000（9 束电子束）， 主要面向 3nm 研发应用，其吞吐量较单束设备提升约 6 倍。 借助“光刻 + 量检测”捆绑优势，ASML 在先进制程产线中形成了较强的系统级竞争力。

六、国产化进展：前道量检测与明场检测设备

近年来，我国在半导体量检测设备领域的国产化率稳步提升。 虽然主导地位仍掌握在国际巨头手中，但本土厂商正通过技术积累与场景深耕逐步“破圈”。 VLSI 数据显示，2020 年 KLA 在中国市场的占有率高达 54.8%， 但国内厂商的份额正从低个位数向更高水平迈进。

在本土供应商中，上海精测、中科飞测、上海睿励等企业逐渐崭露头角。 2022 年三者营业收入分别为 1.65 亿元、5.09 亿元和 0.72 亿元。 2018–2022 年间，它们在国内市场合计份额从 0.67% 提升至 3.17%，体现了国产化率的整体上升趋势。

（1）在前道量检测与自动检测领域，上海精测与 武汉精鸿分别承担前道量检测和自动测试两大板块。 两者同为精测电子旗下核心子公司， 业务覆盖显示面板检测、半导体检测和新能源检测。

上海精测成立于 2018 年 7 月，获得“大基金”等专业机构投资， 专注于半导体前道检测设备研发。 其子公司上海精积微在明场晶圆有图形缺陷检测设备方面取得显著进展， 武汉颐光则聚焦高端光谱椭偏仪。

武汉精鸿则聚焦自动化测试设备（ATE）， 尤其在存储芯片测试设备领域布局深厚， 为国产存储产业提供了重要的测试支撑。

（2）睿励仪器长期专注前道量检测设备， 自 2005 年成立以来，成为少数能够进入国际先进 12 英寸生产线的国产设备商之一， 也是唯一被韩国头部芯片厂采用的国产 IC 设备供应商。

其产品包括光学膜厚测量设备、光学缺陷检测设备和硅片厚度 / 翘曲测量设备等。 自研的 12 英寸光学测量设备 TFX300 系列已应用于 65/55/40/28nm 生产线， 正在向 14nm 工艺验证推进；在 3D NAND 产线方面， 已支持 64 层量产，并在验证 96 层 3D NAND 的量测性能。

（3）在明场检测设备方面，天准科技依托视觉装备能力， 通过收购德国 MueTec 并联合设立苏州矽行半导体， 加速切入半导体前道微观缺陷检测领域。 2023 年 8 月，苏州矽行首台前道微观缺陷明场检测设备 TB1000 顺利交付客户试用， 标志着国产明场检测设备在高端产线的又一突破。

综合来看，国际巨头仍在高端量检测市场占据主导， 但在成熟工艺、特定细分场景以及本土服务响应方面， 国产设备已经开始形成差异化优势， “国际 + 国产”并存的格局正在加速演进。

结语：量检测是质量工程的“操作系统”

无论是前道工艺窗口优化，还是后道可靠性保障， 量检测与缺陷检测都已成为晶圆厂的“基础设施”之一。 随着全球市场复苏、国内晶圆厂扩产以及国产设备技术迭代， 量检测领域既是国际技术竞争的主战场，也是国产化突破的关键赛道。

鉴微半导体将持续关注光学检测、电子束辅助分析以及 AI 算法驱动的智能量测， 在「设备 + 算法 + 数据平台」一体化方向上不断迭代产品与方案， 为国内外晶圆制造与功率器件客户提供更加完备的质量基础设施。

（部分资料参考自 腾讯新闻相关报道 ）