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半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)詳細(xì)報(bào)告

今日半導(dǎo)體 ? 來(lái)源:馭勢(shì)資本 ? 2024-01-12 09:25 ? 次閱讀

1. 行業(yè)趨勢(shì):半導(dǎo)體周期拐點(diǎn),國(guó)產(chǎn)化替代破繭成蝶

1.1 半導(dǎo)體行業(yè):大周期約十年,需求核心驅(qū)動(dòng)源于技術(shù)發(fā)展

2022年全球半導(dǎo)體行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到5801億美元,達(dá)到歷史新高,過(guò)去十年復(fù)合增長(zhǎng)率7.4%。通過(guò)分析過(guò)去20年的全球半導(dǎo)體銷售額同比增速,發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體行業(yè)大周期約10年,即每10年一個(gè)“M”形波動(dòng),主要原因是一方面受全球GDP增速變化影響,另一方面主要是技術(shù)驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的行業(yè)發(fā)展。2023年上半年全球半導(dǎo)體處于下行周期,但AIGC帶來(lái)的新一輪技術(shù)創(chuàng)新引發(fā)需求大幅提升,行業(yè)有望在2024年迎來(lái)上行周期。

圖:全球半導(dǎo)體呈波動(dòng)性增長(zhǎng),十年一大周期

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資料來(lái)源:集成電路產(chǎn)業(yè)全書(shū),WSTS,iFinD,浙商證券研究所

大周期看技術(shù),小周期看需求。小周期主要是受下游需求周期波動(dòng)影響,從全球半導(dǎo)體銷售額同比來(lái)看,行業(yè)小周期約3年。上一輪周期高點(diǎn)在2021年8月。2023年1月全球半導(dǎo)體銷售額413億美元,同比減少19%。從產(chǎn)業(yè)周期判斷,2023年下半年預(yù)計(jì)迎來(lái)下行周期拐點(diǎn)。2024年,一方面?zhèn)鹘y(tǒng)芯片將進(jìn)入庫(kù)存拐點(diǎn),另一方面AIGC對(duì)算力需求的大幅提升,將帶動(dòng)新興芯片需求的爆發(fā),將加快上行周期的到來(lái)。

圖:全球半導(dǎo)體小周期約3年

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資料來(lái)源:美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì),浙商證券研究所

2012-2022年全球及中國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模年復(fù)合增長(zhǎng)率分別達(dá)11%、27%,中國(guó)市場(chǎng)增速快于全球。中國(guó)大陸是全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)。2022年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)為1076億美元,中國(guó)大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額占全球銷售額26%,達(dá)到283億美元,超出中國(guó)臺(tái)灣(25%)、韓國(guó)(20%)、北美(10%),連續(xù)三年成為全球最大半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)。

圖:中國(guó)在全球設(shè)備市場(chǎng)占比從2006年的6%提升至2022年的26%

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圖:2022年中國(guó)大陸連續(xù)三年成為全球半導(dǎo)體設(shè)備最大市場(chǎng)

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資料來(lái)源:SEMI,日本半導(dǎo)體制造裝置協(xié)會(huì),浙商證券研究所

1.2半導(dǎo)體設(shè)備:芯片制程不斷縮小,帶動(dòng)設(shè)備資本開(kāi)支提升

芯片制程縮小,帶動(dòng)設(shè)備資本開(kāi)支提升,驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模提升。歷史上芯片發(fā)展一直遵循摩爾定律。摩爾定律的核心內(nèi)容是集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每18個(gè)月到24個(gè)月會(huì)增加一倍。摩爾定律核心是經(jīng)濟(jì)定律。隨著芯片制程不斷縮小,摩爾定律逐步失效。2018年,芯片實(shí)際性能與摩爾定律的要求間的差距擴(kuò)大了15倍。隨著摩爾定律的失效,芯片制程縮小帶來(lái)建設(shè)成本急速上升,帶動(dòng)設(shè)備資本開(kāi)支提升。每萬(wàn)片5nm芯片的晶圓廠建設(shè)成本高達(dá)54億美元,是28nm的6倍。

圖:每萬(wàn)片晶圓廠建設(shè)成本(億美元)

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圖:頭部邏輯芯片廠商制程發(fā)展路線圖

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資料來(lái)源:IBS,麥肯錫,IC inghts,浙商證券研究所

全球半導(dǎo)體資本開(kāi)支:IC insights預(yù)計(jì)2022年全球半導(dǎo)體資本開(kāi)支1817億美元,同比增長(zhǎng)19%。內(nèi)存市場(chǎng)疲軟及美國(guó)對(duì)華制裁下,2023年全球半導(dǎo)體設(shè)備資本開(kāi)支預(yù)計(jì)1466億美元,同比下降19%。

周期性分析:從2000年至今全球半導(dǎo)體資本開(kāi)支同比增速來(lái)看,全球半導(dǎo)體資本開(kāi)支約3年一個(gè)周期。2023年處于行業(yè)周期底部,預(yù)計(jì)2024年資本開(kāi)支迎來(lái)反轉(zhuǎn)。

圖:全球半導(dǎo)體行業(yè)資本開(kāi)支

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圖:全球半導(dǎo)體資本開(kāi)支周期波動(dòng),約3年一個(gè)周期

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資料來(lái)源:IC insights,麥肯錫,浙商證券研究所

1.3 半導(dǎo)體設(shè)備:美日荷半導(dǎo)體設(shè)備封鎖,倒逼國(guó)產(chǎn)化率快速提升

2018年以來(lái),美國(guó)對(duì)華半導(dǎo)體管制不斷加碼,從華為、中興、中芯國(guó)際等下游不斷向上游延申。2022年10月7日,美國(guó)BIS對(duì)華進(jìn)行半導(dǎo)體管制,范圍擴(kuò)大至先進(jìn)芯片、設(shè)備、零部件、人員等。美國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備管制范圍:16/14nm以下的先進(jìn)邏輯工藝芯片、128層以上的NAND閃存芯片、18納米半間距或更低的DRAM存儲(chǔ)器芯片所需的制造設(shè)備。

圖:美國(guó)對(duì)華半導(dǎo)體制裁范圍不斷擴(kuò)大,先進(jìn)設(shè)備納入禁止出口范圍

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資料來(lái)源:芯謀研究,浙商證券研究所

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)逆全球化成趨勢(shì),2022年以來(lái)各國(guó)積極制定支持政策扶持本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2023年3月10日,十四屆全國(guó)人大一次會(huì)議決議重組科學(xué)技術(shù)部,組建中央科技委員會(huì),此舉有利于統(tǒng)籌科技創(chuàng)新各方力量,推動(dòng)健全新型舉國(guó)體制、優(yōu)化科技創(chuàng)新全鏈條管理、促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化、促進(jìn)科技和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相結(jié)合。2023年4月6日,全國(guó)集成電路標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)成立,對(duì)推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要作用。

圖:2022年全球各國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)政策

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資料來(lái)源:集微網(wǎng),浙商證券研究所

2. 過(guò)程控制:量測(cè)、檢測(cè)是半導(dǎo)體制造良率的重要保障

過(guò)程控制:半導(dǎo)體晶圓制造過(guò)程中不同工藝之后,往往需要進(jìn)行尺寸測(cè)量、缺陷檢測(cè)等,用于工藝控制、良率管理,要求快速、準(zhǔn)確。尺寸測(cè)量、缺陷檢測(cè)等應(yīng)用于每道制程工藝之后。IC量測(cè)設(shè)備用于工藝控制、良率管理,檢測(cè)要求快速、準(zhǔn)確、非破壞。IC量測(cè)在發(fā)展過(guò)程中,在尺寸微縮、復(fù)雜3D、新型材料方面面臨各類技術(shù)難點(diǎn),面對(duì)諸如存儲(chǔ)、CIS、化合物半導(dǎo)體等不同半導(dǎo)體檢測(cè)等多種需求不斷升級(jí)。IC量測(cè)設(shè)備的技術(shù)類別包括探針顯微鏡、掃描/透射電鏡、光學(xué)顯微鏡、橢偏/散射儀等,技術(shù)發(fā)展方向包括延續(xù)現(xiàn)有的非破壞測(cè)量技術(shù),電鏡方面推進(jìn)并行電子束技術(shù),散射儀向EUV、X射線延伸以縮小波長(zhǎng),并聯(lián)合多種測(cè)量手段和機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)混合測(cè)量等。

過(guò)程控制設(shè)備包括應(yīng)用于工藝過(guò)程中的測(cè)量類設(shè)備(Metrology)和缺陷(含顆粒)檢查類設(shè)備(Inspection)。芯片生產(chǎn)過(guò)程中,在線工藝檢測(cè)設(shè)備要對(duì)經(jīng)過(guò)不同工藝后的晶圓進(jìn)行無(wú)損的定量測(cè)量和檢查,從而保證工藝的關(guān)鍵物理參數(shù)(如薄膜厚度、線寬、溝/孔深度、側(cè)壁角等)滿足要求,同時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷并對(duì)其進(jìn)行分類,剔除不合格的晶圓,避免后續(xù)工藝?yán)速M(fèi)。工藝檢測(cè)設(shè)備的另一個(gè)作用是協(xié)助工藝開(kāi)發(fā)和試生產(chǎn)時(shí)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和光掩模的設(shè)計(jì),優(yōu)化整個(gè)工藝流程,縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,提升成品率并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

半導(dǎo)體量測(cè)Metrology主要包括:

1)套刻對(duì)準(zhǔn)的偏差測(cè)量;

2)薄膜材料的厚度測(cè)量;

3)晶圓在光刻膠曝光顯影后、刻蝕后和CMP工藝后的關(guān)鍵尺寸(CD)測(cè)量;

4)其他:如晶圓厚度,彎曲翹曲(Bow/Warp),1D/2D應(yīng)力stress,晶圓形貌,四點(diǎn)探針測(cè)電阻RS,XPS測(cè)注入含量等,AFM(原子力顯微鏡)/Metal plus(超聲波)測(cè)臺(tái)階高度(Step Height)等。

半導(dǎo)體檢測(cè)Inspection主要包括:

1)無(wú)圖形缺陷檢測(cè),包括顆粒(particle)、殘留物(residue)、刮傷(scratch)、警惕原生凹坑(COP)等;

2)有圖像缺陷檢測(cè),包括斷線(break)、線邊缺陷(bite)、橋接(bridge)、線形變化(Deformation)等;

3)掩模版缺陷檢測(cè),包括顆粒等;

4)缺陷復(fù)檢,針對(duì)檢測(cè)掃出的缺陷(位置,大小,種類),用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡確認(rèn)其存在。

圖: 半導(dǎo)體量測(cè)與檢測(cè)分類

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資料來(lái)源:中科飛測(cè)招股書(shū),方正證券研究所

中道檢測(cè)面向先進(jìn)封裝環(huán)節(jié),主要是芯片倒裝(Flip-Chip)、圓片級(jí)封裝(Wafer-LevelPackage)和硅通孔(ThroughSilicon Via,TSV)等先進(jìn)工藝要求對(duì)凸點(diǎn)(Bump)、通孔(TSV)、銅柱(Copper-Pillar)等的缺損/異物殘留及其形狀、間距、高度的一致性,以及再布線層(Redisriburion Layer,RDL)進(jìn)行無(wú)接觸定量檢查和測(cè)量。后道測(cè)試則主要是利用電學(xué)對(duì)芯片進(jìn)行功能和電參數(shù)測(cè)試,主要包括晶圓測(cè)試和成品測(cè)試兩個(gè)環(huán)節(jié)。

圖: 過(guò)程控制(檢測(cè)、測(cè)量)和ATE(測(cè)試)2021年市場(chǎng)空間

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資料來(lái)源:Gartner,華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院,方正證券研究所

圖: 檢測(cè)缺陷&量測(cè)尺寸

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資料來(lái)源:KLA,方正證券研究所

根據(jù)制造過(guò)程中采用的不同材料和結(jié)構(gòu),工藝檢測(cè)設(shè)備分別采用包括寬波段光譜(紫外到紅外)、電子束、激光和X射線等多種不同技術(shù)。性能指標(biāo)方面,隨著工藝不斷向細(xì)微線寬發(fā)展,器件形態(tài)結(jié)構(gòu)也由二維平面結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,因此對(duì)檢測(cè)設(shè)備的靈敏度、可適用性、穩(wěn)定性及吞吐量等都有更高要求。

圖: 光學(xué)檢測(cè)技術(shù)、電子束檢測(cè)技術(shù)和X 光量測(cè)技術(shù)特征比較

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資料來(lái)源:中科飛測(cè)招股書(shū),方正證券研究所

應(yīng)用光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的設(shè)備可以相對(duì)較好的實(shí)現(xiàn)有高精度和高速度的均衡,并能夠滿足其他技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的功能,如三維形貌測(cè)量、光刻套刻測(cè)量和多層膜厚測(cè)量等應(yīng)用,因此采用占多數(shù)。根據(jù)VLSI Research和QY Research,2020年全球半導(dǎo)體檢測(cè)和量測(cè)設(shè)備市場(chǎng)中,光學(xué)檢測(cè)技術(shù)、電子束檢測(cè)技術(shù)及X光量測(cè)技術(shù)的設(shè)備市場(chǎng)份額占比分別為75.2%、18.7%及2.2%。

圖: 2021年過(guò)程控制分類及市場(chǎng)規(guī)模(億美元)

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資料來(lái)源:Gartner,方正證券研究所

2.1量測(cè)

套刻精度測(cè)量設(shè)備:用于測(cè)量層與層之間的套刻誤差,也就是兩層圖形結(jié)構(gòu)中心的平面距離,主要測(cè)量系統(tǒng)有3種,光學(xué)顯微成像(IBO)系統(tǒng)、光學(xué)衍射(DBO)系統(tǒng)和掃描電鏡(SEM-OL)系統(tǒng)。光學(xué)顯微成像系統(tǒng)最常用,通過(guò)成像的方式計(jì)算套刻誤差;光學(xué)衍射系統(tǒng)采用非成像的方式,通過(guò)光強(qiáng)傳感器測(cè)量衍射射束強(qiáng)度確定套刻誤差,使用的光學(xué)元件較少,常用于先進(jìn)的光刻工藝控制中;掃描電鏡系統(tǒng)主要用于刻蝕后的最終套刻誤差測(cè)量,測(cè)量速度較慢。

套刻精度測(cè)量的對(duì)象是套刻目標(biāo)圖形,這些圖形通常制作在劃片槽區(qū)域,用于成像套刻測(cè)量系統(tǒng)的目標(biāo)圖形通常有(a)塊中塊、(b)條中條和(c)目標(biāo)(AIM)圖形。

圖: 套刻誤差測(cè)量

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圖: 常用的套刻誤差測(cè)量目標(biāo)圖形

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資料來(lái)源:Hitachi High-Tech官網(wǎng),方正證券研究所,《集成電路產(chǎn)業(yè)全書(shū)》,啟閎半導(dǎo)體

常見(jiàn)的光學(xué)套刻設(shè)備是KLA的Archer系列和ASML的YieldStar系列,Archer系列使用IBO和DBO測(cè)量技術(shù),可測(cè)量多種套刻目標(biāo)圖形;YieldStar使用DBO測(cè)量技術(shù);Hitachi的CD-SEM CV系列使用高壓加速掃描電子顯微鏡(SEM-OL)。

薄膜厚度測(cè)量:晶圓在進(jìn)行多次各種材質(zhì)的薄膜沉積后,需要對(duì)薄膜厚度和其他參數(shù)性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷,以確保產(chǎn)品滿足性能設(shè)計(jì)要求。測(cè)量薄膜厚度的方法很多,傳統(tǒng)的方法主要是通過(guò)臺(tái)階儀直接測(cè)量,但是這種方法對(duì)薄膜本身破壞較大,同時(shí)測(cè)量結(jié)果受儀器精度的影響較大,因此精確測(cè)量成本較高。目前應(yīng)用較普遍的方法主要有非光學(xué)方法和光學(xué)方法兩大類,非光學(xué)方法只能用于薄膜厚度的測(cè)量,主要包括四探針?lè)?、渦流法、電容法、電磁等,其中四探針?lè)ê蜏u流法為較多應(yīng)用的方法;利用光學(xué)原理測(cè)量薄膜厚度的方法主要有棱鏡耦合導(dǎo)模法、光切法、多光束干涉法、分光光度測(cè)量法、橢圓偏振法等。其中橢圓偏振法應(yīng)用最為廣泛,并且能同時(shí)測(cè)量薄膜的光學(xué)參數(shù)。

圖: 薄膜測(cè)量方法

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資料來(lái)源:《基于橢圓偏振法的薄膜厚度測(cè)量》,方正證券研究所

四探針?lè)ǎ?PP)是指用四個(gè)等距的金屬探針接觸薄膜材料表面,外圍兩探針通直流電流,中間兩根探針接電位差計(jì)測(cè)量電壓降,基于所測(cè)的電壓和電流得出具體位置的電阻,薄膜厚度由薄膜材料電阻率除以所得電阻得到,一般通過(guò)軟件計(jì)算得出。渦流法(EC)是指通過(guò)線圈的時(shí)變電流在導(dǎo)電層中產(chǎn)生時(shí)變的渦流。這些時(shí)變的渦流反過(guò)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng),改變驅(qū)動(dòng)線圈的阻抗,該阻抗與薄膜材料的電阻成反比,同樣通過(guò)換算可以得出薄膜厚度參數(shù)。

圖: 四探針?lè)?/strong>

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圖: 渦流法

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資料來(lái)源:KLA,方正證券研究所資料

橢圓偏振法基本原理為:將一束橢圓偏振光按照一定的入射角照射到樣品上,已知入射光的偏振態(tài),可根據(jù)偏振態(tài)的改變來(lái)確定薄膜材料的具體結(jié)構(gòu),得到其厚度和光學(xué)參數(shù)信息(如復(fù)折射率、厚度或復(fù)介電常數(shù)等)。

圖: 橢圓偏振法原理圖

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資料來(lái)源:Wikimedia,方正證券研究所

目前非光學(xué)測(cè)量薄膜膜厚產(chǎn)品主要有科磊的Filmetrics R50系列,光學(xué)測(cè)量薄膜膜厚產(chǎn)品主要有包括科磊的Aleris系列和SpectraFilm系列。國(guó)內(nèi)光學(xué)測(cè)量薄膜膜厚產(chǎn)品有上海精測(cè)的EFILM系列。

關(guān)鍵尺寸測(cè)量設(shè)備:主要用于芯片生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵尺寸(CD)、高度、側(cè)壁角的在線測(cè)量和關(guān)鍵設(shè)備(光刻機(jī)、涂膠顯影設(shè)備等)的性能監(jiān)控。其中關(guān)鍵尺寸測(cè)量主要用于顯影后檢查(ADI:After Development Inspection)和刻蝕后檢查(AEI:After Etch Inspection)。目前主要依靠光學(xué)散射儀的非成像式測(cè)量技術(shù),光學(xué)散射儀又稱為光學(xué)關(guān)鍵尺寸測(cè)量?jī)x(OCD),其原理是通過(guò)測(cè)量樣品的散射信息,求解逆散射問(wèn)題來(lái)重構(gòu)待測(cè)樣品的三維形貌。

圖: 光學(xué)散射測(cè)量基本流程

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資料來(lái)源:《集成電路制造在線光學(xué)測(cè)量檢測(cè)技術(shù):現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)》,方正證券研究所

OCD測(cè)量的基本流程主要包括正問(wèn)題和反問(wèn)題兩個(gè)重要步驟,正問(wèn)題是通過(guò)一定的散射測(cè)量裝置獲得待測(cè)樣品結(jié)構(gòu)的散射信息,需要解決的是儀器測(cè)量問(wèn)題,反問(wèn)題是需要從測(cè)量得到的散射數(shù)據(jù)中提取待測(cè)樣品的三維形貌參數(shù),需要解決的是構(gòu)建光與待測(cè)樣品結(jié)構(gòu)間相互作用的正向散射模型并選擇合適的求解算法

測(cè)量?jī)x器:目前主要使用的光學(xué)散射裝置可以分為角分辨散射儀和光譜散射儀。角分辨散射儀的優(yōu)點(diǎn)在于由于采用單一波長(zhǎng),在數(shù)據(jù)分析時(shí)不需要對(duì)樣品材料的介電函數(shù)進(jìn)行假設(shè);此外可以相對(duì)容易擴(kuò)展到較短的波長(zhǎng)范圍,如EUV和X射線。其劣勢(shì)在于其中包含移動(dòng)組件,限制了測(cè)量速度。光譜散射儀的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量速度非???,目前常用的一種基于光譜橢偏儀(SE)的散射儀,其可以達(dá)到很高的垂直分辨率,相對(duì)于角分辨散射儀,可以獲得更多的測(cè)量信息。其劣勢(shì)在于,為了精確測(cè)量,尤其是在橢偏散射測(cè)量中,需要精確的校準(zhǔn),并需要預(yù)先確定樣品材料在較寬光譜范圍內(nèi)的光學(xué)常數(shù)。實(shí)際使用中,為了提高測(cè)量靈敏度,通常將兩種散射測(cè)量方式相結(jié)合。

圖: 不同光學(xué)散射測(cè)量裝置示意圖注:(a)(b)角分辨散射儀;(c)(d)光譜散射儀

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資料來(lái)源:《集成電路制造在線光學(xué)測(cè)量檢測(cè)技術(shù):現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)》,方正證券研究所

構(gòu)建正向散射模型并選擇求解算法:在光學(xué)散射測(cè)量中,從散射測(cè)量數(shù)據(jù)中提取出待測(cè)樣品三維形貌參數(shù)的本質(zhì)上是逆散射問(wèn)題的求解過(guò)程。目前主要有兩種求解方法,分別是庫(kù)匹配法和非線性回歸法。庫(kù)匹配的參數(shù)提取過(guò)程中,是事先建立散射仿真數(shù)據(jù)庫(kù),然后將測(cè)量數(shù)據(jù)跟仿真數(shù)據(jù)比較,得到最佳匹配測(cè)試數(shù)據(jù)的仿真數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的待測(cè)參數(shù)值。非線性回歸法是不斷調(diào)整輸入?yún)?shù),使得測(cè)量數(shù)據(jù)與正向散射模型計(jì)算出來(lái)的仿真數(shù)據(jù)差異降至允許范圍內(nèi)。庫(kù)匹配法的優(yōu)勢(shì)在于可以快速提取待測(cè)參數(shù),但是需要事先建立并存儲(chǔ)龐大的仿真數(shù)據(jù)庫(kù),且準(zhǔn)確度受數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)格間距的限制。非線性回歸法的優(yōu)勢(shì)是不需要建立仿真數(shù)據(jù)庫(kù),且可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果,但是由于每次迭代都要調(diào)用正向散射模型來(lái)計(jì)算仿真數(shù)據(jù),因此非常耗時(shí)。

除了OCD之外,原子力顯微鏡(AFM)和掃描電鏡(SEM)也是微納米線間距尺寸測(cè)量類儀器應(yīng)用最廣泛的兩類。二者所獲得圖像的橫向分辨力相近。AFM得到被測(cè)產(chǎn)品表面的形貌結(jié)構(gòu)圖像,是真正的三維圖像,并能測(cè)量樣品的三維信息。SEM只能提供二維圖像,但其圖像有很大的景深,視野較大。關(guān)鍵尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)是具有自動(dòng)定位并測(cè)量線條功能的掃描電鏡,廣泛用于半導(dǎo)體產(chǎn)線線寬的監(jiān)控。

電子行業(yè)專題報(bào)告15敬請(qǐng)關(guān)注文后特別聲明與免責(zé)條款s掃描電子顯微鏡是利用材料表面特征的差異,在電子束作用下通過(guò)試樣不同區(qū)域產(chǎn)生不同的亮度差異,從而獲得具有一定襯度的圖像。成像信號(hào)是二次電子、背散射電子或吸收電子,其中二次電子是最主要的成像信號(hào)。高能電子束轟擊樣品表面,激發(fā)出樣品表面的各種物理信號(hào),再利用不同的信號(hào)探測(cè)器接受物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像信息。

圖: 電子束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信息

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圖: 掃描電鏡原理圖

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資料來(lái)源:《SEM在半導(dǎo)體工藝研究中的應(yīng)用實(shí)例》,方正證券研究所資料來(lái)源:鑠思百檢測(cè),方正證券研究所

算法:CD-SEM 獲得測(cè)量圖形的影像后.CD-SEM進(jìn)行測(cè)量并將數(shù)據(jù)上傳。CD-SEM在測(cè)量算法上需要不斷優(yōu)化和提高,以使測(cè)量結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確反映樣品的性能。例如,推出新的測(cè)量方式,包括邊緣粗糙度(Edge Roughness間隙(Gap)、扭曲度(Wiggling)、疊對(duì)(Overlay)、圖形重心(Center Gravity)等,此外還需要不斷提高測(cè)量可靠性,以及對(duì)產(chǎn)品工藝波動(dòng)的敏感度。

圖: SEM圖像

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圖: 將SEM圖像做成Line Profile計(jì)算出測(cè)定值

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資料來(lái)源:Hitachi High-Tech官網(wǎng),方正證券研究所

2.2檢測(cè)

圖形晶圓缺陷檢測(cè):光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備是通過(guò)高精度光學(xué)檢測(cè)技術(shù),對(duì)晶圓上的缺陷和污染進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別,向晶圓廠提供不同生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)中晶圓的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題,并確認(rèn)工藝設(shè)備的運(yùn)行情況是否正常,從而提高良率,節(jié)約成本。光學(xué)檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)從深紫外到可見(jiàn)光波段的寬光譜照明或者深紫外單波長(zhǎng)高功率的激光照明,以高分辨率大成像視野的光學(xué)明場(chǎng)或暗場(chǎng)的成像方法,獲取晶圓表面電路的圖案圖像,實(shí)時(shí)地進(jìn)行電路圖案的對(duì)準(zhǔn)、降噪和分析,以及缺陷的識(shí)別和分類,實(shí)現(xiàn)晶圓表面圖形缺陷的捕捉。

光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備分為明場(chǎng)和暗場(chǎng)兩大類別,兩者的主要區(qū)別是:明場(chǎng)設(shè)備是收集晶圓表面垂直反射的光信號(hào)來(lái)分析缺陷,而暗場(chǎng)設(shè)備是收集晶圓表面散射回來(lái)的光信號(hào)來(lái)分析。如果晶圓表面是平整沒(méi)有缺陷的,則明場(chǎng)設(shè)備反射回來(lái)的光是相對(duì)比較完整的入射光,而暗場(chǎng)設(shè)備的入射光則被全反射,其接收到的是散射光信號(hào)。

隨著設(shè)備行業(yè)不斷發(fā)展,明場(chǎng)與暗場(chǎng)的定義也在變化,現(xiàn)在明場(chǎng)一般指的照明光路和采集光路在臨近晶圓段共用同一個(gè)顯微物鏡,而暗場(chǎng)指照明光路和采集光路在物理空間上是完全分離的。因?yàn)榇怪狈瓷浜蜕⑸涔庑盘?hào)的差別,明場(chǎng)設(shè)備的檢測(cè)靈敏度比暗場(chǎng)設(shè)備的高,但明場(chǎng)設(shè)備掃描速度也較慢。

圖表23:明場(chǎng)和暗場(chǎng)光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備

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資料來(lái)源:《28納米關(guān)鍵工藝缺陷檢測(cè)與良率提升》,方正證券研究所

明場(chǎng)光學(xué)圖形圓片缺陷檢測(cè)設(shè)備發(fā)展趨勢(shì):更亮的光源照明、更寬的光譜范圍、更高的呈現(xiàn)分辨率、更大數(shù)值孔徑、更大成像視野等。傳統(tǒng)光源以氙燈或汞放電燈,到目前的激光持續(xù)放電燈。光源波長(zhǎng)范圍為180~650nm,光學(xué)系統(tǒng)以透鏡為主,為了在寬光譜波長(zhǎng)范圍中達(dá)到更好的光學(xué)分辨率,會(huì)加入多層反射鏡片降低色差。針對(duì)不同類型的晶圓,明場(chǎng)光學(xué)圖形晶圓缺陷檢測(cè)可以使用不同的配置,即不同光學(xué)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的組合,當(dāng)前的設(shè)備的配置數(shù)量超過(guò)一萬(wàn)種。當(dāng)前市場(chǎng)上的主流設(shè)備是KLA的39xx系列、29xx系列和應(yīng)用材料的UVision系列。

電子束圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備。隨著半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步和先進(jìn)工藝對(duì)缺陷容忍度降低,與普通光學(xué)明場(chǎng)和暗場(chǎng)晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備相比,電子束圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備對(duì)圖形的物理缺陷(顆粒、突起、橋接、空穴等)具有更高的分辨率,以及特有的通過(guò)電壓襯度檢測(cè)隱藏缺陷的能力。由于具有可以通過(guò)電壓襯度成像檢測(cè)到光學(xué)顯微鏡下不可見(jiàn)的缺陷等優(yōu)勢(shì),逐步發(fā)揮越來(lái)越大的作用,成為光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的有力補(bǔ)充。

電子束圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備是一種利用掃描電子顯微鏡在前道工序中對(duì)集成電路晶圓上的刻蝕圖形直接進(jìn)行缺陷檢測(cè)的工藝檢測(cè)設(shè)備。其核心是掃描電子顯微鏡,通過(guò)聚焦電子束對(duì)晶圓表面進(jìn)行掃描,接受反射回來(lái)的二次電子和背散射電子,將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的晶圓表面形貌的灰度圖像。通過(guò)比對(duì)晶圓上不同芯片同一位置的圖像,或者通過(guò)圖像和芯片設(shè)計(jì)圖形的直接比對(duì),可以找出刻蝕或設(shè)計(jì)上的缺陷。其性能強(qiáng)調(diào)具有更高的掃描和圖像采集速率、更大的掃描場(chǎng)、高速的樣品運(yùn)動(dòng)定位能力以及在低入射電壓下的圖像質(zhì)量。

與光學(xué)缺陷檢測(cè)設(shè)備相比,雖然電子束檢測(cè)設(shè)備在性能上占優(yōu),但因逐點(diǎn)掃描的方式導(dǎo)致其檢測(cè)速度太慢,不能滿足晶圓廠對(duì)吞吐能力的需求,無(wú)法大規(guī)模替代光學(xué)設(shè)備承擔(dān)在線檢測(cè)任務(wù),目前主要用于先進(jìn)工藝的開(kāi)發(fā),工作模式主要為抽樣檢測(cè)。當(dāng)前市場(chǎng)上的主流供應(yīng)商是ASML(收購(gòu)漢民微測(cè)科技)和應(yīng)用材料。

圖: ASML HMI系列電子束圖形晶圓缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

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資料來(lái)源:ASML官網(wǎng),方正證券研究所

無(wú)圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備:其作用是檢測(cè)裸晶圓缺陷,為后續(xù)圖形化檢測(cè)打下基礎(chǔ)。無(wú)圖形晶圓表面檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)的缺陷類型包括顆粒污染、凹坑、水印、劃傷、淺坑、外延堆垛、CMP突起、晶坑、滑移線等,應(yīng)用領(lǐng)域主要有三類:

(1)芯片制造:主要包括來(lái)料品質(zhì)檢測(cè)、工藝控制、晶圓背面污染檢測(cè)、設(shè)備潔凈度監(jiān)測(cè)等;

(2)硅片制造:主要包括工藝研發(fā)中的缺陷檢測(cè)、硅片出廠前的終檢流程;

(3)半導(dǎo)體設(shè)備制造:主要包括工藝研發(fā)中的缺陷檢測(cè)、設(shè)備的工藝品質(zhì)評(píng)估(顆粒、金屬污染)等。

檢測(cè)過(guò)程:無(wú)圖形晶圓缺陷檢測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)圖形晶圓表面的缺陷計(jì)數(shù)、識(shí)別缺陷的類型和空間分布。通過(guò)將單波長(zhǎng)光束照明到晶圓表面,利用大采集角度的光學(xué)系統(tǒng),收集在高速移動(dòng)中的晶圓表面上存在的缺陷散射光信號(hào)。通過(guò)多維度的光學(xué)模式和多通道的信號(hào)采集,實(shí)時(shí)識(shí)別晶圓表面缺陷、判別缺陷的種類,并報(bào)告缺陷的位置。

圖: 無(wú)圖形晶圓缺陷檢測(cè)過(guò)程

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資料來(lái)源:Hitachi High-Tech官網(wǎng),方正證券研究所

暗場(chǎng)無(wú)圖形檢測(cè):光學(xué)缺陷檢測(cè)中,暗場(chǎng)散射技術(shù)通常用于晶圓等精密元件的表面缺陷檢測(cè),具有非接觸、非破壞、靈敏度高以及檢測(cè)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),相比于明場(chǎng)檢測(cè),暗場(chǎng)檢測(cè)檢測(cè)速度更快,更適用于高頻的三維形貌,并能檢測(cè)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)分辨率和光學(xué)尺寸的缺陷,因此尤其適用于無(wú)圖形晶圓缺陷檢測(cè)。

圖: 典型暗場(chǎng)散射示意圖和不同缺陷散射示意圖

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資料來(lái)源:《基于暗場(chǎng)散射的無(wú)圖形晶圓表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)研制》,方正證券研究所

最小靈敏度和吞吐量是關(guān)鍵指標(biāo)。最小靈敏度表示設(shè)備能夠檢測(cè)到晶圓表面最小顆粒缺陷的直徑,該指標(biāo)的數(shù)值越小,表明設(shè)備能夠檢測(cè)到晶圓表面更小尺寸的缺陷;吞吐量表示該設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)的晶圓數(shù)量,該指標(biāo)的數(shù)值越大,表明設(shè)備的檢測(cè)速度越快。

3. 量測(cè)檢測(cè)持續(xù)升級(jí),是前道設(shè)備主賽道之一

2024年全球晶圓廠設(shè)備開(kāi)支有望恢復(fù)至970億美金。根據(jù)SEMI最新全球半導(dǎo)體設(shè)備預(yù)測(cè)報(bào)告,2023年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2022年創(chuàng)新高的1074億美金同比下降18.6%至874億美金,隨后在2024年恢復(fù)至1000億美元以上的市場(chǎng)規(guī)模。2023年市場(chǎng)規(guī)模的下降主要是芯片需求疲軟及消費(fèi)及移動(dòng)終端產(chǎn)品庫(kù)存增加。2024年市場(chǎng)需求的回暖主要得益于半導(dǎo)體庫(kù)存修正結(jié)束以及高性能計(jì)算(HPC)和汽車領(lǐng)域半導(dǎo)體需求增長(zhǎng)。

前道設(shè)備仍是行業(yè)主要反彈驅(qū)動(dòng)力。分設(shè)備所處環(huán)節(jié)來(lái)看,2023年晶圓廠設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將同比下降18.8%至764億美金,同時(shí)也將是2024年總體設(shè)備市場(chǎng)重返1000億美金最主要的推動(dòng)力,預(yù)計(jì)屆時(shí)晶圓廠設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到878億美金。后道設(shè)備市場(chǎng)方面,由于宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境面臨挑戰(zhàn),同時(shí)半導(dǎo)體行業(yè)整體需求疲軟,2023年半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)同比下降15%至64億美金(2024年預(yù)計(jì)同比增長(zhǎng)7.9%),封裝設(shè)備預(yù)計(jì)同比下降20.5%至46億美金(2024年預(yù)計(jì)同比增長(zhǎng)16.4%)。

先進(jìn)制程設(shè)備需求較穩(wěn)定,存儲(chǔ)用設(shè)備市場(chǎng)波動(dòng)劇烈。在晶圓制造設(shè)備中,分應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看,2023年代工和邏輯廠所用設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)同比下降6%至501億美金,仍然是半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)占比最高的應(yīng)用領(lǐng)域,2023年先進(jìn)制程設(shè)備需求維持平穩(wěn),成熟節(jié)點(diǎn)的設(shè)備需求略有下降,預(yù)計(jì)2024年這一領(lǐng)域的投資規(guī)模將增長(zhǎng)3%。由于消費(fèi)和企業(yè)市場(chǎng)需求同時(shí)疲軟,2023年DRAM設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)收縮28.8%至88億美金,但隨著市場(chǎng)逐步修復(fù),SEMI預(yù)計(jì)2024年這一市場(chǎng)將增長(zhǎng)31%至116億美金。2023年NAND設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)將大幅收縮51%至84億美金,同時(shí)2024年亦將同比強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)59%至133億美金。

圖:全球半導(dǎo)體設(shè)備分環(huán)節(jié)市場(chǎng)規(guī)模(億美金)

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圖: 全球晶圓制造設(shè)備分應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模(十億美金)

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資料來(lái)源:SEMI,方正證券研究所

中國(guó)大陸引領(lǐng)2024年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)。分地域來(lái)看,中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣省、韓國(guó)主導(dǎo)全球設(shè)備市場(chǎng)。其中SEMI預(yù)計(jì)中國(guó)大陸將在2024年引領(lǐng)全球市場(chǎng)規(guī)模,同時(shí)我們也看到近年來(lái)中國(guó)大陸在全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)份額呈上升趨勢(shì),大陸設(shè)備市場(chǎng)重要性日益提升。

圖: 中國(guó)大陸設(shè)備市場(chǎng)重要性日益提升(左軸:十億美金)

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資料來(lái)源:Wind,方正證券研究所

半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)呈現(xiàn)明顯的周期性,受下游廠商資本開(kāi)支節(jié)奏變化較為明顯。2017年,存儲(chǔ)廠商的大幅資本開(kāi)支推動(dòng)半導(dǎo)體設(shè)備迎來(lái)巨大需求,且這一勢(shì)頭一直延續(xù)到2018年上半年。但隨后產(chǎn)能過(guò)剩致使存儲(chǔ)價(jià)格走低,導(dǎo)致DRAM和NAND廠商紛紛推遲設(shè)備訂單。存儲(chǔ)產(chǎn)能過(guò)剩一直持續(xù)到2019年上半年,同時(shí)上半年整體半導(dǎo)體行業(yè)景氣度不佳,雖然下半年隨著行業(yè)景氣度恢復(fù),以臺(tái)積電為代表的晶圓廠陸續(xù)調(diào)高資本開(kāi)支大幅擴(kuò)產(chǎn),2019年全年半導(dǎo)體設(shè)備需求同比仍回落約2%。2020年全球各地先后受疫情影響,但存儲(chǔ)行業(yè)資本支出修復(fù)、先進(jìn)制程投資疊加數(shù)字化、5G帶來(lái)的下游各領(lǐng)域強(qiáng)勁需求,全年設(shè)備市場(chǎng)同比增長(zhǎng)19%。伴隨半導(dǎo)體廠商新一輪資本開(kāi)支開(kāi)啟,2021年全球設(shè)備市場(chǎng)繼續(xù)大幅增長(zhǎng)44%。當(dāng)前海外設(shè)備龍頭應(yīng)用材料、泛林集團(tuán)等均預(yù)計(jì)2022年全球設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步增長(zhǎng)。

圖: 半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)增速周期性

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資料來(lái)源:Wind,方正證券研究所

過(guò)程控制全球半導(dǎo)體設(shè)備總市場(chǎng)占比約10.5%,持續(xù)有升級(jí)需求。2021年全球過(guò)程控制設(shè)備市場(chǎng)空間約104億美元,其中光刻相關(guān)(套刻誤差量測(cè)、掩膜板測(cè)量及檢測(cè)等)相關(guān)需求約28億美元、缺陷檢測(cè)需求約58億美元、膜厚測(cè)量需求約17億美元。過(guò)程控制市場(chǎng)中在全球半導(dǎo)體設(shè)備總市場(chǎng)(包括晶圓制造和封裝測(cè)試設(shè)備)占比約10.5%,相對(duì)穩(wěn)定,隨著制程微縮、3D堆疊推進(jìn),晶圓制造對(duì)于量測(cè)、檢測(cè)需求不斷增加,精度要求也不斷提高,過(guò)程控制設(shè)備持續(xù)有升級(jí)需求。

圖: 全球過(guò)程控制市場(chǎng)(億美金)

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資料來(lái)源:VLSI,中科飛測(cè)招股書(shū),Gartner,Wind,方正證券研究所

審核編輯:黃飛

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原文標(biāo)題:半導(dǎo)體設(shè)備分類,趨勢(shì),科普!

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