不久前的 1 月 20 日，全球光刻機龍頭 ASML 正式交付了一臺晶圓量測設(shè)備 YieldStar 385。相比于售價動輒過億美元的光刻機，這臺新設(shè)備并未引起過多關(guān)注。
但實際上，在量測設(shè)備領(lǐng)域，ASML 已投入了十年的研發(fā)。而 ASML 最新推出的 YieldStar 385 設(shè)備，可用于最領(lǐng)先的 3nm 制程產(chǎn)線。
那么，這種得到全球光刻王者青睞的量測設(shè)備到底是什么？
在芯片制造全程中，晶圓廠需要在刻蝕、光刻等每一個步驟結(jié)束后，對晶圓進行檢測，以確認加工參數(shù)達到設(shè)計要求、排除晶圓表面缺陷，從而保證良率和控制成本。
這種貫穿芯片制造全程的檢測工藝，就被稱為 “前道量測”，又稱 “過程工藝檢測”。
據(jù) SEMI 和申港證券研究所統(tǒng)計，前道量測設(shè)備（工藝控制檢測設(shè)備）的價值，占到晶圓廠制造設(shè)備總額的 10%。
▲前道檢測設(shè)備約占晶圓廠制造設(shè)備總額的 10%（2018 年數(shù)據(jù)）
今天，芯東西著眼全球市場，解讀前道量測設(shè)備背后的技術(shù)邏輯，以及領(lǐng)先玩家背后的故事。
01. 前道量測設(shè)備：與光刻機聯(lián)系緊密的關(guān)鍵設(shè)備
翻開 ASML 2020 年的財務(wù)報告，可以看到在 2020 年，ASML 向客戶交付了四套前道量測系統(tǒng)，分別為三套 eScan1000 多光束檢測系統(tǒng)、一套 YieldStar 385 系統(tǒng)。
全球光刻之王為何布局前道量測設(shè)備市場？或者說，前道量測設(shè)備會對光刻工藝造成怎樣的影響？
在 2020 年 7 月 18 日 ASML 官方 Facebook 賬號發(fā)布的一條推文中，我們可以找到答案。根據(jù)推文《ASML 關(guān)鍵量測機臺的誕生》，2000 年代早期，半導(dǎo)體制造商在使用光學系統(tǒng)檢測轉(zhuǎn)印在晶圓上的線路圖案時，遇到了瓶頸。
具體來說，2000 年以后，芯片制程推進至 0.13μm（130nm）時，要在 0.13μm 光刻分辨率的芯片上檢測出缺陷，晶圓廠有可能需要中斷芯片制造過程。不僅如此，隨著摩爾定律向前發(fā)展、光刻精度日益提升，晶圓前道量測的任務(wù)日益加重，迫切需要更加智能的量測機臺。
▲ASML 官方 Facebook 賬號推文《ASML 關(guān)鍵量測機臺的誕生》
基于此，ASML 量測部門工作人員 Arie den Boef 在約十年前開始研發(fā) YieldStar 系列量測設(shè)備。據(jù) ASML 官方資料，YieldStar 設(shè)備可實時將檢測資料回傳給光刻設(shè)備，從而矯正芯片制造過程中的錯誤。
▲ASML 量測部門研究人員 Arie den Boef
目前，前道量測設(shè)備主要用到光學技術(shù)和電子束技術(shù)。前者通過分析光的反射和衍射光譜，間接進行測量，是晶圓廠主要使用的檢測技術(shù)；后者根據(jù)電子掃描直接放大成像。
▲光學量測、電子束量測對比（圖源：華創(chuàng)證券）
02. 國外廠商占據(jù)主導(dǎo)，日本廠商斬獲臺積電 / 三星訂單
據(jù) SEMI 及國金證券的測算，全球半導(dǎo)體檢測類設(shè)備市場規(guī)模超 800 億元，其中前道量測設(shè)備市場規(guī)模約為 406 億元。
放眼全球前道量測設(shè)備市場，外國廠商占據(jù)主導(dǎo)地位。
其中，僅行業(yè)龍頭科磊（KLA）就占據(jù)過半市場份額，市占率高達約 53%。此外，美國應(yīng)用材料、日本日立、美國耐諾、中國臺灣 Hermes Microvision、以色列 Nova 等廠商亦排名前列。
▲半導(dǎo)體前道量測設(shè)備市場競爭格局（圖源：SEMI、國金證券研究所）
除去上述幾家廠商，全球晶圓前道量測設(shè)備市場中，還有一家日本廠商不得不提——Lasertec。
Lasertec 的產(chǎn)品可用于當今最先進極紫外光刻（EUV）的前道工藝檢測。目前，Lasertec 是該領(lǐng)域唯一一家設(shè)備制造商。
目前，全球范圍內(nèi)僅有臺積電和三星電子能夠利用 EUV 技術(shù)生產(chǎn)芯片。而這兩家企業(yè)已確認訂購了 Lasertec 的 EUV 檢測設(shè)備。
隨著利用 EUV 技術(shù)生產(chǎn)的 5nm 制程芯片紛紛落地商用，Lasertec 公司的業(yè)績表現(xiàn)水漲船高。
從 2019 年初以來，Lasertec 公司的股價已經(jīng)飆升逾 900%。
▲Lasertec 公司近五年股價變化
03. 揭秘三大國產(chǎn)化玩家
把目光放回國內(nèi)，據(jù)市場研究機構(gòu)國金證券測算，目前，中芯國際、長江存儲、長鑫存儲占據(jù)了國內(nèi)前道量測設(shè)備年需求的 40～50% 左右。
而在供應(yīng)端，科磊等外國廠商在大陸的市占率達到約 70%。
國產(chǎn)玩家方面，中國企業(yè)起步較晚，目前上海睿勵、中科飛測、精測電子等對前道量測設(shè)備有所布局。
其中，上海睿勵成立于 2005 年，主要產(chǎn)品包括光學薄膜測量設(shè)備、光學關(guān)鍵尺寸測量設(shè)備等。工商平臺顯示，國家大基金持股上海睿勵約 12.1%。
深圳中科飛測成立于 2014 年，公司由中科院微電子所和創(chuàng)業(yè)團隊共同創(chuàng)立。2020 年 5 月份，中科飛測生產(chǎn)的橢偏膜厚量測儀已落地士蘭微電子 12 英寸特色工藝半導(dǎo)體芯片項目。
上海精測電子成立于 2018 年，在前道量測設(shè)備和后道封測設(shè)備上均有布局。工商平臺顯示，國家大基金持股上海睿勵約 13.3%。
據(jù)國金證券測算，目前半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化率在 10% 左右。在國內(nèi)前道量測設(shè)備市場由外國廠商占據(jù)主導(dǎo)地位的情況下，上海睿勵等國產(chǎn)化玩家，不僅需要需要攻克技術(shù)壁壘，還需承擔起建設(shè)銷售團隊、培育市場生態(tài)等多種任務(wù)。
04. 結(jié)語：前道量測——國產(chǎn)化攻堅的又一道命題
作為貫穿芯片制造全程的重要設(shè)備之一，前道量測設(shè)備對于提升芯片良率具備重要意義。
據(jù)估計，產(chǎn)品良率每降低一個百分點，晶圓代工廠商將損失 100～800 萬美元。
在提升芯片產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化被不斷強調(diào)的今天，攻堅每一個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)成為中國芯片玩家面臨的行業(yè)使命。
目前，國內(nèi)前道量測設(shè)備市場仍舊由外國廠商占據(jù)主導(dǎo)地位，期待未來中國廠商能夠通過提升產(chǎn)品、研發(fā)等各方面實力、占據(jù)更多市場主動權(quán)。
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