本文来自微信微信官方账号:物资装备集团(ID: gjclyzbz)，作者:肖群喜、包，标题来自视觉中国。
摘要:半导体设备呈现周期性波动，从2016年到2021年经历了五年的快速增长期。驱动力来自于产能的扩张和技术节点的进步。从2005年到2021年，半导体设备市场的CARG为7.4%，呈现周期性波动的特点。2016年行业进入高速增长期，2016-2021年CARG为20%。2021年半导体测量设备市场规模为77.9亿美元，2016-2021年CARG为19%，远高于2005-2015年6.6%的复合增长率。加速增长的驱动力有:1)终端需求的多样化带来产能的持续扩张；2)技术进步:7nm以下节点量产，向逻辑器件的FinFET和GAA(全栅)结构发展。行业领袖KLA将21-26年的长期复合增长目标定为9-11%。
为了提高产量和生产率，芯片制造的所有阶段都需要过程控制，R&D和HVM的挑战体现在精度和速度上。1)更高的空间分辨率精度。目前，最先进的检测测量设备所使用的光源波长已经包含DUV波段，可以稳定检测小于14nm的晶圆缺陷，实现0.003nm膜厚测量的重复性。光学检测技术的重要发展趋势包括:检测系统中光源的波长下限进一步降低，波长范围进一步拓宽，增加光学系统的数值孔径，提高光学分辨率。2)提高检测速度和吞吐量，降低集成电路厂商的平均晶圆检测成本，实现降本增效。3)大数据检测算法和软件的重要性凸显。技术手段:以光学检测(占75%)为主，辅以电子束检测技术，核心技术涉及光学、图像分析算法、大数据检测算法、精密运动控制和软件。
2020年，全球半导体测量设备KLA一家独大，市场份额为50.8%。在过去的五年里，KLA在全球前五大半导体设备企业(AMAT、新加坡、ASML、台湾)中表现出相对更稳定的增长和更高的盈利能力。其核心竞争力是:1)创新是命脉。在过去的50年里，公司不断引领各种高精尖测量技术，R&D投资占比15%，2021年达到9亿美元。2)全面的产品组合，满足客户对精度和吞吐量的双重要求；3)强大的服务体系和供应链管理:KLA全球装机近6万台，平均使用寿命12年，服务收入约占1/4。深厚的供应商关系确保了供应的连续性和高质量，并与KLA设计和制造业务密切协调，以确保无缝的客户体验。KLA以持续改进文化的强大指数管理为基础，以严密的组织和独特的体系管理复杂的全球供应链。
科技的脱钩重塑了全球芯片产业的供应链体系。2021年本土测量设备国产化率仅为2%，有较大的替代空间。预计2026年中国晶圆厂产能将是2022年底的2.8倍。国内领先测量设备厂商部分产品进入一线生产线进行验证，将推动国产化发展，差距有望继续缩小:1)产品覆盖率:国内领先产品覆盖率27.2%，国内龙头企业将加大产品研发力度，有望尽快实现50%以上的产品覆盖率。2)在工艺节点上:国内企业已经能够覆盖28nm及以上的工艺，并继续开发28mn以下的工艺。同时，第三代化合物半导体衬底产能可达600万片/年(6英寸)。由于其材料特性，一些制造工艺需要专用设备开发，大部分环节都有毛坯或链补的机会。
风险提示:下游需求未持续复苏，技术进步速度低于预期。
第一，半导体测量设备市场增长的驱动力
1.1.盈利能力最强、增长最稳定的环节。
半导体设备市场呈现周期性波动，2016年进入快速增长期，2016-2021年复合增长率为20%。半导体设备市场在最近十年快速增长，2005-2021年复合增长率为7.4%，其特点是强周期性波动。2016年行业进入高速增长期，复合增长率20%。2021年，全球半导体设备市场规模为1026亿美元。2016年至2021年，中国大陆半导体设备规模从64.5亿美元增长至296亿美元，复合增长率为36.5%。自2020年起，连续两年成为全球最大的半导体设备市场。
图1:2016-2020年全球半导体设备市场快速增长，复合增长率为20%。来源:SEMI，国泰君安证券研究。
图2:2016-2020年中国大陆半导体设备市场快速增长，复合增长率为36.5%。来源:SEMI，国泰君安证券研究。
半导体设备四大设备:刻蚀、沉积、光刻、测量占73%，分别占22.3%、20.3%、19.3%、11.2%。在上述四类设备中，国内企业在刻蚀和沉积领域取得了两位数的突破，光刻和测量设备的国产化处于起步阶段。
图3:2021年全球半导体设备市场格局:蚀刻、沉积、光刻和测量设备位居前列。来源:SEMI，国泰君安证券研究。
图4:2021年中国半导体设备子产品国产化率:测量设备国产化率低。来源:SEMI，国泰君安证券研究。
2016-2021年，全球半导体测试设备复合增长率为19%，2021年为96.8亿元。SEMI数据显示，2005年全球半导体前端检测设备市场规模约为30亿美元，2021年增长至96.8亿美元，复合增长率为7.6%。2016年进入高速增长期，2016-2021年复合增长率21%。
2016年至2020年，中国大陆半导体测试测量设备市场年复合增长率为31.6%，2020年为21亿美元，占全球市场的27.4%。据VLSIResearch统计，2019年全球半导体测试测量设备市场较2018年下降3.8%，中国大陆半导体测试测量设备市场2019年实现35.2%的同比增长，超越中国台湾省市场成为全球最大的半导体测试测量设备市场，占比26.5%。2020年，中国大陆半导体测试测量设备市场规模将为21.0亿美元，同比增长24.3%，全球市场份额将进一步提升至27.4%。
图5:2016-2021年全球半导体测量设备市场复合增长率为19%(10亿美元)。来源:SEMI和国泰君安证券研究。
图6:中国半导体测量设备市场复合增长率为35%(亿美元)。
来源:SEMI，国泰君安证券研究。
图7:中国半导体测量设备市场份额排名第一，21年达到27.4%。
来源:SEMI，国泰君安证券研究。
在世界五大领先企业中，测量设备的领导者KLA表现出相对较好的增长和盈利能力。相比2015年，APPLIEDMATERIAL、ASML、LAM、TEL、KLA前五大路面设备龙头2021年收入分别增长138%、207%、193%、177%、209%。KLA是五家公司中唯一一家自2015年以来持续增长的公司，其收入稳定性明显好于其他四家。我们认为这是因为测量设备比其他工艺设备更受益于技术和工艺节点的进步和变化。从盈利能力来看，KLA的毛利率水平也明显好于其他四家公司。
图8:在前过程设备的全球领先企业中，KLA的收入表现最好。数据来源:WIND和国泰君安证券研究。
图9:在前流程设备的全球领先企业中，KLA的毛利率表现最好。数据来源:WIND，国泰君安证券研究。
1.2.驱动力之一:产能扩张。
全球消费电子经历了三大周期，分别是PC、手机+平板和可穿戴设备的兴起带来的。2010年，消费电子行业结束了PC时代，迎来了手机和平板的大爆发。2014年，可穿戴设备进入增长周期，取代手机、平板带来新动能。未来，以5G、云、人工智能、AR/VR、可穿戴为核心的创新周期将持续，消费电子产品的创新和多样化将继续为半导体器件带来各种需求。
图10:消费电子产品迎来新的创新周期，产品更加多元化。资料来源:KLA
图11: PC、手机、平板引领过去三轮消费电子产品的创新周期。资料来源:IDC，gantner，国泰君安证券研究。
2016年以后设备的快速增长得益于存储设备的强劲需求。2016年之前，设备需求的增加主要来自于手机、笔记本电脑、pad等产品需求的增加，主要表现在以内存为代表的模拟芯片需求的增加。2022年，设备需求由模拟和逻辑芯片驱动，并映射到下游新能源汽车市场的爆发。当市场需求旺盛时，工厂扩大产能以满足下游需求的增长，对设备的需求持续增长。
图12:2016-2021年内存驱动的资本支出需求。2022年，仿真与逻辑共同驱动数据来源:SEMI，国泰君安证券研究。
图13:晶圆厂投资强度显著增加资料来源:KLA，国泰君安证券研究。
1.3.第二个驱动力:流程节点进度
随着工艺节点的进步，半导体设备的成本在器件总成本中会越来越高。大规模回归后，7nm迅速成为“超级节点”。一些先进的半导体厂商已经实现了5nm工艺的量产，并开始了3nm工艺的研发。28纳米工艺节点的工艺步骤有数百道工序。由于采用了多层叠加技术，14nm及以下节点的工艺步骤增加到了近千道。无论是在存储技术的道路上，朝着3DNAND和DRAM，还是朝着FinFET和GAA(Gate-All-Around)结构的逻辑器件，工艺技术越先进，对晶圆缺陷检测和控制的技术要求就越高。
先进的设计提供了显著的经济效益，快速增长的设计开始推动资本支出的增长。预计超过50%的相关和产能增长将由7nm技术节点带来。
图14:根据EUV和摩尔定律，技术节点发展到7纳米和更高。资料来源:KLA。
图15:从FinFET到GAA架构的过渡带来了额外的工艺复杂性。数据来源:KLA。
图16:预计超过50%的设计和产能增长将由7nm技术节点带来。资料来源:KLA。
工艺节点每减少一代，致命缺陷的数量就会增加50%。增加测量设备的使用可以有效提高产量水平。根据YOLE的统计，工艺节点数每减少一代，工艺中的致命缺陷数就会增加50%，因此每道工序的良率必须保持在非常高的水平，才能保证最终的良率，集成电路生产过程中对质量控制的需求也会越来越大。随着半导体工艺新技术节点的不断延伸，线宽不断缩小，对缺陷的容忍度越来越低。如图，在28 nm工艺晶圆上刻蚀出小于0.2微米的微小颗粒缺陷，导致图形异常，导致严重的良品率失效。同样的缺陷对后续55 nm工艺晶圆上的图形层没有明显影响。
图17:不同工艺节点的晶圆厂测量设备投资比例:28mn阶段测量设备资本支出比例增加到20%。来源:28纳米关键工艺缺陷检测与良率改善，上海交通大学龙隐。
先进的技术需要更多的在线测试，以实现最佳的生产效率和更低的研发成本。在线检测对于大规模生产的晶圆厂和先进工艺的R&D部门都有很高的经济效益。1微米技术节点的6英寸晶圆需要6道掩膜，其工艺周期约为9天。55 nm工艺节点和12英寸晶圆的制造过程需要60多天。55 nm工艺全流程有800多个制造步骤，任何一个步骤出现问题，都可能导致产品晶圆报废。
在新技术、新工艺的研发阶段，如果没有在线检测，一个工艺变更可能需要60多天才能验证，研发周期极长，可能会错过产品的市场生命周期。因此，在一个量产的晶圆厂，如果没有在线检测，经济损失将无法估量。
图18:半导体制造良率经验曲线数据来源:28 nm关键工艺缺陷检测与良率提升，上海交通大学龙隐。
二、半导体测量设备的技术进步方向:更高的分辨率和更高的吞吐量。
2.1.过程控制贯穿于芯片开发生产的全过程。
集成电路的质量控制包括前道检测、中道检测和后道测试。1)预检主要利用光学、电子束等非接触手段检测光刻、刻蚀、镀膜、清洗、CMP等晶圆制造环节的质量控制；2)中途检查面向高级封装环节，主要针对重布线结构、凸点、硅通孔等晶圆制造环节通过光学等非接触手段进行质量控制；3)后测试主要采用接触式电手段测试芯片的功能和参数，分为电路探测(CP)和最终测试(FT)。通过分析测试数据，可以确定具体的失效原因，改进设计、生产和密封测试工艺，提高成品率和产品质量。半导体测试机主要分为存储器、SoC、模拟、数字、分立器件和射频测试机。本文主要介绍前轨和中轨的测量设备。
图19:半导体检测测量测试设备产业链数据来源:VLSIResearch、QYResearch、国泰君安证券研究。
应用于前道工序和高级包装的质量控制，按工序可分为检验和计量，数值分别占40%和50%，控制软件等其他设备占10%。检测是指检测晶圆表面或电路结构中是否存在对芯片工艺性能有不利影响的特征性结构缺陷，如颗粒污染、表面划伤、开路和短路等；测量是指对被观察的晶圆电路的结构尺寸和材料特性的定量描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理参数的测量。
图20:半导体缺陷检测与测量技术数据来源:VLSIResearch、QYResearch、国泰君安证券注:缺陷检测为黄色部分，测量为蓝色部分。
所有芯片制造阶段都需要过程控制。过程控制的目的是提高产量和生产率，R&D和HVM的客户挑战主要体现在准确性和速度上。测量设备的技术进步方向:
1)更高的空间分辨率精度。目前最先进的检测测量设备所使用的光源波长已经包含了DUV波段，可以稳定检测小于14nm的晶圆缺陷，实现0.003nm膜厚测量的重复性，进一步降低检测系统光源的波长下限，拓宽检测系统光源的波长范围，是光学检测技术发展的重要趋势之一。提高光学系统的数值孔径是提高光学分辨率的另一个突破方向。以图形晶圆缺陷检测设备为例，光学系统的最大数值孔径已经达到0.95，探测器每个像素对应的晶圆表面最小物面尺寸已经小于30nm。为了满足更小临界尺寸晶片上的缺陷检测，需要使用更短波长的光源和更大数值孔径的光学系统来进一步提高光学分辨率。
2)提高检测速度和吞吐量，有效降低集成电路厂商的平均晶圆检测成本，实现降本增效。检测速度和吞吐量更高的检测和测量设备可以帮助下游客户更好地控制企业成本，提高良品率。
3)大数据检测算法和软件的重要性凸显。结合深度图像信号处理软件和算法，在有限的信噪比图像中发现微弱的异常信号。晶圆检测的算法非常专业，检测设备对检测速度和精度要求非常高，从研发到产业化周期长。因此，目前市场上还没有可以直接使用的软件，所有企业都是在自己的检测测量设备上开发自己的算法和软件。未来对检测测量设备相关算法软件的要求会越来越高。
图21:R&D和大规模生产的挑战:分辨率和产量来源:KLA
2.2.测量设备:价值占比近40%，关键尺寸的测量占比最大。
测量设备的主要作用:在半导体生产过程中，对每道工艺后的晶圆进行定量测量，以保证工艺的关键物理参数满足工艺指标，如膜厚、临界尺寸(CD)、薄膜应力、折射率、杂质浓度、套准精度等。
表1:半导体缺陷检测与测量技术价值分布数据来源:中科飞测招股说明书，国泰君安证券研究。
2.2.1.临界尺寸(CD)测量设备
半导体制造工艺中的最小线宽一般称为临界尺寸，其变化是半导体制造工艺中的关键。随着临界尺寸越来越小，容错率也越来越小，所以需要尽可能的测量所有产品的线宽。例如，在半导体晶片的指定位置测量电路图案的线宽和孔径。
由于CD-SEM需要将待测晶圆置于真空中，检测速度较慢。目前，基于衍射光学原理的非成像光学临界尺寸(OCD)测量设备已经成为先进半导体制造的主要工具。它可以精确测量关键线的宽度和器件的其他形态尺寸，具有良好的重复性和长期稳定性。通过OCD测量可以一次获得许多工艺尺寸参数。在过去，这些参数通常需要使用各种设备(如扫描电子显微镜和原子力显微镜)主要供应商:KLA(SpectraShape系列)、NanoMetrics、上海锐力(TFX3000)和上海精密测量。