国产半导体量测设备行业研究：发展之天时地利人和

2023-05-18 11:38:20

　　玩加电竞半导体过程控制设备包括检测设备、量测设备和过程控制设备，广义的半导体量测设备包括了 Inspection 和 Metrology 两大环节。半导体检测设备包括了异物缺陷、气泡缺陷和颗粒缺陷，而半导体量测设备主要包 括光刻套刻偏移量、薄膜膜厚和三维形貌。检测指在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况， 如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷；量测指对被观测的晶圆 电路上的结构尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数 的量测。

　　随着半导体先进制程的发展，工艺环节不断增加，对工艺控制水平提出了更高的要求。检测和量测环节贯穿 制造全过程，是保证芯片生产良品率的关键环节。28nm 工艺节点的工艺步骤有数百道工序，由于采用多层 套刻技术，14nm 及以下节点工艺步骤增加至近千道工序。

　　因为半导体量测设备与工艺设备直接挂钩，因此摩尔定律在一定程度上拉动了半导体量测设备的技术迭代。 摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目，约每隔 18-24 个月便会增加一倍，性能也将提 升一倍，从而要求集成电路尺寸不断变小。摩尔定律使得集成电路线宽不断缩小，进而对于半导体量测技术 的要求不断提升，从而驱动了半导体量测设备不断发展。

　　工艺节点每缩减一代，工艺中产生的致命缺陷数量会增加 50%，因此每一道工序的良品率都要保持在非常高 的水平才能保证最终的良品率。假设当工序超过 500 道时，只有保证每一道工序的良品率都超过 99.99%， 最终的良品率方可超过 95%；当单道工序的良品率下降至 99.98%时，最终的总良品率会下降至约 90%，因 此，制造过程中对工艺窗口的挑战要求几乎“零缺陷”。

　　纳米图形晶圆缺陷检测设备、掩膜版缺陷检测设备和关键尺寸量测设备销售市场占比较高，分别占比为 24.7%、11.3%和 10.2%。根据 VLSI Research 的统计，在半导体检测设备市场中，纳米图形晶圆缺陷检测 设备与掩膜版缺陷检测设备分别占比 24.7%和 11.3%；而量测设备市场中，关键尺寸量测设备和电子束关键 尺寸量测设备分别占比 10.2%和 8.1%。

　　由于专利、技术被美国和日本等海外厂商所垄断，半导体晶圆制造设备以美国和日本等厂商为主。由于美国 半导体设备厂商具备先发优势，在专利、技术等方面进行技术封锁。而日系半导体设备公司，例如 SCREEN、 KE、大福等，由于技术和服务等方面优势突出，通过自下而上的方式绕过了技术、专利封锁，逐步成长为第 二梯队领先公司。

　　集成电路工艺设备门槛较高，市场集中度高，而量测设备需要与不同的工艺设备配套，对于线上良率提升来 说更加明显，行业集中度更高，KLA 公司市占率超过了 50%。晶圆制造厂工艺设备集中度相对较高，CR5 为 65.5%；而半导体量测设备格局更加集中，科磊半导体（KLA）一家厂商市占率超过 50%，CR5 为 82.4%。 我们认为，主要是美系制造设备占比较高，而 KLA 在光学检测和软件建模等方面具备较大的技术优势；而另 外一方面，量测设备需要与不同的工艺设备配套，对于线上良率提升来说重要性更加明显，导致了行业集中 度更高。

　　半导体量测设备的 know-how 需要与半导体制造工艺相匹配，国产量测设备的发展需要国产半导体制造设 备突破作为前提，由于国内半导体制造设备国产化率较低，因此目前半导体量测设备行业发展仍然处于初步 阶段。我国本土晶圆厂设备中，去胶设备国产化率最高，能够达到 90%以上，其他设备如清洗设备、刻蚀设 备、热处理设备的国产化率均在 20%左右，PVD 设备和 CMP 设备国产化率仅有 10%左右。国产量测设备 的发展需要国产半导体制造设备突破作为前提，因此国内半导体量测设备行业发展处于初步阶段。

　　科磊半导体成立于 1976 年，是过程控制领域的全球领导者，同时也是一家为多个行业提供工艺支持解决方 案的供应商，下游包括半导体、印刷电路板（PCB）和显示器。公司为硅片、集成电路、封装、发光二极管、 功率器件、化合物半导体器件、微电子机械系统、数据存储、印刷电路板、平板和柔性面板显示器等领域提 供解决方案。

　　科磊公司产品矩阵丰富，覆盖几乎全部量测设备品类，在晶圆形貌检测、无图形缺陷检测、掩膜版检测、 套刻误差检测等领域具有较强的竞争优势。

　　光学技术和软件粘性构筑较高的技术壁垒。由于 CD-SEM、膜厚量测和缺陷检测系统均需要用到光学原理， 需要使用光学建模和仿真，因此对于技术人员和研发人员的知识结构和学习能力提出了非常高的要求；另外 一方面半导体量测结果的一致性和稳定性对于软件的定制化能力以及 AI 算法能力也提出了较高要求。 科磊半导体通过收购和整合进行市场扩张，我们分析 KLA 公司的成长之路，一方面是公司深耕半导体量测 领域，不断挖掘客户需求，获得产品 know-how 来拓展产品的深度与广度；另外一方面公司通过不断收购 细分子领域的“隐形冠军”来丰富公司的产品结构。自 1998 年起，科磊半导体通过一系列外延并购整合行 业内资源，提高市场占有率。

　　通过对 KLA 在半导体领域的收购进行复盘研究，主要得到以下结论：① KLA 收购一般来说体量不是很大， 除了与 Tencor 强强合联合，另外还有 34亿美元收购 Orbotech 来拓展面板、PCB 和 MEMS领域客户之外， 其他收购对象大多是细分领域的“隐形冠军”，通过并购技术和客户方面都得到了补足；② KLA 在适当时 候收购竞争对手 OnWafer 和 SensArray 公司，成为当时唯一一家提供晶圆级量测设备的厂商。

　　受益于中国以及地区的晶圆厂扩产，而国产量测设备尚未大规模导入客户，KLA 在中国的收入占 比提升至 50%以上，中国收入快速增长支撑 KLA 公司业绩保持较快增长。2022 年科磊半导体在中国地区的 销售额达到 26.6 亿美元，同比增长 31.16%，占 2022 年总营业收入的 29%。其他地区按照销售额排名分别 为中国、韩国、南美、日本、欧洲和以色列以及亚洲其他地区，营业收入分别为 25.3 亿美元、14.3 亿 美元、9.28 亿美元、7.25 亿美元、6.37 亿美元、3.03 亿美元，分别占总营业收入的 27%、16%、10%、8%、 7%、3%。

　　科磊半导体研发费用逐年增长，2022 年科磊半导体研发费用为 11.05 亿美元，同比增长 19.04%，占总营业 收入的 12%。2019-2022 年科磊半导体研发费用逐年增长，分别为 7.11 亿美元、8.64 亿美元、9.28 亿美元、 11.05 亿美元。2022 年科磊半导体研发费用为 11.05 亿美元，同比增长 19.04%，占总营业收入的 12%。

　　全球半导体市场持续保持增长，随着 5G、物联网、人工智能等产业兴起，给半导体产业带来新的发展机遇。 根据 WSTS 统计数据，自 2015 年以来，全球半导体市场规模整体保持增长，2022 年全球半导体市场规模 达到 5735 亿美元，较 2021 年增长 3.2%。

　　得益于全球半导体行业需求增长，全球半导体资本开支整体呈现上升趋势。根据 IC sights 统计，2021 年全 球半导体资本开支为 1855 亿美元，同比增长 321%。

　　半导体设备是整个半导体产业的重要底层支撑，半导体产业的快速发展不断推动着半导体设备市场规模的增 长。半导体行业的产业链上游为半导体材料和设备配套产业链，其中半导体设备涉及技术领域广且具有研发 期长、投入大、技术突破困难等特点，其性能直接影响下游客户的产品质量和生产效率，因此在规模化量产 前需经过严格的测试以及客户验证，设备的验证壁垒高。 得益于全球半导体行业的持续增长，全球半导体设备销售额保持明显增长，根据 SEMI 数据，2021 年全球 半导体设备销售额为 1026 亿美元，同比增长 44.1%。

　　政策暖风频吹，半导体集成电路迎来快速发展机遇。国家在“十三五”规划中多次提及集成电路产业发展的 重要性，强调要着力补齐核心技术短板，加快科技创新成果向现实生产力转化，攻克集成电路装备等关键核 心技术；而在“十四五”规划进一步强调了发展集成电路产业对强化国家战略科技力量的意义。国家在顶层设 计上推动半导体集成电路行业发展，我们认为半导体设备，尤其是半导体量测设备的突围与弯道超车成为解 决卡脖子问题的关键之一。

　　随着全球半导体产业向国内转移，中国晶圆厂市场份额从 2005 年的 6.7%，预计 2024 年提升至 19%， 其中 2022 年晶圆自给率提升至 25.61%。

　　受益于半导体产业向国内转移的行业大趋势，中国半导体设备市场规模快速增长，2021 年半导体设备 销售额为 1993.35 亿元，同比增长 58.1%。中国半导体设备市场规模增速明显，从 2017 年的 554.18 亿元增长至 2021 年的 1993.35 亿元，中国半导体设备市场已成为全球第一大半导体设备销售市场。

　　近年来一级市场对于半导体量测设备赛道的投融资活动非常活跃，国内优良的融资环境大大促进半导体量测 行业实现 know-how，从而更好解决卡脖子问题。国家集成电路产业投资基金、国资等产业基金持续加码对 于半导体量测设备行业的投资，资本与技术共振，为量测设备本土化落地提供沃土。

　　（3）人和：越来越多专家和行业领军人物回国拥抱半导体浪潮，工程师红利有利于解决上游理化层面 know-how

　　越来越多专家人才回国拥抱半导体浪潮，随着更多半导体量测领域人才加入，成为半导体量测设备国产化重 要动力，越来越多的工程师解决上游理化层面 know-how。从几家国内半导体检测与量测设备的董监高资料 来看，许多掌握量测设备核心技术的高精尖人才创业或者加盟，这些将转化为国产设备弯道超车强大动力之 一。此外国内的工程师红利凸显，越来越多的工程师解决上游理化层面 know-how。

　　随着半导体制程技术快速发展，质量控制设备也向更小的工艺节点发展，研发难度逐渐提高。当前，国际巨 头普遍能够覆盖 2Xnm 以下制程，先进产品已经应用在 7nm 以下制程。国内公司产品虽然已能够覆盖 2Xnm 及以上制程，但对于应用于 2Xnm 以下制程的质量控制设备仍在研发或验证中，与科磊半导体、应 用材料、创新科技等国际巨头尚存在较大差距。

　　不同型号的国产量测设备已经陆续开始验证，随着技术 know-how 得以解决，我们预计未来量测设备的行 业将迎来弯道超车的机遇。随着工艺不断进步，产品制程步骤越来越多，微观结构逐渐复杂，生产成本呈指 数级提未来检测和量测设备需在灵敏度、准确性、稳定性、吞吐量等指标上进一步提升。未来检测和量测设 备需在灵敏度、准确性、稳定性、吞吐量等指标上进一步提升，保证每道工艺均落在容许的工艺窗口内，保 证整条生产线平稳连续的运行。上海睿励自主研发的 12 英寸光学测量设备 TFX3000 系列产品，正在 14 纳 米芯片生产线进行验证；上海精测推出的首款半导体电子束检测设备正在进行 1Xnm 验证。根据中科飞测招 股书披露，中科飞测已有多台设备在 28nm 产线Xnm 产线 型号设备 正在研发中，对应 2Xnm 以下产线的 DRAGONBLOOD-600 型号设备正在产线进行验证，并已取得两家客 户的订单。

　　受益于国内半导体产业链的快速发展和供应链自主可控要求，参考 KLA 公司的成长之路，国内量测设备国 产化需要率先在特定领域突围，在细分市场建立客户优势之后，开启横向和纵向扩张。以中科飞测、上海睿 励、上海精测为代表的的国产厂商开始发力，打破在质量控制设备领域国际设备厂商对国内市场的长期垄断 局面。然而相较于海外龙头企业，国内企业对于检测和量测设备的产品种类覆盖并不广泛，未来在产品范围 广度上，仍有较大的发展空间。

　　顺应天时地利人和，我们认为半导体量测设备行业将迎来向上景气周期，建议积极把握投资机遇。国内半导 体量测设备领军企业精测电子、中科飞测、赛腾股份有望把握住行业发展机遇实现弯道超车，成长进入快车 道。

　　武汉精测电子集团股份有限公司创立于 2006 年 4 月，是一家致力于为半导体、显示以及新能源测试等领域 提供卓越产品和服务的高新技术企业。2018 年公司先后成立武汉精鸿、武汉精能、上海精测等子公司，正 式切入新能源、半导体量测领域，形成“平板显示+半导体+新能源”的业务布局。

　　精测电子在膜厚量测和 OCD 领域具备较强市场竞争力，产品类别方面在国内占据优势。公司主营产品包括 平板显示检测、半导体检测和新能源检测设备三大类，其中半导体领域覆盖前道量/检测和后道测试设备：主 要包括：覆盖膜厚量测、光学关键尺寸检测（OCD）、电子束缺陷复查和检测设备、光学缺陷检测设备、老 化（Burn-In）测试设备、晶圆探测设备（CP ATE）和终测设备（FT ATE）等。

　　半导体领域收入快速增长， 2022 年精测电子在半导体检测领域实现营收 1.83 亿元，同比增长 34.12%。自 2019 年精测电子在半导体领域的营业收入实现零的突破以来，半导体检测业务的营业收入逐年上升，所占总营业收入的比例也逐年上升，2022 年精测电子在半导体检测领域实现营收 1.83 亿元，同比增长 34.12%， 占总营业收入的 6.69%。

　　公司持续加大研发投入力度，研发投入持续提升。2022 年公司研发投入约 5.89 亿元，占总营业收入的 21.58%， 同比增加 29.70%。2019-2021 公司研发投入分别为 2.88、3.22 和 4.54 亿元，公司持续加大研发投入力度。

　　公司通过不断并购横向扩张，持续拓展应用领域。公司成立于 2001 年，在 2011 年成为北美大客户合格供应 商后进入快车道，并于 2017 年成功上市。2019 年公司收购日本企业 Optima，进入半导体检测设备领域。

　　公司营收稳定增长，盈利水平快速增长。2022 年公司营业收入为 29.34 亿元，同比增长 26.55%。2017-2022 年公司营收整体增长迅速。在利润端，公司盈利水平明显有所改善，2022 年实现 2.93 亿元归母净利润，同 比增长 63.54%。

　　公司通过收购全球领先的晶圆检测设备供应商日本 OPTIMA 涉足晶圆检测装备领域，研发费用快速增长， 实现了在国内高端集成电路设备市场的进一步突破。通过“全球技术+中国市场”战略，迅速打开国内市场空 间。公司还将继续大力提升在高端半导体智能装备、新能源智能装备等领域的研发能力，扩大公司产品的应 用规模，完善产品结构，实现公司的多元化发展。公司坚持研发、重视研发，研发投入持续增长，2022 年公 司研发费用为 3 亿，同比增长 20.89%。

　　中科飞测自 2014 年成立以来始终专注于检测和量测两大类集成电路专用设备的研发、生产和销售，产品主 要包括无图形晶圆缺陷检测设备系列、图形晶圆缺陷检测设备系列、三维形貌量测设备系列、薄膜膜厚量测 设备系列等产品，已应用于国内 28nm 及以上制程的集成电路制造产线。

　　公司技术处于国内领先地位，相应产品可与国际主流企业形成竞争。公司 SPRUCE-600 和 SPRUCE-800 设备可实现的最小灵敏度分别为 60nm 和 23nm。其中，SPRUCE-600 在灵敏度为 102nm 时的吞吐量为 100wph，SPRUCE-800 在灵敏度为 26nm 时的吞吐量为 25wph。公司设备灵敏度和吞吐量可以满足不同客 户需求，公司设备与国际竞品整体性能相当，已在中芯国际等厂商的产线上实现导入。

　　公司设备灵敏度和吞吐量可以满足不同客户需求。公司设备与国际竞品整体性能相当，已在长电先进、华天 科技等知名先进封装厂商的产线上实现应用。

　　公司量测设备与竞争对手的产品整体性能相当，已在长江存储等知名晶圆制造厂商的产线上实现国产替代。 公司该型号设备的重复性精度达到 0.1nm，能够支持 2Xnm 及以上制程工艺中的三维形貌测量。公司设备 重复度精度可以满足不同客户需求。

　　营业收入稳步上升，检测设备营收占比超过 65%。2022 年公司主营业务收入为 5.02 亿元，相较于去年同比 增长 。近三年公司检测设备营业收入分别为 1.56 亿元、2.65 亿元、3.85 亿元，分别占主营业务收入的比例 为 65.66%、73.84%、76.60%，是公司的主要收入来源。

　　东方晶源成立于 2014 年，总部位于北京亦庄经济技术开发区，是一家专注于集成电路良率管理的企业。公 司自成立以来坚持以创新引领发展，申报国内外发明专利 191 项，授权发明专利 67 项，软件著作权 15 项， 注册商标 15 项。 公司产品主要覆盖三大领域即 OPC（计算光刻产品）、EBI（电子束缺陷检测）及 CD-SEM（关键尺寸量测）， 目前公司已实现国内首台套 EBI 设备在客户主流制程的验证，完成国内首台 CD-SEM 的研发并于今年交付 中芯国际，为目前 EBI 与 CD-SEM 领域填补关键空缺。

　　东方晶源正式完成新一轮近 10 亿元股权融资，公司业务有望再上一个台阶。本轮融资将主要用于公司新产 品研发、生产基地建设并为订单履约提供坚实保障，从而进一步夯实公司在细分领域的领先优势，加快实现 公司成为集成电路良率管理领导者的愿景目标。

　　睿励科学仪器（上海）有限公司是于 2005 年创建，致力于研发、生产和销售具有自主知识产权的集成电路 生产制造工艺装备产业中的工艺检测设备。2011 年，睿励推出自主研发的适用于 65nm 和 45nm 技术节点 的 300mm 硅片全自动精密薄膜和线nm 要求的光学测量 设备开始在 12 寸生产线 年底进入韩国三星进行一年的测试，2014 年底获得三星数台订单，是 目前唯一进入韩国三星集成电路生产线的国产集成电路生产设备。