半導體量測國產替代再進一步，量/檢測設備發展成為芯片自主化第一要務
近年，我國持續呼吁并加強對集成電路產業的扶持力度，全國各地區紛紛響應國家號召。作為國家集成電路產業四大集聚區之一，湖北省一直在高度布局該產業，之前7月中旬成立的“湖北省集成電路產業計量中心”于近期迎來了新進展。
據湖北日報報道，8月中旬，湖北省集成電路產業計量測試中心通過驗收，成為全國首家省級集成電路產業計量測試中心。
湖北省集成電路產業計量測試中心由中國船舶集團第七〇九研究所籌建，通過考核驗收并獲批成立，成為全國第一家省級集成電路產業計量測試中心，標志著湖北省在集成電路領域計量基礎能力建設走在全國前列，基礎服務能力水平有了新突破。
報道引述湖北省集成電路產業計量測試中心相關負責人表示，該中心建設目的在于，找到并解決集成電路產業發展過程中核心關鍵參數的測量問題，解決“測不了、測不全、測不準”的痛點難點，保障集成電路產業高質量發展。
湖北省集成電路產業計量中心可為湖北省乃至中部地區光通信芯片、存儲芯片、衛星導航芯片、車規級芯片提供全產業鏈、全壽命周期、全溯源鏈和前瞻性的計量測試服務，助力打造萬億級光電子信息產業。
攻關微納米尺度下精密測量技術
在湖北省集成電路產業計量測試中心，由中國船舶七〇九所自主研發的四探針測試系統上，設備正在進行最后階段的性能調試，對晶圓的鍍膜厚度進行檢測試驗。
晶圓是指集成電路生產制造所用的高純度硅晶片，是生產集成電路所用的載體，集成電路工藝生產中對晶圓的鍍膜厚度最小可接近10納米，僅為一根頭發絲直徑的1/6000。工藝檢測設備不僅要測得出，還要測得準。
該中心計量科研工程師介紹，七〇九所自主研發的四探針測試系統用于監控半導體工藝制程中電阻率、金屬薄膜厚度等參數，縮小國產四探針測試設備與進口產品在自動化程度、測試精度、測試速度等方面的差距，除支持現階段主流6寸-12寸晶圓測試，還可兼容未來更先進的18寸晶圓，是半導體工藝生產中的重點檢測設備之一。
集成電路測試的一些項目包括外觀檢查，常溫及低溫、高溫等不同條件下判斷元器件是否能達到正常性能參數等檢測項目，該中心檢測組負責人舉例，手機在熱得發燙的情況下，還能正常運轉，就要求其中的集成電路板或者芯片事先通過嚴格檢測。
半導體量測設備需求擴大，海外品牌主控市場
“類型多，產品精”是半導體量檢測設備行業的特點。量檢測設備的應用貫穿芯片制造全過程，涵蓋了硅片、掩膜、晶圓、封測等多重工序，每個環節所涉及的設備均具備較高技術壁壘。隨著芯片制造結構復雜化、制程線寬的不斷縮小以及由二維平面結構向三維結構的轉變，對半導體量檢測設備的需求大幅增長，其目的主要是提高芯片制造的良率，維持產品一致性，因此也被稱為芯片制造之“尺”。
半導體量檢測設備市場規模約為130億美元。根據Gartner，2020年全球前道設備中，光刻機、刻蝕設備和薄膜沉積設備投資占比分別為27％、22％和20％，量檢測設備的市場占比僅次于上述三類設備，為13％。我們假設晶圓制造Capex結構基本維持不變，則2022年全球量檢測設備市場規模約為130億美元，光學檢測占據主要市場。其細分品類中，納米圖形晶圓缺陷檢測、掩模版缺陷檢測和關鍵尺寸量測設備的市場規模排名靠前。
美、日、以色列公司占據主要市場份額，中國大陸公司逐步追趕。根據VLSI Research，2020年KLA市占率為51％，應用材料（美國）、日立高新（日本）、雷泰光電（日本）、創新科技（美國）分別占12％、9％、5％和6％，CR5為83％。中國大陸公司市占率較低，約為個位數，技術上看，目前主要以先進封裝或個別類別的前道量檢測設備為主，且在納米制程上仍有一定差距；客戶上看，主要是以國內晶圓制造或中道制造封測廠為主；在研發投入、人才吸引、市場拓展和規模上與國際龍頭仍有一定差距。
中國檢測量測市場超二十億美元，國產化率較低
（一）中國大陸為半導體檢測、量測設備的第一大市場
受行業周期性和美國制裁影響，2023年中國半導體設備投資額逐漸收緊。根據semi 數據，預計2023年中國本土、外資企業半導體設備投資額為86、39億美元，同比-53%、 -25%，主要原因系全球芯片下游的庫存修正和美國對中國先進制程產品的出口管制。 過程工藝控制國產化率尚低，行業Capex下修的影響有限。中國半導體設備國產化 率仍處于相對低位，且目前國產檢測、量測設備大多面對28nm以上的成熟制程環節， 半導體資本開支下修對其影響有限。 根據VLSI Research、QY Research統計，中國大陸為全球半導體檢測+量測設備 第一大市場，2020年市場空間達21億美元。16-20年，全球半導體檢測+量測設備市 場規模由47.6億美元增長到76.5億美元，四年CAGR 12.6%，中國大陸市場規模由 7.0億美元增長至21.0億美元，四年CAGR為31.6%，增速大幅快于全球。2020年， 中國大陸半導體過程工藝控制設備全球占比為27%，超過中國臺灣位列全球第一。
（二）設備應用于前道和先進封裝各環節，國產替代空間大
2020年全球過程工藝控制設備占半導體設備投資額的11%，目前該設備國產化率低 于10%，國產替代空間較大。根據SEMI和VLSI Research數據，2020年，過程工藝 控制檢測設備和半導體測試設備的市場規模分別為76.5、60.1億美元，在半導體設 備中占據的份額為10.6%、8.4%。根據中國招標網數據，2018-2021年，過程工藝 控制和半導體檢測兩類設備的國產化率低于10%，國產替代還有較大空間。 過程工藝控制中檢測、量測設備市場份額分別為62.6%、33.5%，廣泛應用于前道 制程和先進封裝的各環節。根據VLSI Research劃分，全球過程工藝控制設備共包 含檢測6類、量測8類共計14小類。從半導體主要工藝環節看，光刻、刻蝕、離子注 入、CMP等環節對量檢、檢測設備需求量較大。
（三）本土企業率先布局高應用寬度、低技術壁壘領域
根據各檢測量測設備市場空間、設備應用寬度、設備難度壁壘構建技術矩陣圖，其 中市場空間引用自VLSI Research統計的2020年全球各檢測量測設備市場規模，設 備應用寬度以各設備在前道制程和先進封裝領域所涉及的環節總數表示，設備難度 壁壘以各設備在科磊半導體、中科飛測等共計14家海內外設備公司產品線中的被覆 蓋程度表示。結論如下:
（1）寬應用低壁壘：以無圖形晶圓檢測、圖形晶圓檢測、關鍵尺寸量測為代表，此 類設備在半導體制造過程中應用環節更多，市場空間相對較大，且技術壁壘相對較 低，為國產廠商率先替代領域，以中科飛測、上海睿勵等廠商為代表的本土廠商以 率先進行布局并獲得市場認可。
（2）窄應用高壁壘：以納米圖形晶圓檢測、套刻精度量測、掩膜版檢測/量測為代 表，此類設備重點應用于光刻等晶圓制造核心環節，且深度參與光刻工藝，對制程 節點較為敏感。同時，通常來說設備的最小靈敏度是生產工藝節點的0.5-1倍左右的 關系，因此納米級晶圓檢測對設備要求更高，相應設備單價更貴，市場空間更大。 此類設備提供商以科磊半導體、應用材料、阿斯麥爾等海外廠商為主，同時天準科 技通過并購德國公司MueTec進軍掩膜版、套刻精度量測領域。
國產替代邏輯繼續強化
從2019年到現在，中美貿易摩擦不斷，美國的集成電子發展一系列限制措施主要通過限制半導體設備來卡芯片制造的發展。因為半導體產業鏈中最核心的基石就是設備，沒有設備就無法生產芯片，因此國內半導體產業受到政策大力扶持。
在諸多半導體設備中，量/檢測設備是半導體生產各制程中的必備環節，能夠保證生產線量產的同時確保產品良率，可以說貫穿晶圓制造全過程。
但是，量/檢測設備市場基本被外企壟斷，2020年KLA以52%的市場占比穩居第一。回溯KLA的成長路線，擁有極高的回報趨勢，2010-2022年凈利潤從2.12億美元增長至33.22億美元，年復合增長率達到25.76%。
KLA能夠穩坐行業寡頭，原因就在于量/檢測設備行業的技術壁壘極高，這也導致國產化率極低，目前國內量/檢測設備的生產廠家沒有一家能夠實現過程工藝的全覆蓋。精測電子屬于國內半導體量/檢測設備的龍頭企業，是覆蓋前道制程的量/檢測設備最多的企業之一。
從行業細分來看，納米圖形晶圓缺陷檢測設備的市場規模最大，可達18.9億美元，目前精測電子已實現量產，同時中科飛測也在研發階段；關鍵尺寸量測設備僅精測電子一家可投入使用，目前設備市場規模可達16億美元；晶圓介質薄膜量測設備方面，雖然精測電子、中科飛測、上海睿勵均實現量產，但整體市場放量不足，當前市場規模為2.3億美元。
需要指出，隨著國產替代邏輯繼續強化，上游國內晶圓制造廠商每年的資本開支保持在高位，量/檢測設備行業同步迎來發展窗口期。根據Omdia預測數據，2021-2025年本土主要晶圓制造廠商中芯國際、華虹、長江存儲、長鑫存儲、華潤微每年的資本開支將繼續保持在110-130億美元，有望進一步推動上游半導體檢測設備行業的發展。
