集成電路制程向前推進的關鍵 國產電子束量檢測設備加速崛起

半導體的量檢測設備貫穿整個芯片制造工藝的全流程，對保證產品質量起到關鍵性作用。SEMI數據顯示，半導體量檢測設備需求將占2024年全球半導體前道制造設備市場的11%，2024年中國大陸的量檢測設備支出規模將達30億美元，是除了光刻機、刻蝕機、薄膜沉積三大類核心設備以外需求占比最大的賽道，也是成長最快的細分賽道。

電子束量檢測是半導體量檢測領域的主要技術類型之一，在半導體制程不斷微縮，光學檢測對先進工藝圖像識別的靈敏度逐漸減弱情況下，發揮著越來越重要的作用。電子束量檢測設備對于檢測的精度、可適用性、穩定性、吞吐量等要求很高，設計者需要考慮如何提升電子束的電流密度、分辨率、探測器響應速度以及實現電子束掃描和圖像采集并行運行等關鍵問題。正是由于技術的挑戰性，目前電子束量檢測設備市場依然由AMAT、Hitachi、ASML等國際大廠主導，我國電子束量檢測設備的國產化率仍較低。

但是，近年來，國內已有部分企業開始涉足該領域，取得了一些可圈可點的成績。例如，東方晶源推出的電子束缺陷檢測設備EBI、關鍵尺寸量測設備CD-SEM率先填補國內空白，作為布局該領域最早的國內企業之一，其產品多樣化和產品成熟度走在前列。精測電子等檢測公司也紛紛布局電子束檢測市場，部分產品已實現交付。鑒于電子束量檢測設備的重要性和極高的技術壁壘，其國產化進程對集成電路制造自主可控具有重要意義。

需求拉動，電子束量檢測設備市場持續擴大

檢測和量測環節是集成電路制造工藝中不可缺少的組成部分。檢測指在晶圓表面上或電路結構中，檢測其是否出現異質情況，如顆粒污染、表面劃傷、圖案缺陷、開短路等對芯片工藝性能具有不良影響的特征性結構缺陷；量測指對被觀測的晶圓電路上的結構尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、關鍵尺寸、刻蝕深度、表面形貌等物理性參數的量測。根據YOLE的統計，工藝節點每縮減一代，工藝中產生的致命缺陷數量會增加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證最終的良品率。在具體生產流程中，量測設備會在涂膠、光刻、顯影去膠、刻蝕等步驟后對晶圓進行檢測，以篩除不合格率過高的晶圓，從而保證工藝質量。

按照技術的物理原理區分，檢測和量測主要包括光學量檢測技術、電子束量檢測技術和X光量測技術。傳統檢測技術以光學檢測為主，通過光學成像原理對比晶圓上相鄰die的光學信號差異，可以在短時間內進行大范圍檢測。但隨著半導體制程的不斷進步，關鍵尺寸不斷變小，甚至朝向3D立體結構發展，光學檢測在先進工藝的圖像識別的靈敏度逐漸減弱，因此電子束檢測技術開始在先進工藝中被較多使用。

電子束的量測、檢測原理為利用電子束掃描待測晶圓，得到高分辨率的電子束圖像，再搭配檢測、量測等不同的算法來解析晶圓上的缺陷和關鍵尺寸等信息。由于電子束分辨率高，電子束檢測設備可以檢測很小的表面缺陷，比光學檢測具有更高的靈敏度，如柵極刻蝕殘留物等。并且電子束還可以檢測集成電路的通斷，即所謂的電性缺陷（Voltage Contrast Defect，簡稱VC Defect）；電子束關鍵尺寸量測設備可對高分辨率圖像進行直接量測，為芯片制造復雜工藝流程提供ground truth，這也是光學技術從物理原理上無法實現的能力。相較于光學量檢測技術，電子束量檢測技術盡管靈敏度較高，但量檢測速度較慢，因此在針對先進制程芯片的生產流程時，會同時使用光學量檢測與電子束量檢兩種技術互相輔助，進而快速實現晶圓生產的關鍵尺寸和缺陷的控制和改善。

圖注：全球半導體設備市場格局：刻蝕、沉積、光刻、量測設備居前

目前，我國半導體晶圓廠建設進程正在加速。近幾年里，中芯國際先后公告投資76億美元于北京亦莊建設每月約10萬片的12英寸晶圓產能、投資23.5億美元于深圳建設每月約4萬片的12英寸晶圓產能、投資88.7億美元于上海臨港建設每月約10萬片的12英寸晶圓產能。再加上長江存儲、合肥長鑫、華虹華力、士蘭微、積塔半導體、格科微等規劃擴建或新建的晶圓廠，其中既有成熟工藝，也有28nm及以下的先進工藝。這為國產設備廠商提供了廣闊的市場空間。

AMAT、Hitachi、ASML等國際大廠雖然占據這一市場主導地位，但是國內設備廠商近年來的成長速度也很快。比如東方晶源，其EBI設備2021年6月已經通過28nm以上制程logic驗證，進入全自動量產，成為國內完成該項驗證的首臺套設備；CD-SEM方面，12英寸CD-SEM于2021年6月推出，8英寸CD-SEM于2022年3月推出，6&8英寸兼容CD-SEM于2023年4月推出，并已銷售數十臺設備。值得一提的是，東方晶源推出的EBI、CD-SEM設備均為國內首臺。其在數年中快速迭代，在保證產品性能的情況下，完成了幾個主要細分領域的布局，不僅填補國內空白，還解決了客戶可能面臨的卡脖子問題。此外，國內廠商精測電子也在積極開發EBI設備，預計2024年推出樣機，其8英寸CD-SEM已進入產線驗證；矽視科技有望在今年推出EBI 的DEMO，其8/12英寸CD-SEM則已通過DEMO驗證；惠然微電子的CD-SEM產品在經過研發后，目前進入出機階段。

從EBI到DR-SEM，精準度量引領進步

（1）EBI：歷時三代煥新，檢測速度提升3倍-5倍。EBI（電子束缺陷檢測設備）是集成電路制造中不可或缺的良率監控設備。其基本原理是結合掃描電鏡成像技術，高精度運動控制技術，高速圖像數據處理和自動檢測分類算法等，在集成電路制造關鍵環節對晶圓及集成電路的物理缺陷和電性缺陷進行檢測，避免缺陷累積到后續工藝中。

東方晶源早在2019年就成功研發并推出的SEpA-i505是國內首臺電子束缺陷檢測設備，可提供完整的納米級缺陷檢測和分析解決方案，在2021年便進入28nm產線全自動量產。經過數年研發迭代，新一代機型SEpA-i525在檢測能力和應用場景方面得到進一步拓展。在檢測速率方面，新款EBI產品可兼容步進式和連續式掃描，連續掃描模式適用于Memory Fab，結合自研探測器的性能優化，較上一代機型能帶來3倍-5倍的速度提升；新開發的電子光學系統設計可支持negative mode檢測方式和40nA以上的檢測束流；同時引入多種wafer荷電控制方案，降低荷電效應對圖像的影響。在應用場景方面，東方晶源的EBI設備也從邏輯Fab領域延伸至Memory Fab，可以為客戶解決更多的制程缺陷問題。

此外，東方晶源EBI設備基于DNA缺陷檢測引擎，采用圖前臺與運算后臺低耦合，支持同步online/offline inspection。集成多種先進缺陷檢測算法（D2D、C2C等），可以滿足用戶不同應用需求，有效提高Capture Rate，降低Nuisance Rate。采用的自動缺陷分類（ADC）引擎，其中的Model-Based ADC模塊基于深度學習、自動特征選取、融合置信度的聚類算法，可以有效提升自動缺陷分類的Purity和Accuracy；Rule-Based ADC模塊則保留了人工經驗的靈活性，在小樣本的場景下可以快速創建。

（2）CD-SEM：面向6、8、12英寸產線全面布局。CD-SEM(關鍵尺寸量測設備)主要是通過對于關鍵尺寸的采樣測量，實現對IC制造過程中，光刻工藝后所形成圖形尺寸進行監控，以確保良率。東方晶源的CD-SEM分為12英寸和6&8英寸兼容兩個產品系列，均已進入用戶產線，可支持Line/Space、Hole/Elliptic、LER/LWR等多種量測場景，滿足多種成像需求。

12英寸CD-SEM新一代機型SEpA-c430經過2年的迭代，在量測性能和速度上實現全面提升，目前也在多個客戶現場完成驗證。該產品的量測重復精度達到0.25nm，滿足28nm產線需求；通過提升電子束掃描和信號檢測，產能提高30%；新推出的晶圓表面電荷補償功能，可以提高光刻膠量測的能力。新機型還增加了自動校準功能，可確保較高的量測一致性，為產品的大規模量產做好了準備。

除12英寸產品外，東方晶源6&8英寸產品的優勢更大。國際大廠新設備的交期長、價格高，東方晶源具有更高的性價優勢。日前，東方晶源還針對第三代半導體市場推出SEpA-c310s，不僅實現了6&8 英寸兼容，同時還可兼容不同材質的晶圓（例如GaN/SiC/GaAs），兼容不同厚度的晶圓（例如350um，1100um）。該產品已在多個頭部客戶實現了量產驗證。

值得一提的是，2022年底東方晶源ODAS LAMP產品已正式發布。ODAS LAMP全稱為Offline Data Analysis System, Large Scale Automatic Measurement Purpose產品，中文名稱為大規模CD量測離線數據處理系統。

ODAS LAMP作為CD-SEM量測設備的配套工具，目的在于方便CD-SEM用戶利用設計版圖離線創建和修改CD-SEM recipe。并且提供對CD-SEM量測結果的review功能，也可以在CD-SEM圖像上進行離線再量測，提升機臺利用率。

（3）DR-SEM：瞄準新需求，開拓新領域。DR-SEM（電子束缺陷復檢設備）是東方晶源最新涉足的細分領域。根據SEMI數據，2024年12英寸產線DR-SEM需求量約為50臺。未來3-4年，12英寸產線DR-SEM設備總需求量約為150臺。根據中商產業研究院數據，2024年DR-SEM需求金額約為1.491億美元，未來3-4年DR-SEM設備需求約為4.47億美元。2023年東方晶源推出首款SEpA-r600TM系統，目前已經出機到幾個頭部客戶進行產線驗證。在設備開發過程中，得益于公司前期的技術積累，比如借鑒已趨于成熟的EBI技術，開發進程得以顯著縮短，圖像質量達到客戶的需求，CR>95%，接近成熟機臺水平。

在輔助光學系統復檢OM的研發方案選擇中，東方晶源繞開國外供應鏈的限制，獨立開發出一套全新光學窗口成像系統。借助于這套系統，目前已完成對unpatterned wafer的光學復檢功能的開發，實現了auto bare wafer review的功能，滿足客戶對70nm左右defect的復檢需求。也就是說，東方晶源的DR-SEM設備不僅能夠進行pattern wafer auto review ，也能夠進行unpattern wafer review功能，并附帶缺陷元素分析。

另外，DR-SEM的高電壓電子槍能夠滿足客戶對淺層缺陷的分析，同時對較深的孔底部也能夠有明顯的信號。根據針對客戶需求深度拆解，這款DR-SEM設備還引入了全彩OM，能實現色差調整，以滿足不同film內部color defect的檢測，為客戶提供更多的表征手段。據悉，東方晶源結合下一代自研EOS，搭配深紫外DUV輔助光學檢測系統，還將推出新一代DR-SEM設備，可滿足更先進制程全流程的defect復檢需求。

軟硬件結合守護芯片良率，國產替代逐步加速

東方晶源還推出良率管理系統軟件YieldBook。這是一套貫穿芯片整個生命周期的數據整合及分析工業軟件。YieldBook集合設計、制造、封裝、測試的全種類數據，建立起統一的數據平臺，基于此平臺，可以進行單獨工藝質量監控，整體缺陷率統計，良率損失溯源分析，將制造難點向上游設計反饋等，全面監控影響良率的因素并輔助良率提升。如果將量測檢測設備比做“點”的話，那么良率管理系統就是一條“線”，把許多的點連接起來，系統化管理。據悉，YieldBook是業界率先實現量測數據（MMS）、缺陷數據（DMS）、良率數據(YMS)全面統一的良率管理系統，打破由國際廠商壟斷的局面，并且借助自身量測檢測機臺的優勢，實現Fab數據的可視化管理。東方晶源相關負責人表示：未來將繼續深耕，在確保功能更加齊全的同時，提供更有競爭力的價格，更有效地幫助客戶實現快速機臺跨機，工藝優化。此外，YieldBook還將對先進節點芯片制造的良率管理提供有利支持，降本增效的同時，實現良率快速爬坡、穩定量產。

圖注：良率管理軟件YidldBook

除上述產品之外，東方晶源還有計算光刻軟件OPC產品，是國內唯一一家集OPC和檢測量測設備于一體的公司。OPC軟件可以和電子束檢測量測設備實現無縫連接，不僅能快速實時優化OPC model, 也能準確并快速地量測關鍵圖像的尺寸，識別關鍵區域是否有缺陷。東方晶源充分利用這個優勢，實現軟件硬件協同，提供HPOTM良率最大化技術路線和產品設計理念，使得芯片設計信息可以在芯片制造過程中起到關鍵作用。芯片制造環節中的經驗與良率數據可以及時反饋到芯片設計端，讓設計、制造、檢測可以實現閉環和快速迭代，加快國產芯片技術的全鏈條升級。軟硬件結合給客戶提供全流程工藝解決方案，這是其他企業所沒有的優勢。

國內目前正在大力推進芯片制造產能的進一步擴張，極力提升芯片國產化率，鑒于量測/檢測設備對于提升良率的重要意義，整體晶圓廠產線的國產化會大幅提升國內對于量測/檢測設備的需求。早在十年前創辦之初，東方晶源就聚焦集成電路良率管理，開始布局電子束量檢測領域，積累了深厚的研發基礎和能力。面對當前國際局勢，東方晶源致力于提升半導體量檢測中的設備性能和效率，解決國產半導體發展中的卡脖子問題。同時，基于其在計算光刻領域的領先性，開創性提出的軟硬件相結合的DTCO解決方案，也將為國內集成電路產業帶來更多有益探索，推動行業發展和進步。