2018年半导体检测设备行业分析报告

2018年半导体检测设备行业分析报告2018年3月目录TOC\o"1-5"\h\z\u一、区分半导体前道检测和后道测试 51、半导体产品加工过程大致可分为前道和后道 52、检测/测试可分为前道检测和后道测试 6（1）前道晶圆检测(WaferMetrology)，主要在wafer制造环节 6（2）后道中测（CP，circuitprobe），主要在芯片封装前 7（3）后道终测（FT，finaltest），主要在芯片封装后 9（4）其他测试 10二、前道检测与后道测试的重要区别 111、前道更多偏向外观性检测，后道更多偏向功能性测试 112、面板检测类似，中前段为外观性检测，后段为功能性测试 113、长川科技目前主要设备为后道环节的检测设备 124、精测电子在面板领域已经从后段切入中前段 12三、后道测试设备：市场空间超300亿，测试机、探针台、分选机为重点设备 131、终测检测设备市场空间近300亿人民币 132、国产测试机中低端为主，中高端国外领先厂商份额近90% 163、中测CP环节设备最大的区别是增加了探针台 18（1）手动探针台 19（2）半自动/自动探针台 20四、前道检测设备：市场空间近300亿，被KLA、应材、日立垄断 201、前道检测类型众多，但多为外观检测 20（1）膜厚检测 20（2）掩膜或光罩缺陷检测 21（3）不带图形的圆片检测/裸圆片检测 21（4）图形表面缺陷检测 21（5）关键尺寸CD检测/线宽检测 222、前道检测设备的总市场空间约为280亿人民币 223、比较面板制程与晶圆前道制程，具有较强相似性 23五、精测电子与长川科技，各有其成长之路 25六、风险因素 251、半导体设备国产化进程不达预期 252、电子工艺装备行业周期性波动的风险 26

本文通过分析半导体生产前后道检测、面板前中后段检测的异同，探寻精测电子和长川科技这两家检测设备小龙头的成长之路。半导体检测分为前道晶圆检测和后道中测及终测。①其中前道检测更多偏向于外观性/物理性检测，主要使用光学检测设备及各类inspection设备；后道测试更多偏向于功能性/电性测试，主要使用ATE设备及探针台和分选机；②与半导体类似，面板检测中前段主要为外观性检测，后段主要为功能性测试。其中，晶圆前道制程与面板的array制程具有多道相似工艺，如薄膜镀层、光罩感光、干湿法刻蚀等。后道空间400亿以上，主要被国外厂商垄断：①后道FT检测设备空间约300亿人民币，其中测试机（ATE）为最关键设备，优势厂商有爱德万、泰瑞达等。在测试机市场中，SOC测试机、存储器测试机的市场占比合计近90%，爱德万+泰瑞达的市场份额超过80%。国产厂商长川科技的测试机目前仍以电源管理芯片测试机为主，未来仍有较强的提升空间；精测电子未来目标进入存储和面板驱动芯片检测设备市场，期待后续产品出货；②后道CP检测设备最大的区别是把分选机改为探针台，判断全球探针台市场空间约为70亿左右。以东京电子(TEL)为代表的厂商雄霸了全球的探针测试设备市场；长川短期目标即进入探针台市场。前道检测设备多为AOI和各类inspection设备，市场空间也近300亿，被KLA、应材、日立垄断。国产厂商睿励科学仪器在前道检测方面有不小的突破。对标以色列的奥宝等企业，从PCBAOI检测发展到面板中前段AOI检测，再到半导体AOI检测是检测企业想要发展壮大的必由之路。一、区分半导体前道检测和后道测试1、半导体产品加工过程大致可分为前道和后道从简化角度看，半导体产品的加工过程可以大致分为前道(Front-End)晶圆制造环节和后道(Back-End)封装测试环节。从具体的步骤来看，芯片生产过程非常长，流程十分复杂，要经过电子硅、拉制单晶、切割单晶、切磨抛制取晶圆、光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、清洗、晶圆测试与分割、核心封装、分级测试等二百个步骤；在生产和封测中，需要光刻机、刻蚀机、成膜设备、减薄机、划片机、引线键合机、倒装机、塑封机、切筋打弯等封造设备的辅助。2、检测/测试可分为前道检测和后道测试与芯片的整个加工流程相对应，检测/测试也可以分为前道检测和后道测试。总体来说，半导体制造全过程中可以分为以下三种大类的测试：（1）前道晶圆检测(WaferMetrology)，主要在wafer制造环节测试目的：在芯片制造过程中，为了保证晶圆按照预定的设计要求被加工必须进行大量的检测和量测，包括芯片线宽度的测量、各层厚度的测量、各层表面形貌测量，以及各个层的一些电子性能的测量；前道或后道：由于这些检测都是穿插在晶圆加工环节的多道工序前后，因此明显为前道检测环节；主要内容：该环节的检测内容非常多，包括膜厚、条宽/线宽、距离差、对准、杂质、粒子、沾污、图形缺陷、电性能、膜组成和外观等；用到的设备：缺陷检测设备晶圆形状测量设备、掩膜板检测设备、CDSEM（微距量测扫描式电子显微镜）、显微镜等；（2）后道中测（CP，circuitprobe），主要在芯片封装前测试目的：这个环节也有叫做芯片分选测试(diesort)或晶圆电测(waferprobe)等。主要是测试整个晶圆片（wafer）上每个芯粒(die)的逻辑。简单来说，CP是把坏的Die挑出来并标记出来，后续只封装好的die。这样做可以减少封装和测试的成本，也可以更直接的知道Wafer的良率。前道或后道：关于中测到底属于前道还是后道一直有分歧。认为它是前道的人认为，这种测试是在把晶圆片切割成一个一个die之前的测试，与晶圆加工(waferfab)一样都是waferlevel的加工环节，应该属于前道生产。但是我们认为其应该划分在后道，主要有三个原因：i.这道测试是在芯片封装的过程中而不是芯片制造的过程中完成的，因此应当属于属于后道环节，可以把CP认为是半导体后道封装测试的第一站。ii.这道测试更加偏向电性测试、功能性测试，与终测具有相似性，与前段晶圆测试区别较大；iii.这道环节主要用到的设备测试机等与终测环节的测试机原理相似，而且现在对于一般的wafer工艺来说，很多公司会把CP环节省去，减少成本，只进行FT测试。综上，我们认为CP环节应当算是后道工序。用到的设备：测试机（ICTester/ATE）、探针卡（ProbeCard）、探针台（Prober）以及测试机与探针卡之间的接口等。例外：有些晶圆厂在出厂前会进行一道测试，叫做WAT测试，主要用到的设备为晶圆电性测试探针台（WATProber），从这个名字我们可以看出，其流程是比较类似于后面封测厂做的CP测试的。但要注意的是，这道检测并不检测芯片本身的功能，它的作用是Fab厂检测其工艺上有无波动。（3）后道终测（FT，finaltest），主要在芯片封装后测试目的：测试每颗封装好的芯片（chip）的逻辑。简单来说，FT是把坏的封装好的chip挑出来，可以直接检验出封装环节的良率；与中测的区别：简单来说，中测完没有问题的die才会去封装；封装完了再去终测，确保封装后的chip也没有问题；具体步骤：于IC封装后，测试封装完成的产品的电性功能，以保证出厂IC功能上的完整性，并对已测试的产品依其电性功能作分类（即分Bin），作为IC不同等级产品的评价依据，最后并对产品作外观检验（Inspect）作业；前道或后道：由于是测试已经封装好的芯片，显而易见是后道测试；用到的设备：测试机（ICTester）、分拣机/分类机（Handler）等。在经过了这三大类测试后，我们就可以计算出每个环节良品率。（4）其他测试除了在芯片制造环节的WP大类、封装环节的CP大类和测试环节的FT大类，在芯片封装环节其实也有其他检测。比如晶圆切割成die、清洗过后的2ndOptical（第二道光检）环节；引线焊接后的3rdOptical（第三道光检）环节。第二道光检的目的主要是针对wafer切割之后在显微镜下进行Wafer的外观检查，是否有出现废品。第三道光检的目的主要是检查芯片粘接（DieAttach）和引线焊接（WireBond）之后有无各种废品。这里面的相关设备包括三光机等，相关厂商有无锡捷荣、上海微曦等。二、前道检测与后道测试的重要区别1、前道更多偏向外观性检测，后道更多偏向功能性测试由于前道的测试主要包括外观性的检测、物理检测等，因此更多的涉及光学原理，更多情况下可以称为AOI设备（AutomaticOpticInspection）、或者叫XXinspection设备。而后道的测试（包括CP和FT）主要均为功能性的检测、电性测试等，因此更多的涉及电学原理，代表设备为ATE(AutomaticTestEquipment)。它实际上是一个测试系统，这个系统里面包括计算机和软件系统、系统总线控制系统、图形存储器、图形控制器、定时发生器、精密测量单元(PMU)、可编程电源和测试台等。2、面板检测类似，中前段为外观性检测，后段为功能性测试面板检测也类似，中前段主要为外观性检测，后道主要为功能性测试如下图，面板生产也可以分为前、中、后端工序，对应Array、Cell、Module端工序。在前面两端制造环节中，我们可以看到大量存在AOI、inspection等检测设备，大多偏向光学原理；而后端除了部分AOI之外，更多的为老化测试、点灯测试等，主要为电学原理。3、长川科技目前主要设备为后道环节的检测设备目前长川科技主要做的测试和分选设备就是在终测环节的测试设备。而公司未来将突破的探针台，则是为了切入中测环节的测试设备。无论是中测还是终测，测试机方面的基本原理较为相似，更多的为电学原理，最大的区别在于分选机和探针台之间的区别。而对于长川科技来说，短期内专注于后道环节的检测设备，是逻辑更加正确、资源分配更为合理的发展渠道。4、精测电子在面板领域已经从后段切入中前段精测电子于2017年推出宏微观机、2018年推出demura设备，均为中前段环节、偏向光学原理的检测设备。作为国内少有的“光、机、电”一体化的设备厂商，公司的产品线越来越齐全，且具有较强延展性。三、后道测试设备：市场空间超300亿，测试机、探针台、分选机为重点设备1、终测检测设备市场空间近300亿人民币以存储器为例，其Finaltest测试的主要流程如下图：1）在后道测试的FT0、1、2环节，主要用到的设备是测试机（ATE），优势厂商有爱德万、泰瑞达等，这是后道检测中最关键的设备。ATE与分选机配合，即可以进行后道的FT测试；如果与探针台配合，就可以做后道的CP测试。从长川科技的招股说明书中，可以看到单台国产测试机的单价约在30万元左右。根据我们的草根调研，预计华峰的售价更高一些，而国外厂商设备的价格预计在50万元以上。2）FT测试后，测试的结果会从测试机内传到分选机内，分拣机会依其每颗待测品的电性测试结果来作分类（此即产品分Bin）。从长川科技的招股说明书中，可以看到单台国产分选机的价格在30万左右。目前在国内销售的分选机制造厂商包括爱德万（日本）、致茂电子（台湾）、长川科技、上海中艺、鸿劲科技、上海微曦、芝测等；3）另外，一般高单价IC/存储器会经历burnin环节，即老化测试，还有老化后测试（post-burn-inelectricaltest），其主要目的就在于给待测IC提供一个高温、高电压、高电流的环境，使生命周期较短的IC在BurnIn的过程中就被检测出来。这里面主要用到的设备就是预烧炉。另一种情况，除了高温老化测试外，还有三温测试，一般商业用途（民品）芯片通常会经过0℃、25℃和75℃条件下的测试，而军事用途（军品）芯片则需要经过-55℃、25℃和125℃。这里面主要用到的设备包括三温测试分类机等。根据SEMI最新的统计，2017年全球晶圆加工设备销售收入将增加37.5%，达到450亿美元；前端的FAB设施设备、晶圆制造和掩模设备，预计将增加45.8%，至26亿美元；封装设备部分将增长25.8%，至38亿美元；测试设备预计今年将增长22%，达到45亿美元(285亿人民币)。按照SEMI的统计口径，这280亿人民币的设备主要为FT环节的测试设备。考虑到CP环节也有测试设备，判断总测试机+探针台+分选机的市场空间达到400亿人民币。而分地区看，2018年中国地区的设备销售增长率预计近49.3%，达到113亿美元（750亿人民币），如果以同样的设备占比计算，2018年中国地区的后道FT测试设备市场空间约为9-10亿美元，合计约60-65亿人民币。加上后道CP测试设备的市场空间，预计合计国内后道测试设备市场空间约100亿左右。2、国产测试机中低端为主，中高端国外领先厂商份额近90%测试机(ATE，AutomaticTestEquipment)是一种由高性能计算机控制的测试仪器的集合体，是由测试仪和计算机组合而成的测试系统。一般大家认为这种测试系统都是通用的，其实大部分测试系统的设计都是面向专门类型的集成电路，这些专门的电路包括：存储器、数字电路、模拟电路和混合信号电路。每种类型下还可以细分成更多种类，我们这里只考虑这四种类型。纯的模拟电路测试空间较小：主要因为现代电子系统中使用的大部分IC都包含有数字信号。在20世纪80年代之前，模拟IC曾在IC总市场中占有25％的市场份额；80年代中后期是PC、数字通讯Internet起飞的时期，模拟IC市场比重下降至20％以下；至90年代，数字技术Mos存贮器和微器件(MPU、MCU)两类产品有突破性发展，平均年增长率都超过15%。但模拟电路市场份额并未下降，而和数字型IC同步增长，市场份额一直保持在16%-17%左右。目前长川科技测试设备基本上都是模拟IC的测试机，还有一部分数模混合测试机，目前正积极向数字电路测试机突破；SOC测试机、存储器测试机的市场占比合计近90%：近年来，随着IC复杂度的日益提高，迫使设计人员采用更为先进的工艺技术，将更多的功能集成到单芯片内，系统级芯片(SystemonChip,SoC)因此受到广泛应用，目标是进一步降低整机系统设计、测试和制造的成本。截至2017年底，全球ATE设备的市场空间在200亿以上，其中SOC测试机占比70%以上，存储器测试机占比约20%，剩余10%为其他类型的测试机。反观长川科技的测试机，目前仍以电源管理芯片为主，未来仍有较强的提升空间；精测电子前期联合三星供应商IT&T，率先进入存储和面板驱动芯片检测设备市场，期待后续产品出货；按层次可以将测试设备分为三大类，中、高档的ATE设备仍以依赖国外进口为主：1）高端产品：针对高性能CPU、DSP、高速、大容量存储器及高端SOC、ASIC电路；2）中端产品：测试速率一般为几十兆到一百兆，测试通道达几百个。其特点为：一般采用新型高速、高密度、低功耗MOS器件，在测试精度、速度、测试范围做了优化调整，使测试系统的体积、功耗、成本都大为降低。主要测试对象是新型的消费类IC、通用类的存储器、微控制器、数/模混合IC及不断出现的SOC、ASIC类芯片；3）专用设备：针对测试对象采用最优设计的测试系统，其特点是结构相对简单。成本低、但测试范围窄、适应性差。主要用于中、低端IC及特出测试需求，从以上测试系统应用而言，每种系统都有其主要的应用范围。目前国内已经装配的测试系统主要偏重在低档数字测试系统、模拟及数字、模拟混合测试系统等，其中的领先厂商包括长川科技、华峰测控、泰思特等。本土厂商在中高档测试能力部分目前仍十分薄弱，尚无法与国外业者相抗衡（包括爱德万Advantest、泰瑞达Teradyne、Verigy、居诺JUNO半导体等）。但在各路资金、上下游企业的大力支持下，国产中、高档测试系统已经研制成功，目前正进入小批量生产阶段。相信不久将逐步服务于国内IC生产线中。爱德万和泰瑞达在不同检测领域各有优势：爱德万、泰瑞达为全球半导体产业最大的自动化测试设备(ATE)供应商，二者合计份额达到80-90%，在不同的测试机领域各有优势：在SOC测试领域，泰瑞达的旗舰产品出货量更高：截至2017年6月，爱德万的两大旗舰SOC测试平台中，V93000测试系统创下5000套出货量的好成绩，T2000也出货近3000台。相比之下，泰瑞达的UFLEX出货2000+，J750近6000台；在存储器测试领域，基本上爱德万的产品已成为业界标准：虽然NextestMagnum系列抢了部分市场份额，但是还差的很远；在面板驱动IC测试领域：曾经爱德万和横河电机是竞争对手，现在横河电机几乎退出市场了。3、中测CP环节设备最大的区别是增加了探针台探针测试台(Prober)是前后道工序之间用于对半导体器件芯片的电参数特性进行测试的关键设备，它可以将电参数特性不符合要求的芯片用打点器(INKER)做一明显标记，便于在后道工序中及时将其剔除，这样就有效地提高了半导体器件生产的成品率，大大降低器件的制造成本。在具体测试的时候，晶圆被固定在真空吸力的卡盘上，并与很薄的探针电测器对准，同时探针与芯片的每一个焊盘相接触。电测器在电源的驱动下测试电路并记录下结果。测试的数量、顺序和类型由计算机程序控制。探针台可分为手动、半自动/全自动探针台。比较好的探针台主要由基台(精密机械)部分、光学系统、配件(探针座，防震桌，光罩)以及其他辅助增强系统，如lasercutter，温度控制等附件组成。一般来说，探针台的单价在百万级别，远高于分选机。根据统计，探针台的市场份额约占总测试机+探针台+分选机的市场空间的10-15%左右，因此判断2017年全球探针台市场空间约为60-70亿左右。（1）手动探针台手动探针台代表性产品有英国的wentworth、台湾的everbeing、韩国Ecopia、宜特等也均有组装产品，配件一般采用美国或日本的机械系统和光学系统。（2）半自动/自动探针台一般用来测试批量成品，半成品的成品率。是晶圆代工厂(foundry)、封装厂、测试厂的主要设备之一。半自动探针台的代表性产品有德国Suss微技术公司的BlueRay半自动探针台，全自动探针台的生产厂商主要有美国Electroglas，日本的东京精密(Accretech)、东京电子(TEL)等。三大公司雄霸了全球的探针测试设备市场，其中东京电子占比最高。四、前道检测设备：市场空间近300亿，被KLA、应材、日立垄断1、前道检测类型众多，但多为外观检测前道检测主要包括三大类：光学检测、薄膜检测、关键尺寸扫描电子检测(CD-SEM)。晶圆检测的一个重要发展趋势是将多种测量方法融合于一个工艺设备中。目前整个市场基本被KLA、应用材料、日立垄断，而国产厂商上海睿励科学仪器在前道检测方面有不小的突破。具体来说，可以分为以下几种检测：（1）膜厚检测由于硅片工艺是成膜工艺，在整个制造工艺中硅片表面有多种类型不同的膜。这些不同类型的膜有金属、绝缘体、光刻胶和多晶硅，这些薄膜的质量是高成品率制造工艺的基础。膜的最关键质量参数是它们的厚度。膜厚测量可以划分为两个基本类型：它们或是测量不透明（遮光物，如金属）薄膜或是透明薄膜。其他质量参数包括表面粗糙度、反射率、密度以及缺少针孔和空洞。相关厂商包括：KLA-tencor（KT的强势领域）、网屏、OMRON、RudolphTechnologies等。国内厂商上海睿励在这一检测设备上也有突破。（2）掩膜或光罩缺陷检测无缺陷的光罩(也称为光掩膜或光罩)是实现半导体器件高良率的关键因素，因为光罩缺陷可以被复制到产品片上的多个芯片上。相关厂商包括：KLA-tencor（KT的强势领域）、应用材料等。（3）不带图形的圆片检测/裸圆片检测不带图形的圆片包括硅基片、抛光片和外延片等。裸圆片检测主要包括厚度(中心厚度、最小厚度、最大厚度和平均厚度)、总平整度、形态(拱形、翘度)、粒子和缺陷等。相关厂商包括：KLA-tencor、日立、RudolphTechnologies等；国内厂商上海睿励在这一检测设备上也有突破。（4）图形表面缺陷检测带图形圆片是指圆片在热氧化、CVD、CMP、腐蚀和光刻工序中形成的图形，在加工过程中会产生各种缺陷。典型的缺陷包括颗粒、划伤、裂纹和其他材料缺陷等。相关厂商包括：KLA-tencor、应用材料、日立、网屏、RudolphTechnologies、UnitySC、OSI、鸿骐新技等；国内厂商上海睿励在这一检测设备上也有突破。（5）关键尺寸CD检测/线宽检测关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的准确控制。关键尺寸的变化通常显示半导体制造工艺中一些关键部分的不稳定。相关厂商包括：日立、应用材料等，其中日立在这一环节具有大头的份额；国内厂商上海睿励在这一检测设备上也有突破。2、前道检测设备的总市场空间约为280亿人民币根据Globalfoundries公布的厂房投资的结构占比，量测设备占总设备投资的比例约为10%。根据semi统计，2017年全球晶圆加工设备销售收入为450亿美元，则前道量测设备的销售收入约为45亿美元，即280亿人民币。3、比较面板制程与晶圆前道制程，具有较强相似性我们先简单看一下简化