检测设备专题报告：半导体缺陷检测，谁会成为中国的科磊
未来智库2020-02-29 21:48
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不同于市场的观点
“半导体检测设备”中的“检测”是一个广义的感念。都称之为“检测”的设备又可以进一步具体分为：狭义的检测（主要是 Defect Inspection & review）、测量（Metrology）以及测试（Test）。除去这三种工艺制程相关的“检测”设备外，在设计验证阶段还有第三方检测公司，主要做芯片的失效分析。
四种设备都会含有“检测”或者“测试”的字眼，对产业不了解的情况下可能会有所混淆。本系列报告将逐个拆解研究。
“检”：狭义检测（主要是 Defect Inspection）本篇重点。“量”：测量（Metrology），也叫量测。测量=量测。
“试”：测试（test）。
下表综述了半导体行业广义检测设备的分布情况。用不同颜色标注了狭义检测、量测和测试的工艺应用场合。我们未来的系列报告中将会一一展开。
在半导体的实际制程中，大家一般是根据晶圆生产、晶圆制造、晶圆封测这样的环节来研究，我们之所以把设备按照功能或者目的来分，是因为设备厂家是按照目的来深耕各自领域的。
另外，检测设备在其他一些行业中或在不同的语境下还存在着其他的分类方法：比如尺寸检测，性能检测，逻辑检测，外观检测等等。我们也将在以后的系列报告中予以拆解。
本篇作为系列报告第一篇，将着重梳理半导体缺陷检测设备市场格局、重点企业等。
1. 前道检测设备 vs 测量设备 vs 后道测试设备
1.1. 半导体检测设备的环节位置
检测在集成电路的硅片、生产制造和封测领域均有广泛的应用，具体来看硅片环节的颗粒、划痕检测等；生产制造过程中的缺陷检测&复查等；封测环节的残留、沾污等等。
半导体行业从工艺制程上来分，分为前道（晶圆生产），中道（晶圆制造），后道（晶圆封装测试）。检测设备贯穿其中。前道和后道的较少，中道检测较多。
前道工艺晶圆生产，工艺分为切，磨，抛。
抛光之后检测。 中道工艺晶圆制造，检测项目较多，工艺环节几乎完全遍历。
后道工艺封装测试，检测项目较少。
1.2.2020 年检测全球约 43 亿美元，国内约 11 亿美元
2018 年全球半导体设备销售创下历史新高，根据今年 4 月国际半导体产业协会（SEMI）发布的报告信息，2018 年全球半导体制造设备销售总金额达 645 亿美元， 较 2017 年 566.2 亿美元同比增长 14。同时中国大陆首度跃升为第二大设备市场， 同比增长 59达到 131.1 亿美元。
但至 2019 年半导体设备市场迎来负增长，根据 SEMI 数据，2019 年一、二季度全球半导体设备销售额分别为 137.9 亿、133.1 亿美元，二季度同比下滑 20、环比下滑 3。在此情况下，SEMI 年中设备预测报告指出，2019 年全球销售额将从去年高点的 645 亿美元降至 527 亿美元，降幅达到 18.4，而中国台湾将逆市增长 21达到123.1 亿美元，超越韩国成为全球之最。
2020 年，SEMI 预测全球半导体设备市场有望在 memory 支出和中国大陆新的项目推动下恢复增长，增幅 11.6达到 588 亿美元，其中中国大陆市场将增长 24达到145 亿美元，超越韩国成为全球最大的半导体设备市场。
根据 SEMI 数据，2018 年半导体检测&量测设备约占半导体设备投资总额的 11， 我们在此基础上对我国半导体检量测设备市场空间进行测算，则预计 2020 年全球检测&测量市场空间约为 64.7 亿美元、中国大陆该市场规模约为 16 亿美元。同时我们判断，在检测&量测设备中，缺陷检测与量测部分占比分别约为 2/3、1/3，则相应2020 年全球半导体缺陷检测、量测设备的市场规模约为 43.1、21.6 亿美元，国内两者分别为 10.7、5.3 亿美元。
2. 国内企业自主研发与并购并举，立志解决卡脖子环节
目前从整体上看，国内半导体设备企业技术与国外顶级公司差距较大、且在多处核心环节上短期突破的难度较大，但我国半导体产业发展快速，国家大基金也在不断投入相关企业进行布局，进口替代势在必行。国内企业目前实行自主研发与并购并举的方式进行布局，在相当细分领域已取得较大进展，具体到检测设备环节，国内重点布局企业有赛腾股份、上海睿励/中微公司、中科飞测等。
2.1. 赛腾股份——收购日企 Optima 切入晶圆缺陷检测设备
2019 年 10 月赛腾股份以现金方式购买 Kemet Japan 株式会社持有的日本 Optima 株式会社 67.53股权，股权收购价款 270,105.99 万日元（约合人民币 16395 万元），并拟对 Optima 株式会社进行增资,增资金额 120,000 万日元（约合人民币 7284 万元）,总计投资金额 390,105.99 万日元（折合人民币约 23679 万元），在增资、转让（转让 1股份给亚洲日升，后者为公司提供交易相关咨询服务并协助公司完成谈判、交割等工作）后公司将持有 Optima 约 74.25股权。
Optima 株式会社主要从事半导体晶圆检查设备和曝光设备的开发、制造、销售以及服务业务，与公司同属于自动化设备研发制造行业，能够与公司实现产业协同， 拓宽公司智能制造产品链，并将公司产品线向高端半导体检测设备领域进一步延伸， 提高公司技术含量和客户储备。
2.2 上海睿励/中微公司——中微拟入股睿励，强强联合
睿励科学仪器于 2005 年成立，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，是国内领先的集成电路工艺检测设备供应商。
2019 年 8 月 22 日，中微公司公告基于经营战略发展考虑，拟对睿励科学仪器投资 1375 万元，本次投资完成后，中微公司将持股 10.41。根据中微公司公告，上海睿励自主研发的 12 英寸光学测量设备 TFX3000 系列产品，已应用在 28 纳米芯片生产线并在进行 14 纳米工艺验证，在 3D 存储芯片上达到 64 层的检测能力；产品目前已成功进入世界领先芯片客户 3D 闪存芯片生产线，并取得 7 台次重复订单，是目前进入该国际领先芯片生产企业唯一的国产集成电路设备产品。上海睿励的产品还进入国内多家领先芯片生产企业生产线，其产品和技术能力已获得业界的认可。此外，上海睿励应用于 LED 蓝宝石衬底图形检测的自动光学检测设备，也已成功进入众多客户国内 LED 外延芯片生产线。
2.3. 中科飞测——背靠中科院，强势崛起，已进入国内大厂
深圳中科飞测与中科院微电子研究所深入合作、自主研发智能检测设备，检测技术在行业处于国际前沿地位，检测设备在高端市场实现设备的国产化。
2017 年中科飞测通过国家高新技术企业认定；公司牵头的科研项目，获得国家科技部重点研发计划“重大科学仪器设备开发”重点专项立项；公司联合中国工程院刘文清院士组建成立深圳中科飞测科技有限公司院士工作站；2017 年中科飞测获得微电子所投资企业显著产业化进展奖，项目名称：中科飞测出货量成倍增长，全面进入先进封测市场。
中科飞测自主研发针对生产质量控制的世界领先的光学检测技术，以工业智能检测设备为核心产品，最具代表的产品和服务有：三维形貌量测系统 CYPRESS 系列，表面缺陷检测系统 SPRUCE 系列，智能视觉缺陷检测系统 BIRCH 系列，3C 电子行业精密加工玻璃手机外壳检测系统 TOTARA 系列，公司产品已经获得国内多家顶尖先进封装厂商的设备验收及批量订单，填补了国内集成电路先进封装检测设备在高端市场的空白。
中科飞测一直立足于高尖端光学检测设备的研发工作，业务布局包括集成电路及先进封装领域、工业 3C 及泛半导体领域。在集成电路领域，中科飞测已经全面覆盖了先进封装光学检测市场需求，几款半导体前道产品实现了国产设备零的突破，并从2016 年开始陆续进入中芯国际、长江存储等国内大厂；在工业 3C 和泛半导体领域， 工业 3D 检测设备进入了蓝思、比亚迪、华为等厂商，柔性 OLED 检测设备也进入了面板厂。
3. 附录：KLA——检测王者，占比过半
3.1. 半导体检测设备王者 KLA 排名全球半导体设备企业第五
近年排名全球前五的半导体设备企业分别为应用材料（Applied Materials，美国）、阿斯麦（ASML，荷兰）、东京电子（Tokyo Electron，日本）、拉姆研究/泛林研究（Lam Research，美国）、科磊半导体（KLA，美国）：
1） 从收入和利润角度来看，应用材料、阿斯麦、东京电子和拉姆研究属于第一集团，科磊半导体属于第二集团，且与前四的差距较大，这与公司所处的半导体设备环节较为一致。
2） 从毛利率水平来看，科磊半导体毛利率（59.1 及以上）要高于排名前四的半导体设备企业，另外同为半导体检测设备供应商的泰瑞达和爱德万测试的毛利率水平同样较高。
半导体检测量测设备领域，全球主要企业有科磊、应用材料、日本日立、Nano、Nova 等等，根据 2018 年 SEMI 数据，科磊占比过半、稳居行业第一，堪称半导体检测设备领域王者，其次是应用材料和日立的市占率也超过 10，前三市占率合计达到75 。
从具体产品来看，KLA 产品范围广泛，包括了缺陷检测、Overlay、CD 量测，膜厚等，应用材料主要是缺陷检测及复查、CD 量测等，日立主要为 CD-SEM 量测、缺陷检测等。
3.2 科磊是谁？——全球半导体检测设备王者
全球高端测试设备企业多在美国、日本等半导体产业发达国家、且集中度相对较高，国内企业技术差距较为明显：
1） 全球前道检测领域前三甲分别为科磊半导体（美国）、应用材料（美国）、日立（日本），根据 Gartner 数据，三者市占率分别约为 52、12、11。国内前道检测领域主要企业有上海睿励、上海精测、中科飞测等，整体规模尚较小。
2） 全球高端后端测试设备企业有泰瑞达（美国）、爱德万（日本）等，国内较为领先的测试设备厂商有长川科技、华峰测控、佛山联动等，主要用于分立器件、电源IC 等产品中，与国外高端设备企业同样距离显著。
科磊半导体 KLA-Tencor 于 1976 年成立于美国加州硅谷，是全球光学检测量测之王，产品线丰富，为半导体、数据存储、LED 等纳米电子产业提供工艺控制和良率管理产品，其产品、软件和服务能够满足客户在整个生产制造过程中，从研发到最终量产的检测与量测需求，具体产品应用包括晶片制造、晶圆制造、光罩制造、互补式金属氧化物半导体(CMOS)和图像感应器制造、太阳能制造、LED 制造，资料储存媒体/ 读写头制造、微电子机械系统制造及通用/ 实验室应用等。公司主要客户包括Intel,tsmc,SMIC 等, 销售及服务网络遍及美洲、欧洲及亚洲。
3.3. 科磊为何能占据半导体检测设备的半壁江山？
1、起步：抓住行业痛点，推出计算机视觉，大幅提高效率——股价表现：增收不增利，股价表现不佳
早起由于制造工艺不成熟，半导体生产制造的良率通常会低于 50，生产过程中的检测速度慢、误检率高，导致早起半导体器件的价格昂贵，而且随着半导体不断小型化、复杂化，相关机器检测的需求不断提升。
在此背景下，Ken Levy 和 Bob Anderson 在 1976 年创立了 KLA Instruments—— 一家计算机视觉公司，利用光学技术与软件算法相结合取代工人和低端辅助工具， 1978 年推出第一个产品 KLA RAPID 100，为确保高芯片良率提供了重要的第一步，并将光掩膜检测所需的时间从 8 小时减少到 15 分钟、可以提供比以前更彻底的检测， 产品一经推出，就获得了产业的好评。
1984 年公司推出第二个产品 KLA WISARD 2000 系列，是一个自动化晶圆检测系统，可以检测晶圆缺陷和电路错误，同样获得市场的高度认可。
KLA RAPID 100 与 KLA WISARD 2000 系列均属于前道检量测设备，KLA 在 1980 年代末推出了自动测试设备，包括晶圆探测系统和微光显微镜等，前者用于在切割和封装之前对完成的芯片进行电气测试；后者用于发现芯片各层之间的电气“泄漏”。到 1990 年 WISARD、RAPID 和自动测试设备大约各占总收入的三分之一，成为公司的三大支柱产品，从而奠定了 KLA 在检测领域的领先地位。在此阶段，KLA 收入在1986-1990 年分别为 0.825、0.88、1.13、1.61 亿美元，但同期利润并未实现大幅增长，公司股价处于横盘过程。
2、1990-1997 产品升级、从离线到在线——公司股价 10 年 50 倍之旅
1990 年代初期开始，美国本土半导体产业开始复苏，半导体产业越发精细化， 对检测设备的性能要求进一步提高，包括检测精度、速度、自动化程度等等，KLA 顺应行业发展趋势产品不断升级，最重要的变化是将原来低效率的离线检测产品（需较长时间等待检测结果）发展到更加快速的在线检测产品（可以实时提供检测结果）：
1）1990 年 10 月，KLA 推出第二代晶圆检测系统 WISARD 2100 系列，缺陷检测的灵敏度更高，更为重要的是 WISARD 2100 系列能够提供在线检测，实时提供检测结果而不用长时间等待、运行速度比第一代的 WISARD 2000 系列快 100 倍以上。
2）1992 年 KLA 推出在线光罩检测系统 RAPID 300 系列——KLA 331，可以提供当时世界上最高的检测灵敏度，至 1993 年 KLA 在全球范围内交付了 700 套 RAPID 系统。
3） KLA 还改进了 KLA 5000 系列，用于提高集成电路的良率和性能，另外 KLA 还推出新的电子束成像系统，华灵西证券版权所有发送给敏万得信息技术股份有限公度司 p15更高、测量能力更强。
与此同时公司改组了管理层，聘请了 Kenneth L. Schroeder 聘任CEO，1992 年Schroeder 将 KLA 重组为五个运营部门：WRING（包括 WISARD和 RAPID 部门）、自动测试系统部门、Watcher 部门（包含利用先进光学字符识别技术的新图像处理系统）、计量部门和 SEMSpec 部门；并成立了客户服务部门，放弃了微光显微镜业务部门。
在公司不断推出新产品、管理层积极进取的情况下，伴随半导体产业的快速发展， KLA 规模不断提高、继续保持全球领先地位。
3、1997-2008 年——密集并购期，股价横盘
1997 年开始公司开始进入密集并购期，1997 年 5 月以 13 亿美元一对一的股票互换合并 Tencor Instruments, Inc.，新公司命名为KLA-Tencor Corp.二者是同年成立且均生产半导体检测设备，区别在于 KLA 专注于缺陷检测解决方案，而 Tencor 则专注于量测解决方案，二者的合并可以为客户提供完整的半导体良率产品和服务。此后 KLA 便进入了快速并购周期，快速获得大量先进技术，而且不仅局限于检量测领域， 公司产品线和服务得以大幅延伸。
随着半导体制程的工艺越来越复杂、晶圆厂的投资成本越来越大，因此对工艺控制水平提出了非常高的要求，因为一旦出错代价将会非常大，这也为半导体检测设备企业带来了更大的机遇。
KLA 作为全球半导体检测领域的龙头，能够为客户在研发阶段、试生产阶段和量产阶段都能够提供相关产品和服务，帮助客户实现利润最大化。
4、2008 年至今深耕中国大陆与中国台湾市场，股价再次腾飞
进入 21 世纪，中国的半导体产业规模不断扩大、在全球占比也进一步提高， KLA-Tencor 准确的判断出中国市场的崛起，1999 年便在中国设立了第一个分公司， 目前在在北京、上海、南京、西安、武汉、天津、深圳、大连、厦门、无锡设立了10 处办公室，可以快速响应国内客户的需求。
2008 年至今中国半导体产业快速增长，KLA 来自中国大陆及台湾地区的收入规模得到大幅提高，至 2019 年 KLA 来自中国大陆的收入为 12.16 亿美元，占比达到26.6 ，比重较上年提高了 华1西证券版权0所有发送给.万得信息技术7股份有限公司 p18 个百分点，占比近年连续快速提高；2019 年来自中国台湾的收入为 11.06 亿美元，占比为 24.2；也即 2019 年 KLA 来自中国大陆与中国台湾的收入占比超过一半。
……
（报告来源：华西证券）
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