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

電子束量檢測是半導(dǎo)體量檢測領(lǐng)域的主要技術(shù)類型之一，在半導(dǎo)體制程不斷微縮，光學(xué)檢測對先進(jìn)工藝圖像識別的靈敏度逐漸減弱情況下，發(fā)揮著越來越重要的作用。電子束量檢測設(shè)備對于檢測的精度、可適用性、穩(wěn)定性、吞吐量等要求很高，設(shè)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(yīng)速度以及實現(xiàn)電子束掃描和圖像采集并行運行等關(guān)鍵問題。正是由于技術(shù)的挑戰(zhàn)性，目前電子束量檢測設(shè)備市場依然由AMAT、Hitachi、ASML等國際大廠主導(dǎo)，我國電子束量檢測設(shè)備的國產(chǎn)化率仍較低。

但是，近年來，國內(nèi)已有部分企業(yè)開始涉足該領(lǐng)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(shè)備EBI、關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備CD-SEM率先填補(bǔ)國內(nèi)空白，作為布局該領(lǐng)域最早的國內(nèi)企業(yè)之一，其產(chǎn)品多樣化和產(chǎn)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(chǎn)品已實現(xiàn)交付。鑒于電子束量檢測設(shè)備的重要性和極高的技術(shù)壁壘，其國產(chǎn)化進(jìn)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(shè)備市場持續(xù)擴(kuò)大

檢測和量測環(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)中，檢測其是否出現(xiàn)異質(zhì)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(jié)構(gòu)缺陷；量測指對被觀測的晶圓電路上的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、關(guān)鍵尺寸、刻蝕深度、表面形貌等物理性參數(shù)的量測。根據(jù)YOLE的統(tǒng)計，工藝節(jié)點每縮減一代，工藝中產(chǎn)生的致命缺陷數(shù)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(chǎn)流程中，量測設(shè)備會在涂膠、光刻、顯影去膠、刻蝕等步驟后對晶圓進(jìn)行檢測，以篩除不合格率過高的晶圓，從而保證工藝質(zhì)量。

按照技術(shù)的物理原理區(qū)分，檢測和量測主要包括光學(xué)量檢測技術(shù)、電子束量檢測技術(shù)和X光量測技術(shù)。傳統(tǒng)檢測技術(shù)以光學(xué)檢測為主，通過光學(xué)成像原理對比晶圓上相鄰die的光學(xué)信號差異，可以在短時間內(nèi)進(jìn)行大范圍檢測。但隨著半導(dǎo)體制程的不斷進(jìn)步，關(guān)鍵尺寸不斷變小，甚至朝向3D立體結(jié)構(gòu)發(fā)展，光學(xué)檢測在先進(jìn)工藝的圖像識別的靈敏度逐漸減弱，因此電子束檢測技術(shù)開始在先進(jìn)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(guān)鍵尺寸等信息。由于電子束分辨率高，電子束檢測設(shè)備可以檢測很小的表面缺陷，比光學(xué)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(guān)鍵尺寸量測設(shè)備可對高分辨率圖像進(jìn)行直接量測，為芯片制造復(fù)雜工藝流程提供ground truth，這也是光學(xué)技術(shù)從物理原理上無法實現(xiàn)的能力。相較于光學(xué)量檢測技術(shù)，電子束量檢測技術(shù)盡管靈敏度較高，但量檢測速度較慢，因此在針對先進(jìn)制程芯片的生產(chǎn)流程時，會同時使用光學(xué)量檢測與電子束量檢兩種技術(shù)互相輔助，進(jìn)而快速實現(xiàn)晶圓生產(chǎn)的關(guān)鍵尺寸和缺陷的控制和改善。

目前，我國半導(dǎo)體晶圓廠建設(shè)進(jìn)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(shè)每月約10萬片的12英寸晶圓產(chǎn)能、投資23.5億美元于深圳建設(shè)每月約4萬片的12英寸晶圓產(chǎn)能、投資88.7億美元于上海臨港建設(shè)每月約10萬片的12英寸晶圓產(chǎn)能。再加上長江存儲、合肥長鑫、華虹華力、士蘭微、積塔半導(dǎo)體、格科微等規(guī)劃擴(kuò)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(jìn)工藝。這為國產(chǎn)設(shè)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(jù)這一市場主導(dǎo)地位，但是國內(nèi)設(shè)備廠商近年來的成長速度也很快。比如東方晶源推出的EBI、CD-SEM設(shè)備均為國內(nèi)首臺。其在數(shù)年中快速迭代，在保證產(chǎn)品性能的情況下，完成了幾個主要細(xì)分領(lǐng)域的布局，不僅填補(bǔ)國內(nèi)空白，還解決了客戶可能面臨的卡脖子問題。此外，國內(nèi)廠商精測電子也在積極開發(fā)EBI設(shè)備，預(yù)計2024年推出樣機(jī)，其8英寸CD-SEM已進(jìn)入產(chǎn)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；惠然微電子全自主研發(fā)的首臺半導(dǎo)體關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備CD-SEM產(chǎn)品在經(jīng)過研發(fā)后，近日已出機(jī)。?

圖注：全球半導(dǎo)體設(shè)備市場格局：刻蝕、沉積、光刻、量測設(shè)備居前

從EBI到DR-SEM，精準(zhǔn)度量引領(lǐng)進(jìn)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(shè)備）是集成電路制造中不可或缺的良率監(jiān)控設(shè)備。其基本原理是結(jié)合掃描電鏡成像技術(shù)，高精度運動控制技術(shù)，高速圖像數(shù)據(jù)處理和自動檢測分類算法等，在集成電路制造關(guān)鍵環(huán)節(jié)對晶圓及集成電路的物理缺陷和電性缺陷進(jìn)行檢測，避免缺陷累積到后續(xù)工藝中。

東方晶源早在2019年就成功研發(fā)并推出的SEpA-i505是國內(nèi)首臺電子束缺陷檢測設(shè)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(jìn)入28nm產(chǎn)線全自動量產(chǎn)。經(jīng)過數(shù)年研發(fā)迭代，新一代機(jī)型SEpA-i525在檢測能力和應(yīng)用場景方面得到進(jìn)一步拓展。在檢測速率方面，新款EBI產(chǎn)品可兼容步進(jìn)式和連續(xù)式掃描，連續(xù)掃描模式適用于Memory Fab，結(jié)合自研探測器的性能優(yōu)化，較上一代機(jī)型能帶來3倍-5倍的速度提升。在應(yīng)用場景方面，東方晶源的EBI設(shè)備也從邏輯Fab領(lǐng)域延伸至Memory Fab，可以為客戶解決更多的制程缺陷問題。

（2）CD-SEM：面向6、8、12英寸產(chǎn)線全面布局。CD-SEM(關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備)主要是通過對于關(guān)鍵尺寸的采樣測量，實現(xiàn)對IC制造過程中，光刻工藝后所形成圖形尺寸進(jìn)行監(jiān)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(chǎn)品系列，均已進(jìn)入用戶產(chǎn)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(jī)型SEpA-c430經(jīng)過2年的迭代，在量測性能和速度上實現(xiàn)全面提升，目前也在多個客戶現(xiàn)場完成驗證。該產(chǎn)品的量測重復(fù)精度達(dá)到0.25nm，滿足28nm產(chǎn)線需求；通過提升電子束掃描和信號檢測，產(chǎn)能提高30%；新推出的晶圓表面電荷補(bǔ)償功能，可以提高光刻膠量測的能力。新機(jī)型還增加了自動校準(zhǔn)功能，可確保較高的量測一致性，為產(chǎn)品的大規(guī)模量產(chǎn)做好了準(zhǔn)備。

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

值得一提的是，2022年底東方晶源ODAS LAMP產(chǎn)品已正式發(fā)布。ODAS LAMP全稱為Offline Data Analysis System, Large Scale Automatic Measurement Purpose產(chǎn)品，中文名稱為大規(guī)模CD量測離線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

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

（3）DR-SEM：瞄準(zhǔn)新需求，開拓新領(lǐng)域。DR-SEM（電子束缺陷復(fù)檢設(shè)備）是東方晶源最新涉足的細(xì)分領(lǐng)域。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，2024年12英寸產(chǎn)線DR-SEM需求量約為50臺。未來3-4年，12英寸產(chǎn)線DR-SEM設(shè)備總需求量約為150臺。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2024年DR-SEM需求金額約為1.491億美元，未來3-4年DR-SEM設(shè)備需求約為4.47億美元。2023年東方晶源推出首款SEpA-r600TM系統(tǒng)，目前已經(jīng)出機(jī)到幾個頭部客戶進(jìn)行產(chǎn)線驗證。在設(shè)備開發(fā)過程中，得益于公司前期的技術(shù)積累，比如借鑒已趨于成熟的EBI技術(shù)，開發(fā)進(jìn)程得以顯著縮短，圖像質(zhì)量達(dá)到客戶的需求，CR>95%，接近成熟機(jī)臺水平。

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(jù)針對客戶需求深度拆解，這款DR-SEM設(shè)備還引入了全彩OM，能實現(xiàn)色差調(diào)整，以滿足不同film內(nèi)部color defect的檢測，為客戶提供更多的表征手段。據(jù)悉，東方晶源結(jié)合下一代自研EOS，搭配深紫外DUV輔助光學(xué)檢測系統(tǒng)，還將推出新一代DR-SEM設(shè)備，可滿足更先進(jìn)制程全流程的defect復(fù)檢需求。除上述產(chǎn)品之外，東方晶源還有計算光刻軟件OPC產(chǎn)品，是國內(nèi)唯一一家集OPC和檢測量測設(shè)備于一體的公司。OPC軟件可以和電子束檢測量測設(shè)備實現(xiàn)無縫連接，不僅能快速實時優(yōu)化OPC model, 也能準(zhǔn)確并快速地量測關(guān)鍵圖像的尺寸，識別關(guān)鍵區(qū)域是否有缺陷。

國內(nèi)目前正在大力推進(jìn)芯片制造產(chǎn)能的進(jìn)一步擴(kuò)張，極力提升芯片國產(chǎn)化率，鑒于量測/檢測設(shè)備對于提升良率的重要意義，整體晶圓廠產(chǎn)線的國產(chǎn)化會大幅提升國內(nèi)對于量測/檢測設(shè)備的需求。在這種趨勢下，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇，加大對量測/檢測設(shè)備研發(fā)的投入力度，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和突破。不僅要在設(shè)備的精度、穩(wěn)定性等方面持續(xù)提升，還要結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)智能化的檢測和分析，進(jìn)一步提高量測/檢測的效率和準(zhǔn)確性。同時，政府也應(yīng)繼續(xù)出臺有力的扶持政策，鼓勵和引導(dǎo)更多的資源向這一領(lǐng)域傾斜，促進(jìn)量測/檢測設(shè)備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。通過各方的共同努力，有望打造出具有國際競爭力的量測/檢測設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈，為我國芯片產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展提供堅實的保障，推動我國從芯片制造大國向芯片制造強(qiáng)國邁進(jìn)。