半导体量测设备专利分析之国内外技术发展趋势

作为贯穿芯片制造全程的重要设备之一，前道量测设备对于提升芯片良率具备重要意义。在芯片制造全程中，晶圆厂需要在刻蚀、光刻等每一个步骤结束后，对晶圆进行检测，以确认加工参数达到设计要求、排除晶圆表面缺陷，从而保证良率和控制成本。据估计，产品良率每降低一个百分点，晶圆代工厂商将损失100～800万美元。这种贯穿芯片制造全程的检测工艺，就被称为“前道量测”，又称“过程工艺检测”。本文聚焦晶圆的物理量测与缺陷检测，将相关设备统称为量测设备，对相关国内外专利进行统计分析（检索时间2022.10，检索平台：Incopat）。

全球量测设备市场

据Gartner统计，过程控制市场中在IC制造设备全球市场的比例基本维持在11%～13%之间，相对稳定。2020年全球过程控制设备市场空间约73亿美元，其中光刻相关（套刻误差量测、掩膜板测量及检测等）相关需求约20亿美元、缺陷检测需求约39亿美元、膜厚测量需求约11亿美元。随着制程微缩、3D堆叠推进，晶圆制造对于量测、检测需求不断增加，精度要求也不断提高，过程控制设备持续有升级需求。

根据Gartner的数据，2020年，科磊（KLA）公司占晶圆制造环节检测设备市场58%的销售额份额，应用材料（AMAT）、日立高新则分别占比12%、5%，三家合计占比75%，市场集中度较高且被海外公司垄断，国内主要公司有上海精测、睿励科学（上海）、中科飞测、赛腾等，市场份额不足1%。

图1：晶圆制造环节检测设备主要厂商市场份额

（资料来源：东吴证券）

  国内龙头存储晶圆厂项目中，过程控制设备国产化率低于10%。根据公开招投标信息统计，截止2021年6月，长江存储项目累计中标过程控制类设备约350台，其中国产设备累计约14台。上海精测中标6台集成式膜厚设备；中科飞测中标1台晶圆表面凹陷检测系统、5台光学表面三维形貌量测设备；睿励科学中标1台介质薄膜测量系统。科磊（KLA）公司的设备机台数量占总数量约26%，中标数量约93台，覆盖将近40种量测、检测需求。

全球量测设备专利技术发展趋势

全球量测设备专利申请起步于上世纪60年代，相关专利较为零星；随着70年代LSIC大规模集成电路的出现，相关专利申请数量缓慢增长；80年代PC机（personal computer）的普及进一步推动了量测设备专利技术的发展；伴随90年代PC走向成熟，量测设备专利申请数量快速增长，尤其是90年代后半段更是呈现出加速增长的态势；本世纪00年代的前半段专利申请数量维持高位，后半段则出现一定程度的减少；进入10年代后，受中国相关专利申请增长的推动，全球量测设备专利申请重拾升势，第二次进入加速增长阶段。

图2：量测设备全球专利申请年度分布

（数据来源：上图上情所研究整理）

中国量测设备专利技术发展趋势

中国量测设备专利申请起步于上世纪90年代中期，较全球起步时间落后30多年。早期的中国专利申请主要来自现代电子、三星电子、日立、NEC、Tevet等国外机构。2000年后，随着中国半导体消费市场的崛起，中国半导体制造厂商数量开始增长，也出现了睿励科学这样中国本土量测设备厂商，与此同时，应用材料、阿斯麦、东京电子等巨头公司纷纷开展在中国的专利布局，量测设备专利数量出现增长。2010年后的十二五”和十三五”时期，半导体产业受到国家的重视，中科飞测和上海精测半导体陆续诞生，在市场发展和系列政策与计划项目的的共同作用下，我国量测设备专利加速增长，为了争夺中国市场，科磊、阿斯麦等巨头也加速了中国专利布局。目前，中国专利申请近6成来自中国申请人，约四成来自美国、日本、荷兰等国。

图3：量测设备中国专利申请年度分布

（数据来源：上图上情所研究整理）

图4：量测设备中国专利来源分布

（数据来源：上图上情所研究整理）

参考文献：

1、ASML推出可用于3nm芯片制造的晶圆量测机 晶圆量测机为什么如此重要？[EB/OL]. https://www.xianjichina.com/special/detail_481942.html

2、半导体检测设备行业专题报告：晶圆制造环节检测设备尚需技术积淀，封测环节检测设备国产化加速[R]. https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202108061508363358_1.pdf?1641917227000.pdf