不久前的 1 月 20 日，全球光刻机龙头 ASML 正式交付了一台晶圆量测设备 YieldStar 385。相比于售价动辄过亿美元的光刻机，这台新设备并未引起过多关注。
但实际上，在量测设备领域，ASML 已投入了十年的研发。而 ASML 最新推出的 YieldStar 385 设备，可用于最领先的 3nm 制程产线。
那么，这种得到全球光刻王者青睐的量测设备到底是什么？
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。
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”。
据 SEMI 和申港证券研究所统计，前道量测设备（工艺控制检测设备）的价值，占到晶圆厂制造设备总额的 10%。
▲前道检测设备约占晶圆厂制造设备总额的 10%（2018 年数据）
今天，芯东西着眼全球市场，解读前道量测设备背后的技术逻辑，以及领先玩家背后的故事。
翻开 ASML 2020 年的财务报告，可以看到在 2020 年，ASML 向客户交付了四套前道量测系统，分别为三套 eScan1000 多光束检测系统、一套 YieldStar 385 系统。
全球光刻之王为何布局前道量测设备市场？或者说，前道量测设备会对光刻工艺造成怎样的影响？
在 2020 年 7 月 18 日 ASML 官方 Facebook 账号发布的一条推文中，我们可以找到答案。根据推文《ASML 关键量测机台的诞生》，2000 年代早期，半导体制造商在使用光学系统检测转印在晶圆上的线路图案时，遇到了瓶颈。
具体来说，2000 年以后，芯片制程推进至 0.13µm（130nm）时，要在 0.13µm 光刻分辨率的芯片上检测出缺陷，晶圆厂有可能需要中断芯片制造过程。不仅如此，随着摩尔定律向前发展、光刻精度日益提升，晶圆前道量测的任务日益加重，迫切需要更加智能的量测机台。
▲ASML 官方 Facebook 账号推文《ASML 关键量测机台的诞生》
基于此，ASML 量测部门工作人员 Arie den Boef 在约十年前开始研发 YieldStar 系列量测设备。据 ASML 官方资料，YieldStar 设备可实时将检测资料回传给光刻设备，从而矫正芯片制造过程中的错误。
▲ASML 量测部门研究人员 Arie den Boef
目前，前道量测设备主要用到光学技术和电子束技术。前者通过分析光的反射和衍射光谱，间接进行测量，是晶圆厂主要使用的检测技术；后者根据电子扫描直接放大成像。
▲光学量测、电子束量测对比（图源：华创证券）
据 SEMI 及国金证券的测算，全球半导体检测类设备市场规模超 800 亿元，其中前道量测设备市场规模约为 406 亿元。
放眼全球前道量测设备市场，外国厂商占据主导地位。
其中，仅行业龙头科磊（KLA）就占据过半市场份额，市占率高达约 53%。此外，美国应用材料、日本日立、美国耐诺、中国台湾 Hermes Microvision、以色列 Nova 等厂商亦排名前列。
▲半导体前道量测设备市场竞争格局（图源：SEMI、国金证券研究所）
除去上述几家厂商，全球晶圆前道量测设备市场中，还有一家日本厂商不得不提——Lasertec。
Lasertec 的产品可用于当今最先进极紫外光刻（EUV）的前道工艺检测。目前，Lasertec 是该领域唯一一家设备制造商。
目前，全球范围内仅有台积电和三星电子能够利用 EUV 技术生产芯片。而这两家企业已确认订购了 Lasertec 的 EUV 检测设备。
随着利用 EUV 技术生产的 5nm 制程芯片纷纷落地商用，Lasertec 公司的业绩表现水涨船高。
从 2019 年初以来，Lasertec 公司的股价已经飙升逾 900%。
▲Lasertec 公司近五年股价变化
把目光放回国内，据市场研究机构国金证券测算，目前，中芯国际、长江存储、长鑫存储占据了国内前道量测设备年需求的 40～50% 左右。
而在供应端，科磊等外国厂商在大陆的市占率达到约 70%。
国产玩家方面，中国企业起步较晚，目前上海睿励、中科飞测、精测电子等对前道量测设备有所布局。
其中，上海睿励成立于 2005 年，主要产品包括光学薄膜测量设备、光学关键尺寸测量设备等。工商平台显示，国家大基金持股上海睿励约 12.1%。
深圳中科飞测成立于 2014 年，公司由中科院微电子所和创业团队共同创立。2020 年 5 月份，中科飞测生产的椭偏膜厚量测仪已落地士兰微电子 12 英寸特色工艺半导体芯片项目。
上海精测电子成立于 2018 年，在前道量测设备和后道封测设备上均有布局。工商平台显示，国家大基金持股上海睿励约 13.3%。
据国金证券测算，目前半导体设备国产化率在 10% 左右。在国内前道量测设备市场由外国厂商占据主导地位的情况下，上海睿励等国产化玩家，不仅需要需要攻克技术壁垒，还需承担起建设销售团队、培育市场生态等多种任务。
04. 结语：前道量测——国产化攻坚的又一道命题
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。
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。
在提升芯片产业国产化被不断强调的今天，攻坚每一个产业链环节成为中国芯片玩家面临的行业使命。
目前，国内前道量测设备市场仍旧由外国厂商占据主导地位，期待未来中国厂商能够通过提升产品、研发等各方面实力、占据更多市场主动权。
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