编者寄语：
半导体晶圆制造中的电子束量测设备，是异常艰难的攻坚堡垒，它的突破不仅需要电子束光机设计加工组装实力，更需要量测应用端需求的深刻理解和精确转化；东方晶源占据先发优势，产品线已臻成熟；上海精测背靠武汉精测，树大根深；矽视科技潜心耕耘，已经有所建树；亘芯悦科技研发实力强大，即将出机；惠然科技曾针对此文向平台投诉侵犯其商誉，故这里不再做评论；半导体量测的成名悍将中科飞测，于2024年已在紧锣密鼓地筹办其电子束量检测产品线和部门准备进场；我们这里回顾下中科飞测的成长和发展历程，并祝其在新的领域开拓成功。
集成电路产业作为电子信息产业的基础和核心，国家给予了高度重视和大力支持，出台了一系列鼓励扶持政策，主要包括：
2021年3月，全国人大发布的《国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》，制定实施战略性科学计划和科学工程，瞄准前沿领域。其中，在集成电路领 域，关注集成电路设计工具、重点装备和高纯靶材等关键材料研发、集成电路先 进 工 艺 和 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管（IGBT）、微机电系统（MEMS）等特色工艺突破，先进存储技术升级，碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展。
2020年8月，国务院发布的《国务院关于印发新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》（国发〔2020〕8 号），集成电路产业和软件产业是信息产业的 核心，是引领新一轮科技革命和产业变革的关键力量。国务院从财税优惠、支持投融资、保护知识产权等八大方面提出了 37 条政策措施支持集成电路产业和软件产业的发展。
2016年11月，国务院发布的《国务院关于印发工艺、存储器、“十三五”国家战略性新兴产业发展规划的通知》（国发 〔 2016 〕 67号），启动集成电路重大生产力布局规划工程，实施一批带动作用强的项目，推动产业能力实现快速跃升。加快先进制造 特色工艺等生产线建设，提升安全可靠 CPU、数模/模数转换芯片、数字信号处理芯片等关键产品设计开发能力和应用水平，推动封装测试、关键装备和材料等产业快速发展。
2016年7月，国务院发布的《国务院关于印发“十三五”国家科技 创 新 规 划 的 通知 》 （ 国 发〔2016〕43 号），支持提高代工企业及第三方 IP 核企业的服务水平，支持设计企业与制造企业协同创新，推动重点环节提高产业集中度。推动半导体显示产业链协同创新加快实施已部署的国家科技重大专项，推动专项成果应用及产业化，持续攻克“核高基”（核心电子器件、高端通用芯片、基础软件）、集成电路装备等关键核心技术。突破光电子器件制造的标准化难题和技术瓶颈，建立和发展光电子器件应用示范平台和支撑技术体系，逐步形成从分析模型、优化设计、芯片制备、测试封装到可靠性研究的体系化研发平台，推动我国信息光电子器件技术和集成电路设计达到国际先进水平。
2014年6月，国务院发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》，着力发展集成电路设计业，加速发展集成电路制造业，提升先进封装测试业发展水平，突破集成电路关键装备和材料，推动集成电路产业重点突破和整体提升，实现跨越发展。
2006年2月，国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要 （ 2006-2020）》，将“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”列为国家重点科技专项。
半导体设备是整个半导体产业的重要支撑，半导体产业的快速发展不断推动着半导体设备市场规模的扩大。晶圆厂的主要投资会用于购买生产各类半导体产品所需的关键设备，如光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备、质量控制设备、清洗设备、化学研磨 CMP 设备、离子注入设备等，这些半导体设备应用在半导体制造的核心工艺中，包括光刻、刻蚀、薄膜生长、质量控制、清洗、抛光、离子注入等。
半导体设备处于半导体产业链上游的关键位置，先进的半导体设备对先进制程的推进有着至关重要的作用。半导体设备种类众多，涉及技术领域广，需要长期的研发投入以实现技术突破，其先进性直接影响下游客户的产品质量和生产效率，因此在规模化量产前需经过严格的测试以及客户认证，设备的验证壁垒高。同时，为了更好匹配下游客户的工艺提升，半导体设备的技术更新和产品迭代速度需与之保持同步甚至超前。
近年来，全球半导体产业产能扩张仍在继续，对半导体设备的需求稳定增长，全球半导体设备销售的增速明显。根据 SEMI 的统计，2020 年全球半导体设备销售额为 712 亿美元，同比增长 19.1%，预计 2021 年半导体设备市场仍维持高增长。
下游需求带动半导体设备市场整体发展，全球性的产业转移使得半导体设备市场呈现显著的区域性差异。在经历了美国至日本，日本至韩国和中国台湾的两次产业转移后，目前全球半导体产业正向中国大陆加速转移。根据 SEMI的统计，2020 年中国大陆地区半导体设备销售额为 187.2 亿美元，同比增长39.2%，位列第一，中国大陆半导体设备首次占比全球第一，市场占有率快速扩张。
全球半导体设备市场目前处于寡头垄断局面，市场上美日技术领先，以应用材料、阿斯麦、拉姆研究、东京电子、科磊半导体等为代表的国际知名半导体设备企业占据了全球市场的主要份额。根据 VLSI Research 的统计，2020 年全球前十大半导体设备厂商均为境外企业，市场份额合计高达 76.6%。
作为全球最大集成电路生产和消费市场，中国大陆的集成电路产业规模不断扩大。根据 SEMI 的统计，中国大陆半导体设备的市场规模增速明显，2018年市场规模为 131.1 亿美元，同比增长 59.3%；2019 年，全球半导体设备市场规模缩减，中国大陆仍同比增长 2.6%；2020 年，中国大陆半导体设备市场亦保持快速增长趋势，销售额为 187.2 亿美元，同比增长达 39.2%，首次超过中国台湾地区，成为全球第一大半导体设备市场。中国半导体设备市场的规模增长得益于中国半导体全行业的蓬勃发展和国家近年来对半导体产业持续的政策扶持。
行业下游晶圆厂在关键工艺节点上成功取得量产，多家国内领先的半导体制造企业进入产能扩张期，都为国内半导体设备企业的技术能力提升和产业规模的扩大提供了源动力。
中国半导体设备行业整体国产化率的提升还处于起步阶段，目前国内半导体生产厂商所使用的半导体设备仍主要依赖进口。根据中国电子专用设备工业协会的统计，2020 年半导体设备进口 25,449 台，合计进口额 109.0 亿美元，同比分别增长 31.8%和 30.3%。
为提高中国半导体设备行业的国产化率，国家及各级政府出台了一系列扶持政策。国内半导体设备企业在部分细分领域已取得突破，相关产品已被部分半导体制造企业所采用。2017 年以后，国内半导体行业自主研发水平的提升持续加快，但中国半导体设备行业的国产化率仍处于较低水平。
近年来，由于全球供应链的紧张和国际贸易摩擦，国内半导体行业越来越意识到半导体设备国产化的重要性，产业链上下游的协同发展更加紧密。凭借区位、定制化服务以及供应稳定性等优势，未来国内半导体设备厂商的市场份额将有望大幅提升。
半导体设备分类由半导体制造工艺衍生而来，从工艺角度看，主要可以分为：光刻、刻蚀、薄膜沉积、质量控制、清洗、CMP、离子注入、氧化等环节。
传统的集成电路工艺主要分为前道和后道，随着集成电路行业的不断发展进步，后道封装技术向晶圆级封装发展，从而衍生出先进封装工艺。先进封装工艺指在未切割的晶圆表面通过制程工艺以实现高密度的引脚接触，实现系统级封装以及 2.5/3D 等集成度更高、尺度更小的器件的生产制造。鉴于此，集成电路工艺进一步细分为前道制程、中道先进封装和后道封装测试。
贯穿于集成电路领域生产过程的质量控制环节进一步可分为前道检测、中道检测和后道测试，半导体质量控制通常也广义地表达为检测。其中，前道检测主要是针对光刻、刻蚀、薄膜沉积、清洗、CMP 等每个工艺环节的质量控制的检测；中道检测面向先进封装环节，主要为针对重布线结构、凸点与硅通孔等环节的质量控制；后道测试主要是利用电学对芯片进行功能和电参数测试，主要包括晶圆测试和成品测试两个环节。
应用于前道制程和先进封装的质量控制根据工艺可细分为检测（Inspection）和量测（Metrology）两大环节。检测指在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷；量测指对被观测的晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测。
半导体检测与量测技术根据检测类型的不同，半导体质量控制设备可分为检测设备和量测设备。
半导体检测与量测技术
随着技术的进步发展，集成电路前道制程的步骤越来越多，工艺也更加复杂。28nm 工艺节点的工艺步骤有数百道工序，由于采用多层套刻技术，14nm 及以下节点工艺步骤增加至近千道工序。
根据 YOLE 的统计，工艺节点每缩减一代，工艺中产生的致命缺陷数量会增加 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证最终的良品率。当工序超过 500 道时，只有保证每一道工序的良品率都超过 99.99%，最终的良品率方可超过 95%；当单道工序的良品率下降至 99.98%时，最终的总良品率会下降至约 90%，因此，制造过程中对工艺窗口的挑战要求几乎“零缺陷”。
检测和量测环节贯穿制造全过程，是保证芯片生产良品率非常关键的环节。随着制程越来越先进、工艺环节不断增加，行业发展对工艺控制水平提出了更高的要求，制造过程中检测设备与量测设备的需求量将倍增。
从技术原理上看，检测和量测包括光学检测技术、电子束检测技术和 X 光量测技术等。
目前，在所有半导体检测和量测设备中，应用光学检测技术的设备占多数，公司所研发、生产的检测和量测设备主要基于光学检测技术。光学检测技术基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得检测结果，光学检测技术对晶圆的非接触检测模式使其具有对晶圆本身的破坏性极小的优势；通过对晶圆进行批量、快速的检测，能够满足晶圆制造商对吞吐能力的要求。在生产过程中，晶圆表面杂质颗粒、图案缺陷等问题的检测和晶圆薄膜厚度、关键尺寸、套刻精度、表面形貌的测量均需用到光学检测技术。
全球半导体检测和量测设备市场规模高速增长，根据 VSLI Research 的统计，2016 年至 2020 年全球半导体检测与量测设备市场规模的年均复合增长率为12.6%，其中 2020 年全球市场规模达到 76.5 亿美元，同比增长 20.1%。
根据 VSLI Research 的统计，2020 年半导体检测和量测设备市场上，检测设备占比为 62.6%，包括无图形晶圆缺陷检测设备、图形晶圆缺陷检测设备、掩膜检测设备等；量测设备占比为 33.5%，包括三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备、套刻精度量测设备、关键尺寸量测设备、掩膜量测设备等。
近五年，中国大陆半导体检测与量测设备的市场处于高速发展期。根据VSLI Research 的统计，2016 年至 2020 年中国大陆半导体检测与量测设备市场规模的年均复合增长率为 31.6%，其中 2020 年中国大陆半导体检测与量测设备的市场规模为 21.0 亿美元，同比增长 24.3%。
2016 年至 2020 年,中国大陆半导体检测与量测设备市场规模呈现快速增长，尤其是在 2019 年全球半导体检测和量测设备市场较 2018 年缩减了近 3.8%的背景下，中国大陆地区半导体检测和量测设备市场 2019 年仍然实现了 35.2%的同比增长，超过中国台湾市场成为全球最大的半导体检测与量测设备市场，占比为 26.5%；2020 年中国大陆半导体检测和量测设备市场规模占全球半导体检测和量测设备市场比例进一步提升至 27.4%。
综上所述，2016 年至 2020 年，全球和中国大陆地区半导体设备和检测与量测设备市场处于快速发展期，其中，中国大陆地区半导体设备市场和检测与量测市场显著高于全球半导体设备和检测和量测设备市场增长。
同时，中国半导体检测与量测设备市场中，设备的国产化率较低，市场主要由几家垄断全球市场的国外企业占据主导地位，其中科磊半导体在中国市场的占比仍然最高，领先于所有国内外检测和量测设备公司，并且得益于中国市场规模近年来的高速增长。
根据 VSLI Research 的统计，科磊半导体在中国大陆市场近 5年的销售额复合增长率超过 35.7%，显著高于其在全球约 13.2%的复合增长率。
目前，国内半导体市场处于高速增长期，本土企业存在较大的国产化空间，但由于国外知名企业规模大，产品线覆盖广度高，品牌认可度高，导致本土企业的推广难度较大。近年来国内企业在检测与量测领域突破较多，受益于国内半导体产业链的迅速发展，该领域国产化率有望在未来几年加速提升。
光学检测技术是晶圆制造中使用的关键检测技术。在检测环节，光学检测技术可进一步分为无图形晶圆激光扫描检测技术、图形晶圆成像检测技术和光刻掩膜板成像检测技术，三种检测技术在检测环节的具体应用情况如下：
无图形晶圆激光扫描检测技术：
通过将单波长光束照明到晶圆表面，利用大采集角度的光学系统，收集在高速移动中的晶圆表面上存在的缺陷散射光信号。通过多维度的光学模式和多通道的信号采集，实时识别晶圆表面缺陷、判别缺陷的种类，并报告缺陷的位置。
图形晶圆成像检测技术：
通过从深紫外到可见光波段的宽光谱照明或者深紫外单波长高功率的激光照明，以高分辨率大成像视野的光学明场或暗场的成像方法，获取晶圆表面电路的图案图像，实时地进行电路图案的对准、降噪和分析，以及缺陷的识别和分类，实现晶圆表面图形缺陷的捕捉。
光刻掩模板成像检测技术：
针对光刻所用的掩模板，通过宽光谱照明或者深紫外激光照明，以高分辨率大成像口径的光学成像方法，获取光刻掩模板上的图案图像，以很高的缺陷捕获率实现缺陷的识别和判定。
在量测环节，光学检测技术基于光的波动性和相干性实现测量远小于波长的光学尺度，集成电路制造和先进封装环节中的量测主要包括三维形貌量测、薄膜膜厚量测、套刻精度量测、关键尺寸量测等，前述四类量测环节在产业链中的应用如下：
三维形貌量测：
三维形貌测量通过宽光谱大视野的相干性测量技术，得到晶圆级别、芯片级别和关键区域电路图形的高精度三维形貌，从而测量晶圆表面的粗糙度、电路特征图案的高度均匀性等参数，从而对晶圆的良品率进行保证在前道制程中，需在晶圆表面覆盖包括金属、绝缘体、多晶硅、氮化硅等。
薄膜膜厚量测：
多种材质的多层薄膜，膜厚测量环节通过精准测量每一层薄膜的厚度、折射率和反射率，并进一步分析晶圆表面薄膜膜厚的均匀性分布，从而保证晶圆的高良品率。
套刻精度量测：
套刻精度测量通过对晶圆表面特征图案的高分辨率成像和细微差别的分析，用于电路制作中不同层之间图案对图案对齐的误差测量，并将数据反馈给光刻机，帮助光刻机优化不同层之间的光刻图案对齐误差，从而避免工艺中可能出现的问题。
关键尺寸量测：
关键尺寸测量技术通过测量从晶圆表面反射的宽光谱光束的光强、偏振等参数，来测量光刻胶曝光显影、刻蚀和 CMP等工艺后的晶圆电路图形的线宽、高度和侧壁角度，从而提高工艺的稳定性。
总体上，集成电路检测和量测技术的发展呈现出以下趋势：随着集成电路器件物理尺度的缩小，需要检测的缺陷尺度和测量的物理尺度也在不断缩小；
随着集成电路器件逐渐向三维结构发展，对于缺陷检测和尺度测量的要求也从二维平面中的检测逐渐拓展到三维空间的检测。
为满足检测和量测技术向高速度、高灵敏度、高准确度、高重复性、高性价比的发展趋势和要求，行业内进行了许多技术改进，例如增强照明的光强、光谱范围延展至 DUV 波段、提高光学系统的数值孔径、增加照明和采集的光学模式、扩大光学算法和光学仿真在检测和量测领域的应用等，未来随着集成电路制造技术的不断提升，相应的检测和量测技术水平也将持续提高。
随着全球半导体产业产能的持续扩张，半导体设备的需求快速增长，从而推动市场对检测和量测设备需求的增加。中国大陆作为全球最大集成电路生产和消费市场，中国大陆的集成电路产业规模不断扩大，作为全球第一大半导体设备市场，对检测和量测设备的需求将持续快速增长。
主流半导体制程正从 28nm、14nm 向 10nm、7nm 发展，部分先进半导体制造厂商已实现 5nm 工艺的量产并开始 3nm 工艺的研发，三维 FinFET 晶体管、
3D NAND 等新技术亦逐渐成为目前行业内主流技术。随着工艺不断进步，产品制程步骤越来越多，微观结构逐渐复杂，生产成本呈指数级提升。为了获取尽量高的晶圆良品率，必须严格控制晶圆之间、同一晶圆上的工艺一致性，因此对集成电路生产过程中的质量控制需求将越来越大。未来检测和量测设备需在灵敏度、准确性、稳定性、吞吐量等指标上进一步提升，保证每道工艺均落在容许的工艺窗口内，保证整条生产线平稳连续的运行。检测和量测设备的技术提升主要体现在以下三个方面：
随着 DUV、EUV 光刻技术的不断发展，集成电路工艺节点不断升级，对检测技术的空间分辨精度也提出了更高要求。目前最先进的检测和量测设备所使用的光源波长已包含 DUV 波段，能够稳定地检测到小于 14nm 的晶圆缺陷，并且能够实现 0.003nm 的膜厚测量重复性。检测系统光源波长下限进一步减小和波长范围进一步拓宽是光学检测技术发展的重要趋势之一。
此外，提高光学系统的数值孔径也是提升光学分辨率的另一个突破方向，以图形晶圆缺陷检测设备为例，光学系统的最大数值孔径已达到 0.95，探测器每个像元对应的晶圆表面的物方平面尺寸最小已小于 30nm。
未来，为满足更小关键尺寸的晶圆上的缺陷检测，必须使用更短波长的光源，以及使用更大数值孔径的光学系统，才能进一步提高光学分辨率。
达到或接近光学系统极限分辨率的情况下，最新的光学检测技术已不再简单地依靠解析晶圆的图像来捕捉其缺陷，而需结合深度的图像信号处理软件和算法，在有限的信噪比图像中寻找微弱的异常信号。
晶圆检测和量测的算法专业性很强，检测和量测设备对于检测速度和精度要求非常高，且设备从研发到产业化的周期较长。因此，目前市场上没有可以直接使用的软件。业内企业均在自己的检测和量测设备上自行研制开发算法和软件，未来对检测和量测设备相关算法软件的要求会越来越高。
半导体质量控制设备是晶圆厂的主要投资支出之一，设备的性价比是其选购时的重要考虑因素。质量控制设备检测速度和吞吐量的提升将有效降低集成电路制造厂商的平均晶圆检测成本，从而实现降本增效。因此，检测速度和吞吐量更高的检测和量测设备可帮助下游客户更好地控制企业成本，提高良品率。
自成立以来，中科飞测一直立足于采用光学检测技术的高端半导体质量控制设备的研发工作，经过多年的技术积累，公司掌握了深紫外成像扫描技术、高精度多模式干涉量测技术、基于参考区域对比的缺陷识别算法技术等核心技术。
中科飞测陆续推出了应用于集成电路前道制程和先进封装的生产制造企业及相关设备、材料厂商的无图形晶圆缺陷检测设备系列、图形晶圆缺陷检测设备系列、三维形貌量测设备系列、薄膜膜厚量测设备系列等产品。
中科飞测产品在国内高端半导体质量控制设备市场实现了国产化的突破，已获得国内多家龙头集成电路前道制程及先进封装厂商的设备验收和批量订单，在部分细分领域填补了国内高端半导体质量控制设备市场的空白。
在国家推动半导体产业发展的过程中，中科飞测还积极承担了国家科技重大专项、国家重点研发计划等众多科研项目，是我国半导体质量控制设备领域的中坚力量。
中科飞测与中芯国际、长江存储、士兰集科、长电科技、华天科技、通富微电等集成电路前道制程及先进封装企业建立了深入的合作关系，助力客户实现降本增效目标；同时，公司对高端半导体质量控制设备的持续研发推动了国内精密零部件供应商不断研发和完善其产品体系。公司的产品成功实现科技成果与半导体产业的深度融合。
中科飞测是国内半导体设备行业领军企业之一，公司的三维形貌量测设备和无图形晶圆缺陷检测设备分别在 2020 年和 2021 年获得中国集成电路创新联盟颁发的“IC 创新奖”技术创新奖，公司产品成功应用于国内 28nm 及以上制程集成电路制造产线，并获评中芯天津 2020 年“最佳供应商”称号。
中科飞测自主研发的无图形晶圆缺陷检测设备系列、图形晶圆缺陷检测设备系列、三维形貌量测设备系列和薄膜膜厚量测设备系列等已取得技术突破，在国内主要集成电路制造厂商取得批量订单，打破了国外厂商的垄断，国产化进程的加快将进一步助力公司持续快速发展。
（待续）
