机械行业研究-半导体设备研究系列之明暗场缺陷检测设备：一“明”一“暗”检缺陷，相辅相成提良率

前道量检测是半导体晶圆制造的关键工序之一，其中明场和暗场检测是重要的检测环节，对芯片制造起着至关重要的作用，是提高产品良率、降低生产成本、推进工艺迭代的重要环节，在多个方面存在很大的不同。 根据应用技术的不同，现阶段的前道缺陷检测主要包括电子束检测和光学检测，其中光学检测技术凭借速度快、无接触、非破坏和易于在线集成等优点被广泛应用。常见的光学缺陷检测系统分为明场系统和暗场系统，二者在照明方法、成像原理等方面存在较大差异，相应地，在技术难度上也有一定差别，整体而言明场系统对照明光束物理特征、成像系统、信噪比等方面的要求更加严格。一般来说，无图形晶圆的缺陷检测使用暗场系统，有图形晶圆的缺陷检测使用明场系统或是二者的结合。 2021年，按销售额计，前道量检测设备在半导体制程设备市场中占比11%，缺陷检测在前道量检测市场占比高达55%，其中有图形晶圆检测设备市场占比约34%，随着下游需求扩张，缺陷检测市场空间广阔。 半导体量检测设备是第四大制程设备环节，诞生大公司KLA。量检测设备的市场规模小于刻蚀、薄膜沉积设备、光刻机，但大于清洗设备、CMP、离子注入、Track、电镀等环节。2021年，按销售额计，前道量检测设备全球市场规模104亿美元，占WFE市场的11%，随着新能源汽车、光伏产业、工业控制等下游需求不断扩张，半导体行业具有较大的发展空间，2021年全球半导体设备市场增速高达44.10%，国内市场增速高达58.23%。SEMI预测，全球半导体设备市场规模将在2022年达到1175亿美元，在2023年达到1208亿美元。前道量检测设备是半导体设备市场的重要组成部分，按销售额计，缺陷检测设备在前道量检测设备中占比约达55%，更具体地，有图形晶圆检测设备占比约为34%，缺陷检测市场前景广阔。 半导体量检测设备市场主要由国外厂商垄断，尽管目前中国大陆已经成为全球最大的前道量检测市场，国内厂商市场份额占比仍然较小。 国际市场上KLA一枝独秀。根据Gartner统计，在2021年全球半导体前道量检测设备市场中，KLA一家独大，按销售额计，KLA的全球占有率高达52%，另外应用材料占比12%，日立高新占比11%，行业CR3达到75%。 国内厂商后起直追，上海精测、中科飞测、东方晶源、睿励、御微等初露头角，天准科技通过收购Muetec、赛腾股份通过收购Optima，布局量检测业务。 明场缺陷检测、暗场缺陷检测也有本土厂商布局：上海精测、中科飞测。 精测电子：明场光学缺陷检测设备已取得突破性订单，参股公司上海精测已斩获两台明场检测BFI100型设备订单，该型号设备主要用于 65nm - 180nm 的半导体产线制程监控。公司在有图形晶圆缺陷检测领域具有较大的发展潜力，有望加速推进进口替代并实现公司市场份额的进一步扩张。 中科飞测：具有暗场缺陷检测的核心技术储备，例如用以实现高精度无图形晶圆缺陷高速检测的深紫外成像扫描技术。 投资建议：建议关注在明场检测设备已有突破性进展的精测电子、专注晶圆缺陷检测的中科飞测。 风险分析：产品研发进度不及预期、下游需求量低于预期。 1、前道缺陷检测：良率的关键 1.1、缺陷检测：半导体晶圆制造的“眼睛” 半导体量检测设备贯穿晶圆制造的每一道制程工艺，从设计验证到工艺控制检测再到晶圆测试直至成品测试，量检测设备对晶圆制造的良率控制和提升有着至关重要的作用。 根据测试环节，半导体量检测可分为前道检测和后道检测，其中前道量检测发生在晶圆制备与硅片制造过程，包括硅片制造过程中所形成的各种薄膜厚度、纳米结构的关键尺寸（CD）、套刻误差等尺寸参数的量测、晶圆表面缺陷的检测，确保将加工产线的良率控制在规定的水平之上。 根据功能的不同，前道量检测设备又分为量测类和缺陷检测类，前者主要针对膜厚、膜应力、关键尺寸、掺杂浓度等，后者主要用于晶圆表面缺陷检测，这是半导体制造过程中工艺控制与良率管理的关键之一。缺陷检测目的在于对被检测晶圆上的关键缺陷（DOI，指被认为对良率、可靠性或性能有影响的任何缺陷类型）进行准确识别、定位以及分类，从而帮助缺陷和良率工程师快速解决缺陷问题，这对于晶圆厂降低生产成本、提升晶圆的良率意义重大。 目前用于半导体量测的技术按技术原理可分为光学检测、电子束检测和其他，主要包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM），以及光学量检测技术等。在缺陷检测领域，SEM、TEM、AFM虽然都可以实现纳米级尺度的缺陷检测（如电子束检测），但是存在速度慢、成本高、设备操作复杂等缺点。相对地，光学检测技术因具有速度快、无接触、非破坏和易于在线集成等优点而被广泛应用。 1.2、明场检测与暗场检测：系统原理大相径庭 晶圆表面缺陷的光学检测技术，依据其基本光学原理，可分为衍射法、干涉法和散射法。其中，散射法利用缺陷对入射光的散射特性进行缺陷检测，是一种应用广泛的缺陷检测方法，散射法根据照明方法与成像原理等不同又可分为明场散射和暗场散射。 尽管明场与暗场均利用了光的散射，但二者在检测原理上存在较大差异。倘若晶圆表面是一个光滑面，其被光线照射时，会发生镜面反射，而事实上晶圆表面存在颗粒等诸多缺陷，会导致部分入射光的反射方向较预定方向发生偏离，即发生散射。明场检测和暗场检测的主要区别就在于，前者检测损失了一部分光强的反射光；后者直接检测散射光。 图1：镜面反射与明暗场检测基本原理 1、照明方法 在光学检测系统的设计中，一个重要的考虑是宽带与窄带光源的选择。宽带系统使用光强度极高的灯来提供一系列波长，窄带系统则使用激光来产生单独一个波长。现实中，晶圆厂大多在明场系统中使用宽带光源，在暗场系统中使用窄带光源。 2、成像原理 反射光或散射光经若干透镜构成的收光系统收集后，由CCD（电荷耦合器件）或PMT（光电倍增管）作为探测器进行记录，将光强信息转换为缺陷信息。在两类光子探测器中，CCD可以检测一定波长范围内的所有谱线，且可以成像； 而一个PMT只检测单个波长的谱线，因此基于上述照明方法差异，明场系统通常使用CCD，暗场系统则可以使用CCD或PMT。成像法中，明场系统利用反射光束构造图像，暗场系统则利用反射束之外的散射光构造图像。特别地，基于暗场原理的检测方法除成像法外还包括非成像法，非成像法本身不能直接成像，而是采用PMT收集晶圆表面缺陷的散射光，通过标准参照物与散射光强度之间的相关曲线将缺陷的散射光强度转化为等效尺寸，进而对得到的结果进行统计与分类。 图2：明场检测（左）与暗场检测（中：成像法，右：非成像法）示意图 1.3、无图形晶圆与有图形晶圆：检测方法有所不同 无图形晶圆一般是指裸硅片或者有一些空白薄膜的硅片（主要用作测试片），其表面的典型缺陷包括颗粒、残留物、刮伤、晶体原生凹坑、裂纹等，这些缺陷会影响后续工艺的加工质量，并最终影响产品的良率。 有图形晶圆是指经过光刻、刻蚀、沉积等关键工艺后形成纳米结构图形的硅片，其缺陷不仅包括纳米颗粒、凹陷、突起、刮伤、断线、桥接等表面缺陷，还包括空洞、材料成分不均匀等亚表面和内部缺陷。这些缺陷是在大批量生产制造过程中，不可避免的工艺误差和环境污染导致的。 一般来说，暗场检测是无图形晶圆缺陷检测的首选。这是由于当晶圆表面没有图形时，无需进行图像比较，而暗场检测具有高速、高灵敏度的特点，因而具有更高的产能。在检测系统中，激光束径向扫描旋转晶圆的表面，晶圆的旋转位置和光束的径向位置定义了缺陷在晶圆表面X-Y网格中的位置。 行业领军企业美国KLA公司的SP系列（Surfscan）无图形晶圆缺陷检测设备主要采用了暗场检测方法。其中SP7缺陷检测系统能够检测 7nm 尺寸的缺陷。 以SP1为例，该系统有倾斜入射和垂直入射两个入射角（Incidence Beam）以及“宽”、“窄”两个信号收集通道（PMT），它们相互组合形成四种检测模式。 由于散射信号的强度分布与缺陷的形状、尺寸、材料，以及基体膜层有关，因而可以依据入射光和收集通道的模式不同对缺陷进行分类。 图3：无图形晶圆的缺陷检测 图4：美国KLA公司Surfscan SP1缺陷检测系统原理图 有图形晶圆的缺陷检测是一个很慢的过程且相对复杂，需根据具体应用来决定采用明场、暗场，或是二者结合。有图形晶圆检测系统将晶圆上的晶粒与相邻晶粒（或已知的无缺陷的“黄金”晶粒）的图像进行比较，图像处理软件对图像进行扣除处理，在扣除过程中晶粒的任何随机缺陷都不会变为零，反而会在扣除后的图像中清晰地显示出来。 在很多情况下，基于照明方法与成像原理等方面的特征，明场系统能够检测到更广泛的缺陷类型。当前半导体行业主流的硅片图形结构缺陷检测设备仍然是基于明场光学散射原理。典型的明场光学缺陷检测设备采用柯勒照明光路将高亮宽谱等离子体光源光束调制成超均匀、特定光束截面形状的偏振光束；随后利用高NA（数值孔径，用以衡量光学系统能够收集的光的角度范围）低像差的物镜收集硅片结构图形缺陷引起的散射光，再通过折反混合透镜组与变焦透镜组相结合的成像光路将散射光成像至时间延迟积分相机（TDI-CCD）；最后利用基于片对片的图像差分处理算法实现缺陷信号的准确识别。 目前，美国KLA公司所开发的高端K39XX系列和K29XX系列明场光学缺陷检测设备能够实现亚 30nm 的缺陷检测灵敏度，并且产能能够维持1WPH（Wafer Per Hour） @36nm ，能够适用于1Xnm及以下节点工艺生产线上的硅片结构图形缺陷检测。 图5：有图形晶圆的缺陷检测 图6：典型明场光学缺陷检测设备的光路原理 1.4、明场检测的技术难度与系统复杂程度更高 鉴于明场光学缺陷检测设备的缺陷检测性能强烈依赖于照明与成像系统的检测配置条件，例如，照明光束的偏振态控制、波段选择、截面形状、入射角，以及物镜NA等，都将影响缺陷散射信号信噪比，而信噪比是决定检测系统对晶圆表面缺陷检测极限的一个关键参数。因此，相较暗场系统，明场系统对技术的要求更高，系统也更复杂。 明场和暗场系统各有优缺点。例如，某些样品在明场系统下对比度好，而另一些则在暗场系统下更清晰，也就是说明场可以帮助更好地捕获特定层上的某些缺陷类型，而暗场能够帮助更好地捕获其它层上的其它缺陷类型。使用明场还是暗场系统主要取决于对被检测层表面关键缺陷的捕获率及工具的所有成本（产能）的平衡考虑。 近年来，多数晶圆厂使用明场和暗场结合的检测系统，以确保发现所有层上的全部关键缺陷。如今的明场系统通常具备暗场操作模式，这基本上通过采用特殊的专业光圈实现。另一方面，某些暗场系统也通过增加新的采集器或探测器引入了明场模式。 2、前道缺陷检测设备市场规模广阔 2.1、半导体设备持续增长，有图形晶圆检测前景广阔 根据IC Insights最新数据，2021年全球半导体IC市场总销售额达到了5098亿美元，较2020年增长了25%，预计2022年半导体总销售额将增长11%，达到创纪录的5651亿美元。随着市场需求的不断增加，芯片制造商，设备供应商等众多产业链参与者都在加速前行，新能源汽车、光伏产业、工业控制、高端制造等领域的高速发展将为半导体行业提供巨大发展机遇。 全球及中国半导体设备市场规模持续增长，中国占比攀升。 国际半导体产业协会（SEMI）数据显示，2013-2021年全球半导体设备市场规模由318亿美元增长至1026亿美元，年均增长率达15.77%，同期中国市场规模由34亿美元增长至296亿美元，年均增长率达31.07%。其中，2021年是半导体行业加速扩大投资、产能的关键一年，全球半导体设备市场增速高达44.10%，较2020年提高25.04个百分点，国内市场增速高达58.23%，较2020年的38.67%提高19.56个百分点。 2013-2021年中国半导体设备市场规模占全球的比重整体上呈现稳步上升趋势，2021年这一比例达到29%，中国再次成为全球最大的半导体设备市场。除2017年外，2013-2021年中国半导体设备市场增速均远高