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不久前的1月20日，全球光刻機龍頭ASML正式交付了一臺晶圓量測設備YieldStar 385。相比于售價動輒過億美元的光刻機，這臺新設備并未引起過多關注。
但實際上，在量測設備領域，ASML已投入了十年的研發。而ASML最新推出的YieldStar 385設備，可用于最領先的3nm制程產線。
那么，這種得到全球光刻王者青睞的量測設備到底是什么？
在芯片制造全程中，晶圓廠需要在刻蝕、光刻等每一個步驟結束后，對晶圓進行檢測，以確認加工參數達到設計要求、排除晶圓表面缺陷，從而保證良率和控制成本。
這種貫穿芯片制造全程的檢測工藝，就被稱為“前道量測”，又稱“過程工藝檢測”。
據SEMI和申港證券研究所統計，前道量測設備（工藝控制檢測設備）的價值，占到晶圓廠制造設備總額的10%。
▲前道檢測設備約占晶圓廠制造設備總額的10%（2018年數據）
今天，芯東西著眼全球市場，解讀前道量測設備背后的技術邏輯，以及領先玩家背后的故事。
前道量測設備：與光刻機聯系緊密的關鍵設備
翻開ASML 2020年的財務報告，可以看到在2020年，ASML向客戶交付了四套前道量測系統，分別為三套eScan1000多光束檢測系統、一套YieldStar 385系統。
全球光刻之王為何布局前道量測設備市場？或者說，前道量測設備會對光刻工藝造成怎樣的影響？
在2020年7月18日ASML官方Facebook賬號發布的一條推文中，我們可以找到答案。根據推文《ASML關鍵量測機臺的誕生》，2000年代早期，半導體制造商在使用光學系統檢測轉印在晶圓上的線路圖案時，遇到了瓶頸。
具體來說，2000年以后，芯片制程推進至0.13?m（130nm）時，要在0.13?m光刻分辨率的芯片上檢測出缺陷，晶圓廠有可能需要中斷芯片制造過程。不僅如此，隨著摩爾定律向前發展、光刻精度日益提升，晶圓前道量測的任務日益加重，迫切需要更加智能的量測機臺。
▲ASML官方Facebook賬號推文《ASML關鍵量測機臺的誕生》
基于此，ASML量測部門工作人員Arie den Boef在約十年前開始研發YieldStar系列量測設備。據ASML官方資料，YieldStar設備可實時將檢測資料回傳給光刻設備，從而矯正芯片制造過程中的錯誤。
▲ASML量測部門研究人員Arie den Boef
目前，前道量測設備主要用到光學技術和電子束技術。前者通過分析光的反射和衍射光譜，間接進行測量，是晶圓廠主要使用的檢測技術；后者根據電子掃描直接放大成像。
▲光學量測、電子束量測對比（圖源：華創證券）
國外廠商占據主導，日本廠商斬獲臺積電/三星訂單
據SEMI及國金證券的測算，全球半導體檢測類設備市場規模超800億元，其中前道量測設備市場規模約為406億元。
放眼全球前道量測設備市場，外國廠商占據主導地位。
其中，僅行業龍頭科磊（KLA）就占據過半市場份額，市占率高達約53%。此外，美國應用材料、日本日立、美國耐諾、中國臺灣Hermes Microvision、以色列Nova等廠商亦排名前列。
▲半導體前道量測設備市場競爭格局（圖源：SEMI、國金證券研究所）
除去上述幾家廠商，全球晶圓前道量測設備市場中，還有一家日本廠商不得不提——Lasertec。
Lasertec的產品可用于當今最先進極紫外光刻（EUV）的前道工藝檢測。目前，Lasertec是該領域唯一一家設備制造商。
目前，全球范圍內僅有臺積電和三星電子能夠利用EUV技術生產芯片。而這兩家企業已確認訂購了Lasertec的EUV檢測設備。
隨著利用EUV技術生產的5nm制程芯片紛紛落地商用，Lasertec公司的業績表現水漲船高。
從2019年初以來，Lasertec公司的股價已經飆升逾900%。
▲Lasertec公司近五年股價變化
揭秘三大國產化玩家
把目光放回國內，據市場研究機構國金證券測算，目前，中芯國際、長江存儲、長鑫存儲占據了國內前道量測設備年需求的40～50%左右。
而在供應端，科磊等外國廠商在大陸的市占率達到約70%。
國產玩家方面，中國企業起步較晚，目前上海睿勵、中科飛測、精測電子等對前道量測設備有所布局。
其中，上海睿勵成立于2005年，主要產品包括光學薄膜測量設備、光學關鍵尺寸測量設備等。工商平臺顯示，國家大基金持股上海睿勵約12.1%。
深圳中科飛測成立于2014年，公司由中科院微電子所和創業團隊共同創立。2020年5月份，中科飛測生產的橢偏膜厚量測儀已落地士蘭微電子12英寸特色工藝半導體芯片項目。
上海精測電子成立于2018年，在前道量測設備和后道封測設備上均有布局。工商平臺顯示，國家大基金持股上海睿勵約13.3%。
據國金證券測算，目前半導體設備國產化率在10%左右。在國內前道量測設備市場由外國廠商占據主導地位的情況下，上海睿勵等國產化玩家，不僅需要需要攻克技術壁壘，還需承擔起建設銷售團隊、培育市場生態等多種任務。
結語：前道量測——國產化攻堅的又一道命題
作為貫穿芯片制造全程的重要設備之一，前道量測設備對于提升芯片良率具備重要意義。
據估計，產品良率每降低一個百分點，晶圓代工廠商將損失100～800萬美元。
在提升芯片產業國產化被不斷強調的今天，攻堅每一個產業鏈環節成為中國芯片玩家面臨的行業使命。
目前，國內前道量測設備市場仍舊由外國廠商占據主導地位，期待未來中國廠商能夠通過提升產品、研發等各方面實力、占據更多市場主動權。