检测设备行业进口被替代是未来发展趋势
缺陷贯穿生产过程，未及时修正则导致最终失效。集成电路的设计、加工、制造以及生产过程中，各种各样人为、非人为因素导致错误难以避免，造成的资源浪费、危险事故等代价更是难以估量。设计的漏洞、布局布线的失误、工作条件的差异、原料的纯度不足和存在缺陷以及机器设备的误操作等造成的错误，都是导致电路产生缺陷最终失效的原因。测试成为贯穿于集成电路设计、制造、生产中的、保证芯片质量的重要环节。
测试环节覆盖生产全过程，保证芯片符合规格。以IC测试为例，IC从设计到失效整个寿命中所经历的测试主要有设计验证、工艺监控测试、晶圆测试、最终测试、可靠性测试、用户测试。其中前四个发生在制造过程中，设计验证在批量生产前进行，最终测试在芯片封装后进行，所有测试目的是保证芯片符合规格，尽量避免损失升级。
图表：生产过程中主流测试环节
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设计验证主要检测芯片样品功能设计，在生产前进行。设计验证针对的是芯片样品，主要工作是检测芯片设计的功能是否能够达到客户要求，在检测过程中会对芯片样品逐一检查，只有通过设计验证的产品型号才会开始进入量产，由于其发生在芯片制造最早环节，性价比相对最高，可为芯片批量制造指明接下来的方向。
设计验证过程中需要使用全部半导体测试设备。由于设计验证的特殊功能定位，其过程包括了整个芯片的制造流程，所需测试设备也包含了过程工艺检测过程中的光学设备等、晶圆检测中的探针台等以及最终检测过程中的分选机、测试机等。经过设计验证的产品型号才会开始进入量产，我们将在后面量产测试环节中对不同测试设备技术及市场进行逐一介绍，在此不一一赘述。
顾名思义，过程工艺控制应用于晶圆制造的全过程。在晶圆的制造过程中，包括离子注入、抛光、刻蚀等几乎任意一个环节都会由于技术不精确或外在环境污染等而形成缺陷，从而导致芯片最终失效。主要检测的指标包括膜厚、表面缺陷、关键尺寸等。例如整个晶圆的制造工艺便是不断的成膜工艺，在硅片表面形成不同的膜，膜厚便是膜的关键质量参数，针对不同种类薄膜测试参数也不尽相同，例如对于不透明膜的测量便使用四探针来测量方块电阻来计算膜厚，针对透明膜便主要依据光学测试进行测量。
工艺检测缺陷及测试方法复杂多样，下面主要列出了部分常见缺陷检测原理，辅助理解整个工艺检测环节（主要列举了氧化、光刻、刻蚀、CMP四个主要制造流程）：
1）氧化是晶圆制造中重要的一步，在硅片上通过热生长或淀积产生的氧化膜可以对器件保护和隔离、产生表面钝化、掺杂阻挡充当芯片间金属层有效绝缘体等。当一批硅片
进炉氧化时，将一定数量表面裸露的检测片（无图形片）放在炉管的关键位置上，用于氧化步骤之后的各种评估，确保氧化物具有可接受的质量。
2）光刻是晶圆制造中设备价值最高的流程，通过对光刻胶曝光，把高分辨率的投影掩膜版上图形复制到硅片上。一旦光刻胶在硅片上形成图形，便要使用自动显影检查设备检查光刻胶图形的质量，如果确定有缺陷便可通过去胶把它们除去，或者硅片也可以返工，否则如果有缺陷的硅片被送去刻蚀，便将会成为废品，是灾难性的问题，因此此阶段质量检查意义重大。
3）刻蚀工艺最后一步是进行刻蚀检查确保刻蚀质量。其中最重要的一步是对特殊掩蔽层的检查，以确保关键尺寸的正确，通过检测来确定是否发生过刻蚀、欠刻蚀或钻蚀。所用到的设备仪器为关键尺寸检测需要的光学显微镜等。
4）化学机械平坦化（CMP）使硅片具有平滑的表面，表面起伏变到最小，可以减小由于表面起伏带来的光刻时对线宽失去控制等负面影响。但CMP带来的一个显著问题是表面微摩擦，小而难以发现的微擦痕导致淀积的金属中存在隐藏区，可能引起同一层金属间的短路，对其进行质量测量的设备主要是表面缺陷检测设备。
检测设备分为光学检测和电子束检测，过程工艺控制设备主要是以光学检测设备为主，应用在前制程环节。由于晶圆制造的核心在于硅片上的成膜，图案的精确程度以及膜厚等直接关乎芯片是否能达到所设计性能指标。所用的检测设备也主要为光学检测设备，包括通过图案缺陷检测系统来检测晶圆光刻环节的成功率，通过FEB测量装置判断硅片的少子寿命等。
（1）量测——判断厚度、应力等指标
量测是确定所有步骤符合设计的标准。通过“量”判断薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套刻精度等关键参数是否符合设计要求，一旦量测结果不符合要求，则说明产线出现问题，需要及时进行问题排查。
a.膜厚
硅片工艺是成膜工艺。集成电路的主体结构和器件都是由各种形状和尺寸的膜构成的，它们或是透明的膜或是不透明的膜，类型有金属、绝缘体、光刻胶和多晶硅，薄膜厚度的任何微小变化，对集成电路的性能都会产生直接的影响。除此之外，薄膜材料的力学性能，透光性能，磁性能，热导率，表面结构等都与厚度有着密切的联系，因此薄膜厚度的精准是是高成品率制造工艺的基础。
图表：半导体工艺中所涉及的常用薄膜
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椭偏仪一测量透明椭偏仪一半透明薄膜厚度最精确的方法之一。由于具有非接触性、非破坏性、测量精度高和适于测量较薄膜层的特点，成为了半导体工业常用的薄膜测量工具。当一束光射到薄膜面上时，在上界面和下界面形成多次反射和折射，形成椭圆偏振光。通过测量得到的椭圆偏振光的偏振态（幅度和相位），并根据已知的输入值（例如反射角、入射光的偏振态），则可精确地确定薄膜的厚度。椭偏仪测试具有小的测试点、图形识别软件和高精度硅片定位的优势，但由于其是一种光学测量方法，无法测量不透明薄膜的厚度。
椭偏仪可测量的材料包括金属、涂覆聚合物和金属。其中只有薄的金属才可以被看做半透膜，如铜互连工艺中用到的铜种子层，厚度大于1000A的金属层通常被认为是不透明的，不能用椭偏仪测量。椭偏仪可以直接集成到工艺设备中，应用于注入刻蚀和平坦化一些领域的原位（实时）测试。
椭偏仪2013年全球市场规模为4086万美元，销售量1018台，据预测2023年市场规模将达到8582万美元，销售量2844台。行业已经发展成熟且高度集中，J.A.Woollam，Horiba，Semilab，Sentech，Angstrom Sun Technologies占据了大部分市场份额，并在全球市场中发挥重要作用。国内椭偏仪的龙头企业是北京量拓科技，公司在太阳能电池检测椭偏仪取得一定成绩，但在芯片检测方面还与国际水平存在一定差距。
不透明导电薄膜可用四探针法来测量。其原理是用四个等距的金属探针接触硅表面，外边的两令探针通直流电流1，中间两个探针之间的电压降V由电位差计测量。由所测得的电流1和电压V，利用关于样品和探针几何结构的适当校正因子，可以直接换算成薄层电阻，最后根据材料的电阻率换算出薄膜厚度。
b.膜应力
薄膜沉积在基体以后，由于沉淀原子处于非平衡状态，因此薄膜处于应变状态。薄膜应力分为拉应力（tensile stress）和压应力（compressive stress）。拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。压应力则相反，膜表面产生外凸现象，薄膜有向表面扩张的趋势。如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧表曲，导致膜层起泡。由此可见，薄膜应力是引起薄膜失效的重要原因。在薄膜淀积前后，利用扫描激光束技术或分束激光技术测量硅片半径，绘制硅片应力的剖面图，则可实现对膜应力进行的检测。
检查膜应力可使用原子力显微镜（AFM）或扫描电子显微镜（SEM），其中SEM是目前最广泛使用的表面形貌仪。SEM利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态：当高能电子束轰击样品表面时，入射电子束与样品间的相互作用，99%以上的入射电子能量将转变成热能，其余约1%的入射电子能量将从样品中激发出各种有用的信息，检测仪器将其转变为放大的电信号，并在记录仪上显示出来。
图表：入射电子能量将从样品中激发出各种有用的信息
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SEM市场主要被美国、日本、德国所瓜分，进口依赖严重。日本日立、日本电子公司、美国FEI以及德国蔡司构成SEM全球市场的几大巨头，我国SEM严重依赖进口，每年我国花费超过1亿美元采购的几百台扫描电镜中，国产扫描电镜只占约5%-10%。
c.折射率
折射是透明物质的特性，它表明光通过透明物质的弯曲程度。折射率的改变表明薄层中有沾污，并造成厚度测量不正确，薄层的折射率可以通过干涉和椭圆偏振技术来测量，与用于确定薄膜厚度的椭偏仪相同。
d.掺杂浓度
在晶圆的一些区域，如pn结、外延层、掺杂多晶硅等，杂质原子的分布情况直接影响到这些半导体器件的性能，常用的在线测量方法是四探针法（用于高掺杂浓度）和热波系统（用于低掺杂浓度）
热波系统广泛应用于检测离子注入剂量浓度，是检测精度最高的方法之一。在该系统内，一束激光产生加热的波使硅片表面温度升高，热硅片会导致另一束激光的反射系数发生变化，这一变化量正比于硅片中由杂质粒子注入而产生的晶体缺陷点的数目。由此，测量杂质粒子浓度的热波信号探测器可以将晶格缺陷的数目与掺杂浓度等注入条件联系起来，描述离子注入工艺后薄膜内杂质的浓度数值。
e.关键尺寸（CD）
关键尺寸（Critical Dimension，CD）是指在集成电路光掩模制造及光刻工艺中，为评估及控制工艺的图形处理精度设计的一种反映集成电路特征线条宽度的专用线条图形，关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的准确控制。CD的测量是半导体器件性能控制的关键，如在CMOS技术中，栅宽决定了沟道的长度，沟道的长度影响了速度，因此对晶体管栅结构尺寸的检测变得十分重要。由于关键尺寸越来越小，能获得这种测量水平的仪器是扫描电子显微镜（SEM）。
f.台阶覆盖
随着芯片尺寸越来越小，如何在小通孔和互连线中实现保形的阶梯覆盖成为半导体制造过程中最具挑战的问题之一。理想的台阶覆盖如图27左图所示，沿着台阶所有界面的膜层厚度是均匀的。常用来测量台阶覆盖和硅片表面的其他特征的仪器是光学非接触轮廓仪或探针接触式轮廓仪。
g.套准精度
套准精度的检测在光刻工艺之后，用于测量光刻机和光刻胶图形与硅片前面刻蚀图形的套刻的能力。测量套准精度的主要方法是相干探测显微镜（CPM）。相干探测显微镜主要是利用相干光的干涉原理，将相干光的相位差转换为光程差。它能够获得沿硅片垂直方向上硅片表面的图像信息，通过相干光的干涉图形可以分辨出样品内部的复杂结构，增强了CMP后低对比度图案的套刻成像能力。
（2）缺陷检测
缺陷检测是寻找晶圆加工后不该呈现的结果。晶圆的特征尺寸的不断减小会造成更多微小的缺陷，因此晶圆表面的缺陷已经成为影响良率的主要障碍。表面缺陷检测分为有图案检测和无图案检测，使用的设备是扫描电子显微镜和光学显微镜。
a.有图案缺陷检测
有图案检测方法包括电子束检测、明场检测、暗场检测。每个都有自己的特点，比如明场检测系统用于详细检查图案缺陷，暗场检测运行速度快，适用于大量晶片的缺陷检测。但这些检测系统的基本原理又是相同的：缺陷通常是由灰尘等粒子引起的，并且发生位置是随机的。由于缺陷在某一区域反复出现的可能性极低，因此图案化的晶片检查系统是通过比较相邻芯片图案的差异来检测缺陷。
b.无图案缺陷检测
无图案硅片是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片。无图案硅片检测用于晶圆运输检查、晶圆来料检查以及设备清洁度检查。为了检查设备的清洁度，将用于清洁度检测的裸晶圆装入设备，移动晶圆并检测表面颗粒度的增加情况。无图形硅片上典型的缺陷包括颗粒、划伤、裂纹和其他材料缺陷光。由于没有图案，因此无需图像比较即可直接检测缺陷。
无图案缺陷检测系统的原理如下：激光束投射到旋转晶片上并沿径向移动，使得激光束能够照射晶片的整个表面，当激光束投射到旋转晶片的颗粒/缺陷上时，光将被检测器散射和检测，因此检测到颗粒/缺陷。根据晶片旋转角度和激光束的半径位置，计算并记录粒子/缺陷的位置坐标。除了颗粒之外，镜面晶片上的缺陷还包括诸如COP的晶体缺陷。
2、过程工艺环节被高度垄断，国内公司突围困难
从价值体量来着，过程工艺控制设备占半导体设备市场8%左右。根据WSTS数据显示，2017年全球半导体设备市场规模约为566亿美元，过程工艺控制市场规模约为46亿美元，占比8%左右。目前来看，前道工艺控制环节设备包括：（1）有图形的晶圆检测，占比约为37%；（2）光罪检测设备，占比为20%；（3）缺陷测量，占比是13%；（4）关键尺寸测量占比11%；（5）无图形晶圆检测占比6%。
设备市场被科磊、日立等几家国外企业垄断。科磊是过程工艺控制检测设备绝对龙头，其在整体设备中占据了一半的全球市场，尤其在无图案及有图形晶圆检测设备市场中一家独大。日立高新与科磊进行差异化竞争，主要产品体现在关键尺寸测量等光学设备上。过程工艺控制检测设备由于涉及光学精度，技术壁全较高，国内公司突破难度仍然很大。
