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说到半导体，里面可以谈的东西可太多了。从一粒沙子变成一个硅晶圆片，无数的半导体人在为之付诸努力。一些有关与半导体制造的流程，可以点击这里，与非网小编在之前就与大家分享过相关的知识。今天我们抽丝剥茧，不讲笼统的制造流程，而是给大家来扒一扒其中半导体测试设备这一部分。
要知道在半导体时代的初期，器件是一些简单的 2 引脚或 3 引脚元件，如二极管和晶体管，其中的大部分都很容易用通用电子仪器进行测试。而到今天，半导体器件已经跻身于人类的最复杂创造之列。例如，现代微处理器要求成千上万技术人员一起工作若干年的共同努力，以设计和每年制造出数百万个器件常规用于计算机、通信系统、汽车和游戏中。
随着半导体复杂性的增加，必须发明能应对期间日益增多的性能和种类的测试需要的新型测试仪器和仪器组合，在接下来的文章，与非网小编将带大家走进半导体测试设备的世界。
首先我们要知道，在半导体制造过程中，那些地方需要用到测试这一环节。集成电路检测根据工艺所处的环节可以分为设计验证、前道量检测和后道检测。狭义上以为集成电路测试集中在封测环节，其实并不是这样的，检测贯穿与生产流程始终。
设计验证
设计验证用于 IC 设计阶段，主要采用电学检测技术验证样品是否实现预定的设计功能。 设计验证和后道检测涉及到的检测原理、检测设备相同，其设备本质上属于一类设备，且设计验证所需检测产品数量很少，对应设备需求很小，因此本文着重介绍前道检测设备及后道检测设备。
前道检测
前道量检测运用于晶圆的加工制造过程，它是一种物理性、功能性的测试，用以检测每一步工艺后产品的加工参数是否达到了设计的要求，并且查看晶圆表面上是否存在影响良率的缺陷，确保将加工产线的良率控制在规定的水平之上。
前道量检测根据测试目的可以细分为量测和检测。 量测主要是对芯片的薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等制成尺寸和膜应力、掺杂浓度等材料性质进行测量，以确保其符合参数设计要求；而检测主要用于识别并定位产品表面存在的杂质颗粒沾污、机械划伤、晶圆图案缺陷等问题。
前道量检测分类及主要技术
前道检测主要设备
前道量检测设备种类繁多，但大体上都是根据光学和电子束原理进行工作。 根据检测标的对良率的影响程度， 椭偏仪、四探针、 热波系统、相干探测显微镜、光学显微镜和扫描电子显微镜是前道量检测领域内比较重要的设备。为满足未来更加严格的精度要求，设备企业除了在原有技术的基础上进行工艺改进，性能提升外， 还会增加扫描电子显微镜、隧道显微镜和原子力显微镜在前道量检测工艺中的应用比重。
1、椭偏仪
测量透明、半透明薄膜厚度的主流方法，它采用偏振光源发射激光，当光在样本中发生反射时，会产生椭圆的偏振。椭偏仪通过测量反射得到的椭圆偏振，并结合已知的输入值精确计算出薄膜的厚度，是一种非破坏性、非接触的光学薄膜厚度测试技术。在晶圆加工中的注入、刻蚀和平坦化等一些需要实时测试的加工步骤内，椭偏仪可以直接被集成到工艺设备上，以此确定工艺中膜厚的加工终点。
2、四探针
测量不透明薄膜厚度。由于不透明薄膜无法利用光学原理进行测量，因此会利用四探针仪器测量方块电阻，根据膜厚与方块电阻之间的关系间接测量膜厚。方块电阻可以理解为硅片上正方形薄膜两端之间的电阻，它与薄膜的电阻率和厚度相关，与正方形薄层的尺寸无关。四探针将四个在一条直线上等距离放置的探针依次与硅片进行接触，在外面的两根探针之间施加已知的电流，同时测得内侧两根探针之间的电势差，由此便可得到方块电阻值。
3、热波系统
测量掺杂浓度。热波系统通过测量聚焦在硅片上同一点的两束激光在硅片表面反射率的变化量来计算杂质粒子的注入浓度。在该系统内，一束激光通过氩气激光器产生加热的波使硅片表面温度升高，热硅片会导致另一束氦氖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。
4、相干探测显微镜
套准精度测量设备。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。
5、光学显微镜
快速定位表面缺陷。光学显微镜使用光的反射或散射来检测晶圆表面缺陷，由于缺陷会导致硅片表面不平整，进而表现出对光不同的反射、散射效应。根据对收到的来自硅片表面的光信号进行处理，光学显微镜就可以定位缺陷的位置。光学显微镜具有高速成像，成本经济的特点，是目前工艺下的一种主要的缺陷检测技术。
6、扫描电子显微镜
对缺陷进行精准成像。扫描电子显微镜的放大倍数能够达到百万倍，能够提供尺寸更小缺陷的信息，其放大性能明显高于光学显微镜。扫描电子显微镜通过波长极短的电子束来扫描硅片，通过收集激发和散射出的二次电子、散射电子等形成硅片表面的图形，并得到不同材料间显著的成分对比。
市场空间巨大的前道检测设备市场却被一家独霸？
据 SEMI 统计及预测， 2017、 2018 年全球半导体设备投资额分别为 566.20、 627.30 亿美元，同比增长 37.29%、 10.79%。其中晶圆厂前道制造设备投资额占比 80%，达到为 452.96、501.84 亿美元。按历史数据统计，前道量检测设备约占据晶圆厂前道制造设备 11.5%的投资比例， 据此估计 2017 年该市场规模约为 52 亿美元， 而 2018 年该市场规模将进一步扩大到 58 亿美元。
KLA-Tencor 以 52%的市占率垄断前道量检测设备市场。 前道量检测设备行业具有极高的技术、资金壁垒，对业内公司研发能力有很强要求。目前市场呈现高度垄断的局面，美国厂商 KLA-Tencor 占据 52%的市场份额，是行业内的绝对龙头， 遥遥领先排在第二位的 AMAT。 凭借在前道量检测设备领域的垄断地位， KLA 在 2016 年名列全球半导体设备商第五位，如今依旧在列。
前道量检测设备厂商
科天（KLA-Tencor）
科天（KLA-Tencor） 于 1997 年由 KLA 仪器公司和 Tencor 仪器公司合并创立， 总部位于美国加州米尔皮塔斯市，公司主要为半导体、数据存储、 LED 及其他相关纳米电子产业提供前道工艺控制和良率管理的解决方案。 科天自成立起便深耕于半导体前道量检测设备行业， 目前其产品种类已经覆盖加工工艺环节的各类前道光学、电子束量检测设备。 凭借其检测产品高效、精确的性能特点， 科天以 52%的市场份额在行业内具有绝对的龙头地位。三星电子、台积电、 Intel、 海力士、联华、华虹、 中芯国际、 东芝、 美光等 IDM/Foundry 均是公司重要客户。
Applied Materials(AMAT)
应用材料公司 Applied Materials, Inc. 创立于 1967 年，总部位于美国加州圣克拉拉，全职雇员 19,000 人（2018 年 3 月 31 日），是全球精密材料工程的领导厂商，提供全球半导体、平面显示器、太阳能光电(PV)等行业所需的相关设备及服务，是目前全球最大的半导体设备和服务供应商。
日立（HITACHI）
日立（HITACHI），是来自日本的全球 500 强综合跨国集团，1979 年便在北京成立了第一家日资企业的事务所。日立在中国已经发展成为拥有约 150 家公司的企业集团。
事业领域涉及能源系统、保障人们安全舒适出行的铁路等交通系统，运用大数据进行创新的信息系统，以及通过健康管理、诊断、医疗技术等提供健康生活的医疗保健等等
耐诺公司 Nanometrics(NANO)
耐诺公司 Nanometrics Incorporated 创立于 1975 年，总部位于美国加州米尔皮塔斯，全职雇员 518 人，在全球范围内提供高性能的过程控制计量和检测系统，用于集成电路、传感器、分立元件、高亮度发光二极管和数据存储设备的制造。
Hermes Microvision
Hermes Microvision 是 1988 年成立于美国硅谷的研发性质的高科技公司。2003 年在中国台湾成立集团公司。集团致力于开发用于 ic 大规模集成电路生产线在线检测的半导体设备，为半导体制造厂提供高性能指标以及高可靠性产品。该公司与 2016 年 6 月份被阿斯麦以 31 亿元美元收购。
AstroNova
AstroNova 自 1969 年以来一直是高速数据采集和记录市场的世界领导者，测试和测量业务部门为航空航天 / 国防、汽车、轨道交通、能源和通用工业市场设计与制造数据采集仪器和用品。
国产设备厂商：从细分领域突围或许可行
据估算 2018/19 年中国大陆检测设备市场空间为 149/218 亿元，同比增长 43%/47%。其中前道检测设备市场空间将分别从 2018 年的 84 亿元增长 47%至 2019 年的 124 亿元，市场空间广阔。
1）涵盖多种细分设备，覆盖各类参数检测。前道检测针对膜厚、膜应力、折射率、线宽等关键参数进行测量，主要设备包括有图形晶圆光学检查设备 / 掩膜检查设备 / 薄膜测量设备 / 关键尺寸扫描电子显微镜等，预计以上设备 2019e 中国大陆市场空间分别为 40/16/15/12 亿元。
2）外资主导市场，国产设备有望从细分领域突围。科天 / 日立 / 应用材料分别拥有 53%/13%/12%的份额，CR3 达 79%，市场基本被外资占据。目前上海睿励在光学测量方面实现国产化，精测电子也已有布局，国产商未来有望在部分细分领域取得突破。
随着半导体产能逐渐像中国大陆转移，我国检测设备也将迎来春风。本土检测设备成为设备进口替代的先行者指日可待。
欲知下事如何？且听下回分解。
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