国产破局现曙光：半导体专用电镜CD-SEM市场与企业盘点

CD-SEM概述

在过去的半个多世纪，集成电路产业依照摩尔定律不断向更小的特征尺寸（critical dimension，CD）发展，这就使得集成电路的生产需要更严格的制造环境、更先进的制造工艺以及更少的制造缺陷，因此，集成电路晶圆（wafer）关键层图案图像线宽尺寸测量和缺陷检查越来越成为现代半导体产业的关键问题。

半导体工艺技术的进步往往表现在器件关键尺寸的减小，栅宽决定了沟道长度，进而影响器件的反应速度。关键尺寸即栅极线条宽度，通常是指我们所说的“线宽”，任何经过光刻后的光刻胶线条宽度或刻蚀后栅极线条宽度与设计尺寸的偏离都会直接影响最终器件的性能、成品率及可靠性，所以先进的工艺控制都需要对线条宽度进行在线测量。

关键尺寸测量需要精度和准确性优于2nm的测量仪器，能够获得这种测量水平的仪器是扫描电子显微镜。此类扫描电镜被称为关键尺寸扫描电子显微镜（Critical Dimension Scanning Electron Microscopy，即CD-SEM），是晶圆厂的主要计量工具。虽然两者在技术原理上有很多相似之处，但由于不同的应用侧重点，CD-SEM和普通SEM在实际的配置和使用中存在较大区别。

与通用 SEM 相比，CD-SEM 有三大特点：

1、CD-SEM照射样品的一次电子束能量较低，为1keV或以下。这是由于光刻胶或其他微结构很脆弱，降低CD-SEM电子束的能量可以减少电子束照射对样品的损伤，这样有利于晶圆进行下一步工序。

2、CD-SEM注重于高精度和高速度的尺寸测量，通常配备有专门设计的电子枪、透镜和检测器，以实现在高吞吐率和高重复性下获得精确的线宽测量。CD-SEM 的测量重复性约为测量宽度的 1% 3σ。

3、CD-SEM与SEM的自动化操作步骤：将样品晶圆放入晶圆盒内，然后将晶圆盒放置在 CD-SEM/SEM 上。预先将尺寸测量的条件和程序输入到配方（recipe）中。当测量过程开始时，CD-SEM /SEM会自动从盒中取出样品晶圆，将其加载到 CD-SEM /SEM中并测量样品上所需的位置。测量完成后，晶圆将返回到晶圆盒中。

普通的SEM也可以执行自动化操作，但与CD-SEM相比，其自动化能力不如CD-SEM那么精细和高效。CD-SEM通常在半导体制程控制中需要执行大量的重复测量，因此具有较强的自动化能力。而普通SEM则可能更注重于图像的质量和分辨率。当然CD-SEM通常还包含一套完整的数据分析和报告生成工具，可以自动分析测量数据、生成统计报告并等。

市场概况

根据VLSI Research的统计，2020 年半导体检测和量测设备市场各类设备占比如下表所示，其中，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（晶圆介质薄膜量测设备）、套刻精度量测设备、关键尺寸量测设备、掩膜量测设备等，具体情况如下：

数据显示，电子束关键尺寸量测设备全球销售额约6.2亿美元，占半导体量检测设备总销售额的8.1%。目前，全球半导体检测和量测设备市场也呈现国外设备企业垄断的格局，CD-SEM也不例外。目前主要CD-SEM厂商是日立高新，国内主要厂商包括上海精测和东方晶源。

CD-SEM当前市场主流产品型号包括 AMAT 的 VeritySEM 系列和 PROVision 系列，以及日立高科的 SEM 系列；国产突破上看，东方晶源面向 8 吋产线的首台 CD-SEM 设备 SEpA-C300 系列已于 2022年4月出货给燕东微，面向 12 吋产线的首台设备 已于 2021 年 7 月出机中芯国际。

CD-SEM国外主流企业及进展

1、日立高科

自 1984 年推出第一台 CD-SEM 以来，日立一直遵循基于 SEM 图像的关键尺寸测量方法，30 多年来一直不断发展并保持出色的测量可重复性。在保持与半导体微纳加工趋势兼容的高分辨率的同时，日立提供强大的CD-SEM，以展示高可用性，并结合制造和开发线所需的各种新功能，以满足客户的需求。

随着半导体器件制造工艺的发展，N2（2 nm制程节点）和A14（14 埃制程节点）的研发正在进行中。除了在最先进的器件中应用高数值孔径 EUV光刻之外，器件结构的复杂性预计还会增加，例如 GAA 和 CFET 结构。因此，在尖端半导体器件工艺开发中，在研究阶段和量产阶段，对在各种测量条件下进行高速数据采集以测量各种材料和结构、稳定运行以及进一步提高工具间匹配的需求正在增加。2023年12月12日，日立高新技术宣布推出GT 2000高精度电子束计量系统。

GT2000高精度电子束测量系统

GT2000配备了尖端3D半导体器件的新型检测系统。它还利用低损伤高速多点测量功能实现高数值孔径EUV光刻胶晶圆成像，以最大限度地减少光刻胶损坏并提高批量生产中的良率。日立GT2000 CD-SEM将在日益小型化和复杂化的先进半导体器件的制造过程中实现高精度、高速的测量和检测，并为提高客户在研发和量产方面的良率做出贡献。

GT2000有三大关键技术：

1. 100V超低加速电压和超高速多点测量功能，适用于高数值孔径EUV工艺

在高数值孔径EUV光刻工艺中，使用的光刻胶更薄，因此，为了高精度测量，计量工具必须尽可能少地对光刻胶造成损坏。GT2000将开创性的100V超低加速电压与专有的高速扫描功能相结合，实现了低损伤和高精度测量。此外，它还配备了超高速多点测量模式，可快速确定制造工艺条件，检测研发阶段的异常情况。

2. 3D器件结构高灵敏度检测系统

除了传统的 CD 测量外，具有 GAA、CFET 和 3D 存储器等结构的 3D 设备还需要测量图案的深度、孔和沟槽的底部。GT2000配备了新的高灵敏度检测系统，可有效检测背散射电子，从而能够对日益复杂的器件结构进行高精度成像，并扩展了新测量应用的可能性。

3. 改善工具间匹配的新平台和新电子光学系统

负责过程监控的CD-SEM最重要的性能要求之一是多个工具之间的测量值差异很小。GT2000 新平台和电子光学系统经过重新设计，消除了导致测量值差异的任何因素，从而改善了工具之间的匹配。

2、应用材料（AMAT）

应用材料是世界上最大的半导体设备厂之一，多年稳居半导体设备市场榜首。1997年，为了进入集成电路生产过程检测和监控设备市场，应用材料先后分别以1.75亿美元和1.1亿美元收购两家以色列公司Opal Technologie和Orbot Instruments。其中，Opal是一家领先的半导体CD-SEM系统供应商。由此应用材料成功打入CD-SEM市场。

今年2月28日，2月28日，应用材料公司推出了一款新型电子束测量系统，专门设计用于精确测量采用EUV和新兴高数值孔径EUV光刻技术的半导体器件特征的关键尺寸。

随着光刻胶在EUV中变得更薄，尤其是高数值孔径EUV，测量半导体器件特征的关键尺寸变得更具挑战性。为了捕获提供精确亚纳米测量的高分辨率图像，CD-SEM必须能够将窄电子束精确地施加到极薄光刻胶占据的小区域。电子束能量与光刻胶相互作用，如果着陆能量过高，抗蚀剂会收缩，扭曲图案并产生误差。传统的CD-SEM不能产生足够窄的光束，以足够低的着陆能量创建高分辨率图像，以尽量减少与精致的高数值孔径光刻胶的相互作用。

应用材料公司的新型VeritySEM 10系统具有独特的架构，与传统的CD-SEM相比，能够以2倍的分辨率实现低着陆能量。它还提供更快30%的扫描速率，以进一步减少与光刻胶的相互作用并提高通量。该系统具有行业领先的分辨率和扫描速率，可改进对EUV和高数值孔径EUV光刻和蚀刻工艺的控制，帮助芯片制造商加快工艺开发并最大限度地提高大批量生产的良率。

VeritySEM 10系统也被芯片制造商用于3D设计中的关键尺寸计量应用，包括Gate-All-Around（GAA）逻辑晶体管和3D NAND存储器，其中系统的背向散射电子能够对深层结构进行高分辨率成像。在GAA芯片的应用中，VeritySEM 10用于测量和表征选择性外延过程，这是晶体管性能的关键。对于3D NAND存储器，该系统提供大视野和高焦深，以测量整个楼梯互连结构并帮助调整蚀刻工艺配方。

3、KLA

KLA（中文科磊），1976年成立于美国加州硅谷，是全球领先的半导体检测设备供应商，为半导体制造及相关行业提供产能管理和制程控制解决方案。目前KLA的量检测产品主要集中于光学检测，其电子束检测多为缺陷检测产品。

不过KLA也曾推出过CD-SEM的量测产品，比如曾在1999年推出了 8100XP-R，这是一款临界尺寸扫描电子显微镜 （CD-SEM），专为涉及低 k1 光刻和 0.18 微米设计规则的半导体计量而设计。该工具设计用于测量掩模版和晶圆，而无需任何硬件或软件转换。

今年美国国家标准与技术研究院 （NIST）联合KLA 的研究人员共同开发电子束倾斜测量技术，以提升芯片制造SEM测量水平。当电子束通过SEM时，它会受到精细控制。电子束与理想路径的轻微偏差或电子束撞击芯片表面的角度的微小错位都会使生成的 SEM 图像失真并歪曲器件的结构。NIST和KLA通过考虑电子束的这些角度错位，提高了SEM的精度。该联合研究项目测量光束倾斜的精度小于一毫弧度，即百分之五度，这需要在角分辨率和测量验证方面取得进步。

4、TCK

TCK株式会社自2005年成立以来，为半导体行业开发并销售了许多独特的半导体相关设备，其基础技术包括精密载物台、真空控制技术、电子束控制和图像处理技术等。因此，在2014年，开发并销售了世界上最小水平的高分辨率和超高真空SEM，并收到了来自各个方面的大量反馈。 近年来，在半导体领域开发的精密技术得到应用。

TCK的Minimal CD-SEM专门用于电子显微镜中晶圆图案的尺寸测量。该设备的特点是可移动的尺寸和重量（纵深459mm，高1440mm，宽297mm，120kg），在工厂实现高分辨率/超高真空，同时能够在AC 100V的电源中工作。为了本仪器的便携性，安装了各种网络连接方式，例如通过USB / LAN电缆连接PC和通过IR云互联网连接红外互联网。

5、HOLON

HOLON是一家基于电子束的检测和测量工具的制造商，产品主要用于半导体制造所需的光掩模和晶圆。

用于光掩模的CD-SEM是HOLON的旗舰产品，在半导体制造工艺中使用的光掩模制造工艺中发挥着不可或缺的作用。光掩模制造工艺所需的工具主要分为两种类型。一种是电子束直写（图案成型）系统，另一种是检查（或修复）系统。HOLON提供电子束检测系统。公司主要的CD-SEM产品是ZX系列，其中ZX-D是用于传统工艺节点的光掩模CD-SEM。ZX-D 和 ZX 建立在相同的技术平台上，ZX-D 可以在需要时升级到完整的 ZX 配置。

ZX CD-SEM 将 HOLON 在掩模计量方面的技术领先地位扩展到 10nm 以下节点的最先进器件。HOLON行业领先的像差校正和电荷缓解技术已经过改进和实施，以满足测量和成像前沿半导体光掩模的所有要求。ZX 已交付给全球多家半导体制造商、代工厂和光掩模车间，并在其中使用。该产品可以在纳米尺度上高速、高精度地测量图案；改进了像差校正，以获得更清晰的图像和更高的信噪比；通过低真空技术实现电荷减轻的高质量图像；集成应用，包括多点 CD 测量、轮廓提取、新型 2D 测量、方法、缺陷检查和“鸟瞰”（3D） 视图；适用于各种基材，包括EUV掩模、移相掩模、NIL Qz模具、PET薄膜模具和DSA薄膜。

6、ADVANTEST

Advantest （ADVANTEST CORPORATION）是一家日本半导体设备公司，专门提供广泛的半导体设备测试解决方案。该公司成立于1954年，现已成为半导体行业的领先企业之一。

随着多重曝光技术的进步，更细间距和更复杂电路的发展，以及光罩数量和各光罩测量点数量的增加，需要对光罩上形成的布线图案尺寸进行稳定的高精度测量和评估。爱德万E3600系列产品满足先进设备的需求，具有高测量可重复性和稳定产能。

E3650是采用爱德万专有电子束扫描技术的新系统，以更高的精度和稳定性测量光罩上的精细图案尺寸。E3650是公司E3600系列的最新产品，广受光罩SEM市场的青睐。与现有型号E3640相比，其测量产量增加了一倍。E3650能够大规模测量更加复杂的图案以及因多重图案而增加的光罩数量。除了前沿光罩技术外，新系统在测量EUV光罩和纳米压印应用主模板时也显示出卓越的性能。

CD-SEM国内企业及进展

1、东方晶源

东方晶源微电子科技（北京）股份有限公司成立于2014年，总部位于北京亦庄经济技术开发区，是一家专注于集成电路良率管理的企业。东方晶源推出的12英寸、6/8英寸关键尺寸量测设备CD-SEM均已进入产线量产多时，可支持Line/Space, Hole/Elliptic，LER/LWR等多种量测场景、满足多种成像需求。据了解，该公司CD-SEM此前已向中芯国际、燕东微完成交付。目前公司CD-SEM最新型号为SEpA-c300和SEpA-c400，分别针对8寸和12寸晶圆产品。

2023年9月5日，证监会发布了关于东方晶源微电子科技（北京）股份有限公司首次公开发行股票并在科创板上市辅导备案报告，辅导机构为中信建投证券股份有限公司。

2、上海精测

上海精测半导体技术有限公司成立于2018年7月，主要从事以半导体量检测设备为主的研发、生产和销售，同时也开发一部分显示和新能源领域的检测设备。

2021 年，上海精测完成了首台 CD-SEM 项目的订单交付。2022年12月底，精测半导体宣布首台CD-SEM设备（eMetric）已顺利发货华南客户。eMetric是上海精测半导体本土研发团队打破国外公司的垄断、依靠自身力量全新自主研发的电子束晶圆关键尺寸量测设备（CD-SEM），具有核心零部件的全部自主知识产权。该设备可实现高深宽比特征量测和overlay测量，且可满足6/8/12英寸晶圆从微米小视场到百微米级大视场的截然不同的量测需求。

3、苏州矽视

苏州矽视科技有限公司于2021年6月成立，专注于高端半导体晶圆量检测设备的研发、生产和服务，致力于自主研发具有完全自主知识产权、满足行业需求的国产电子束成像量检测设备。

矽视科技在短短两年多时间里，已经推出CDSEM等多种类型设备，并获得苏州市姑苏领军人才、相城区独角兽企业、相城区重点创业团队多项荣誉。其中，CDSEM（关键尺寸量测设备）主要是通过对于关键尺寸的采样测量，实现对IC制造过程中，光刻工艺后所形成图形尺寸进行监控，以确保良率。该设备对标业内主流量产产品，并研发特有的荷电控制方法和位置偏差的动态补偿方法，在分辨率、视场、采样频率、定位精度和吞吐率等均可满足市场要求。

2023年12月14日，苏州矽视科技有限公司首台关键尺寸量测设备（CDSEM）出机。苏州矽视科技表示，该设备为苏州矽视科技自主研发，其中最重要的电子光学系统具有自主的核心技术，完全摆脱进口，主要性能指标媲美国外同类产品，为国产替代再添新军。

4、青田恒韧

青田恒韧成立于2022年，是由CD-SEM领域资深人士创立的CD-SEM设备公司，研发中心位于北京市丰台区，公司主要专注于CD-SEM设备研发、设计与销售，核心团队在CD-SEM领域具有丰富的研发设计和经营管理经验。

据悉，CD-SEM设备研发难度大技术门槛高，青田恒韧研发团队经过多年在底层物理、数学、材料、软件、工艺等上的深入研究，后续更是耗时近两年时间在阿里云服务器上的仿真CD-SEM设备跑数据，最终取得突破性进展。

今年8月，青田恒韧完成Pre-A轮融资，由方富创投、明德投资共同投资；天使轮融资机构为北京中关村协同创新基金。本轮融资将主要用于研发CD-SEM设备，目标是研制并生产能够完全替代Hitachi CG5000的CD-SEM产品。

整体来看，国际龙头企业在技术和市场上都处于主导地位，国产替代难度大。而国产企业普遍成立研发相关设备较晚，人才团队也多来自海外归国技术人员，出货的产品不多，大部分仍处于早期研发阶段，但国产破局曙光初现。