精准激光在下游半导体领域应用情况，半导体对精准激光极高要求
思瀚产业研究院 频准激光    2025-12-09

激光器作为半导体行业中的重要部件，以其短波长、高能量密度、优异的光斑和准直特性，在半导体领域中的晶圆制造、量检测、晶圆隐切、缺陷检测等方面起到重要的作用，可以说整个半导体工艺，是建立在光学的成像、衍射、干涉、散射等物理特性之上。对激光的需求，波长分布从 EUV、DUV 到可见光、中红外甚至远红外；功率从 mW 级别到 kW 级别；激光运转方式包括连续或者脉冲；单频和非单频激光。

①晶圆制造

晶圆制造对激光的需求是极窄线宽和波长稳定，波长出现偏移或光谱宽度过大会对加工精度和良率造成影响。

②晶圆量检测

检测指在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷；量测指对被观测的晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、关键尺寸、刻蚀深度、表面形貌等物理性参数的量测。从技术原理上看，检测和量测包括光学检测技术、电子束检测技术和 X 光量测技术等。目前，在所有半导体检测和量测设备中，应用光学检测技术的设备占多数。

光学检测技术基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得检测结果，光学检测技术对晶圆的非接触检测模式使其具有对晶圆本身的破坏性极小的优势；通过对晶圆进行批量、快速的检测，能够满足晶圆制造商对吞吐能力的要求。

在生产过程中，晶圆表面杂质颗粒、图案缺陷等问题的检测和晶圆薄膜厚度、关键尺寸、套刻精度、表面形貌的测量均需用到光学检测技术关键尺寸测量技术，通过测量从晶圆表面反射的宽光谱光束的光强、偏振等参数，来测量光刻胶曝光显影、刻蚀和 CMP 等工艺后的晶圆电路图形的线宽、高度和侧壁角度，从而提高工艺的稳定性。

检测、量测贯穿整个半导体制造过程，可避免制造损失的指数式增长，制程越高，需要对更小尺度的缺陷散射检测，也需要更短波长的光源来获得足够强的散射分辨率。此外，提升激光功率也可以有利于检测更小尺寸的缺陷。

晶圆检测、量测设备中的激光器通常需要在满足能够 24 小时连续使用、无故障运行时间超过 10,000 小时且寿命达到 3 年以上等严苛条件的基础上，保持性能、功率及光斑质量稳定，因此具有较高的技术壁垒及生产工艺要求。

在光学量检测设备中，激光器是核心的“光源心脏”。其性能直接决定了量检测设备的精度、速度和能力。晶圆量检测对激光器提出的极为苛刻的要求：

a.短波长（DUV 深紫外甚至 EUV 极紫外）和多波长可选

根据光学衍射极限公式，分辨率与波长成正比。波长越短，能分辨的尺寸就越小，这对于测量几十纳米的关键尺寸至关重要。此外，不同材料（如光刻胶、氮化硅、多晶硅）对不同波长的光吸收和反射特性不同。多波长激光可以针对不同膜层和结构进行优化测量，提高信噪比和测量准确性。

b.极高的功率稳定性

激光功率的波动会直接转换为测量信号的噪声，导致测量结果重复性差、精度降低。稳定的光源是获得可靠、可重复数据的前提。

c.优异的光束质量

高质量的光束可以更容易地被聚焦成极小的、能量集中的光斑。这对于高空间分辨率测量（如扫描式测量）和获得清晰、对比度高的图像至关重要。像差和模式不纯会引入测量误差。

d.长相干长度（窄线宽）

在基于干涉原理的量测技术（如用于测量表面形貌的干涉仪）中，相干长度决定了可测量的最大高度差。长相干激光允许测量阶梯较高、不平整度较大的表面。

e.极低的强度噪声和频率噪声

噪声会淹没微弱的测量信号，特别是当检测微小缺陷或测量极薄膜层时，信噪比（SNR）是瓶颈。低噪声激光器能提升系统的检测灵敏度和准确度。

f.高可靠性、长寿命（数万小时）、低维护成本

晶圆厂 7x24 小时不间断运行，设备停机意味着巨大的经济损失。激光器作为核心部件，必须能够长时间稳定工作，且维护周期长、更换成本可控。

③晶圆隐切

晶圆隐切，也称为隐形切割或 Stealth Dicing，是一种先进的晶圆切割技术。刻蚀等环节完成芯片的制造后，一个整体的晶圆需要切割为单个芯片，既晶粒（die），传统的方式使用高速旋转的、极其锋利的金刚石刀片，在晶圆表面的划片槽（Scribe Line）上进行物理切割，然而这种切割方式机械应力大、切割精度有限，无法对超薄晶圆或易碎材料进行切割，切割过程也容易污染芯片，因此逐渐被激光隐切取代。激光隐切使用特定波长的激光束穿透晶圆表面，在其内部聚焦形成改质层，而不是直接从表面进行烧蚀切割。然后通过扩膜等工艺，使晶圆沿着内部的改质层整齐地分裂成单个的芯片。

晶圆隐切对于激光器的详细要求：

a.近红外波长（主要为 1100nm），能被加工材料（主要是硅）高度透射。这样激光能量才能穿透表面，几乎无损耗地到达晶圆内部并在焦点处聚集，实现内部改性。

b.短脉冲（通常为纳秒量级），只有高峰值功率（由短脉冲提供）才能激发多光子吸收等非线性效应，使本应透明的材料在焦点处变得“不透明”并吸收能量。

c.优异的光束质量，光束质量直接决定了聚焦光斑的大小和能量集中度。一个完美的基模高斯光束才能被聚焦到衍射极限的最小光斑，从而获得最高的功率密度，实现最精细的改性线，减少对芯片侧壁的损伤。

d.焦点控制与稳定性，要求激光器的输出功率和光斑必须高度稳定。改性层需要在整个晶圆厚度内保持均匀和连续。任何激光功率或光束指向性的波动都会导致内部改性不均匀，从而在扩张裂片时产生不良的断口（如斜裂、不裂），严重影响良率。频准激光推出 1100nm 的纳秒脉冲激光器，中心波长稳定，脉宽形状精准可控，峰值能量高，可以完美适配激光隐切的应用，目前已经应用于存储芯片制造，图像传感器（CIS）制造，3D 堆叠封装等半导体设备。

（2）半导体设备发展情况

半导体行业遵循“一代技术、一代工艺、一代设备”的发展规律，设备是延续摩尔定律的关键所在。而激光器作为半导体设备技术含量较高且成本占比较高的部分，是半导体技术的关键载体和直接保障。

半导体行业作为现代信息技术产业的基石，拥有庞大的产业规模和持续的增长潜力。近年来，随着下游电子、汽车、通信等行业需求的稳步增长，以及人工智能、云计算及大数据等新兴领域的快速发展，为半导体设备行业带来广阔的市场空间。一方面，我国半导体设备市场需求旺盛，市场规模不断增长。

根据 SEMI统计，2018 年至 2023 年，中国大陆的半导体设备市场规模由 131 亿美元增长至366 亿美元，年复合增长率高达 22.81%。另一方面，我国半导体设备产业发展有待加强，虽然中国大陆的半导体设备销售额 2023 年激增至 366 亿美元，占据全球 34.4%的市场份额，但是其中包括光刻机、前道量检测设备、离子注入设备等技术难度较高的前道设备，主要市场依然被 AMAT、ASML、KLA 等国际龙头企业所占据。

目前中国大陆已成为全球最大的半导体设备市场。自 2020 年以来连续四年成为全球第一大半导体设备市场。质量控制设备作为集成电路生产过程中的核心设备之一，拥有广阔的市场空间。

从结构上看，前道量检测设备主要由传输单元、光路处理单元、信号单元、量检测单元等系统组成，包含成千上万个具体模块，每个具体模块的突破均需要企业长期的技术积淀；从功能上看，前道量检测设备作为半导体行业的高精密仪器，需完成纳米级别的测量、检测工作，是半导体前道生产的“眼睛”和“医生”。前道量检测设备的功能属性决定了其必须具备“高精密度”的特质；从技术上看，

前道量检测设备涉及高真空腔传输技术、光谱检测技术、快速运算技术、高精度信号检测技术等多项技术的攻关，是光学、物理学、机械学、算法等多领域学科的技术结晶，技术壁垒较高，制造难度较大。

从技术路线原理来看，检测和量测包括光学检测技术、电子束检测技术和 X光量测技术等。其中光学检测技术精度高、速度快，能够满足所有的检测需求，是目前主流的检测技术，因此全球检测设备需求规模的提升会对激光器需求产生直接的提振效应。

目前全球主流半导体制程正从 28nm、14nm 向 10nm、7nm 发展，部分先进半导体晶圆厂商已实现 5nm 工艺的量产并开始 3nm 工艺的研发，三维 FinFET 晶体管、3D NAND 等新技术亦逐渐成为目前行业内主流技术。

随着工艺不断进步，产品制程步骤越来越多，微观结构逐渐复杂，生产成本呈指数级提升。为了获取尽量高的良率，必须严格控制晶圆之间、同一晶圆上的工艺一致性，因此对集成电路生产过程中的质量控制需求将越来越大。为满足更小关键尺寸的晶圆上的缺陷检测，必须使用更短波长的光源，以及使用更大数值孔径的光学系统，继而带动精准激光器的增量和存量替换市场需求。

根据 VLSI 数据统计，2023 年我国半导体检测与量测设备市场规模为 43.60亿美元。随着我国半导体各环节新建产能快速扩张，并向高端前沿工艺方向持续升级，公司作为国内半导体质量控制设备行业领军企业必将充分受益。

目前，中国大陆半导体设备仍主要依赖进口，但在我国半导体行业的长期政策支持及技术持续迭代升级的大背景下，叠加国家对产业链安全重视程度不断提升，我国国产半导体设备企业将得到进一步发展，本土半导体设备零部件供应商有望持续保持增长。

（3）半导体设备领域用激光器市场规模

根据 QYResearch 的研究数据，半导体设备（量检测及材料加工）对激光器的需求规模，2024 年全球市场约为 17.24 亿美元，预计 2030 年将达到 28.16 亿美元。中国市场方面，2024 年半导体设备对激光器的需求规模为 5.28 亿美元，预计 2030 年将达到 10.93 亿美元。2

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