永鑫Portfolio|晶圆验收测试（WAT）行业研究

以上是永鑫方舟团队第40篇行研

前  言

半导体产业是目前国际上技术密度最高的行业之一，其应用场景包括能源、人工智能、航空航天、衣食住行等领域。半导体器件的制造包含多道微纳级的物理化学加工过程，为了保证器件的良率，提高生产效率，每道制造过程均需要严密的监控或测试。在晶圆厂生产晶圆后，需要晶圆验收测试（WAT，Wafer Acceptance Test）设备对该晶圆上的测试结构（Test Key）进行电性能测试，评估晶圆加工工艺的稳定性和良率，从而帮助晶圆厂优化工艺，提升产品良率。

WAT设备对电性能测试精度的要求远高于CP测试，因此，行业长期被高精度仪表供应商Keysight垄断，国产化亟需突破。本文首先介绍了WAT的基本概念、设备组成、测试方法，然后介绍了行业市场情况，并阐述了永鑫对WAT行业的观点，欢迎读者交流指正。

1.1什么是WAT

在晶圆厂制造晶圆的过程中，为了判断该生产工艺的良率，需要使用WAT设备对提前设计好的测试结构（Test Key）进行电性能测试，判断生产的成品情况，淘汰因工艺导致的不良片，保证交付给客户的晶圆良率，并将测试结果反馈给良率提升系统，进行工艺的优化。晶圆在制造流程中需要经过多轮测试，包括WAT、CP和FT等，其中，WAT属于晶圆出厂前的测试。

图1 WAT、CP、FT的对比

1.2 WAT测试设备

WAT测试设备如下图所示，主要由测试机机柜（Cabinet），测试头（Test head）和探针台(Prober)组成。测试机机柜主要包括各种测试仪表/源表及PC控制系统，测试头中包含开关矩阵及高精度源表及探针接口子系统（Probe Card Interface）等，探针台负责Wafer载入载出，并精确定位 Wafer上的待测器件。

图2 WAT设备示意图

资料来源：联讯仪器微信公众号

相对于CP测试，WAT测试对测试精度、分辨率和一致性要求极高。在先进工艺下需要测试的电性参数越来越多，对WAT测试设备的生产效率的要求也越来越高。因此，对设备的控制效率、各种测试测量仪表提出了很高的要求。

图3 WAT设备关键部件和描述

资料来源：广立微招股说明书、KEYSIGHT官网

WAT设备使用流程：

1） 芯片设计公司（一般是其测试工程师）根据自身产品芯片的工艺等特性，使用EDA软件设计测试芯片；

2） 晶圆厂根据客户提供的测试芯片设计图，设置WAT设备。在晶圆完成前序生产制造流程后，每片晶圆都需要运输到WAT设备进行测试（WAT设备的晶圆载入、探针连接焊盘等步骤与CP测试过程类似，此处不再赘述），探针连接焊盘后，WAT设备通过测试源表、仪表单元，为测试结构提供激励源和测量各种参数，从而得到反映工艺和产品状况的实际数据；

3） WAT完成测试后，标注出问题测试芯片，技术人员可以利用分析软件，结合设计参数和制造过程中其他相关数据，对测试数据进行分析，快速找到影响成品率的因素和提升机会。

通过分析WAT设备的构成和使用流程可以看出，WAT测试设备的核心测试能力由设备中的测试源表、仪表单元实现。

1.3 WAT在芯片制造过程中的位置

在芯片制造过程中，主要流程包括：进料检验（IQA）→晶圆前段工艺（FEOL）监控→晶圆后道工艺（BEOL）监控→晶圆验收测试（WAT）→晶圆出货检验（OQA）→晶圆良率测试（CP）→芯片封装工艺监控→芯片最终测试（FT）→芯片上板工艺监控（On-board Test）→系统级测试（SLT）和终端用户使用。

图4 典型半导体器件生产制造流程（BEST架构）

资料来源：佐藤淳一,《图解入门—半导体制造设备基础与构造精讲》

1.4 WAT的测试原理

为了确定最优的制造工艺或寻找影响成品率的因素，需要对各种电学结构和关键器件进行电学性能的检测，提供寻找影响成品率因素的有效线索。由于产品芯片结构过于复杂，在产品芯片上直接进行电性测试难以分解发现产生问题的根本原因，因此一般效率不高。为了降低制造成本、提升效率，业内通常采用测试芯片替代产品芯片进行电性测试，相比产品芯片，由于测试芯片将工艺成品率风险拆解到各自独立的结构中，能够直接找到需要改进的风险点。

图5 WAT测试芯片设计和测试流程

资料来源：佐藤淳一,《图解入门—半导体制造设备基础与构造精讲》

图6 常规测试芯片示意图

资料来源：广立微招股说明书

测试结构（尺寸：纳米级）是测试芯片中待测的器件，焊盘（尺寸：几十微米）是连接测试芯片和提供与电性测试设备连接的标准金属接触点阵列，而外围电路连接测试结构和焊盘，通过电路实现测试选择、控制和电学信号的传递。

由于WAT是晶圆厂判断工艺良率的测试步骤，所以WAT贯穿了晶圆加工工艺的研发、试产和量产阶段。

图7 同工艺阶段测试芯片与产品芯片的位置示意图

资料来源：广立微招股说明书

图8 不同工艺阶段WAT测试芯片的摆放及检测目的

资料来源：广立微招股说明书

1.5  WAT测试的参数

WAT测试的参数一般分为工艺部分和器件部分（有源器件、无源器件）的电学特性参数。

工艺部分主要指的是隔离结构，包括有源区（AA）之间的隔离，多晶体管之间的隔离和金属之间的隔离。

有源器件包括MOS晶体管、寄生MOS晶体管、二极管和双极型晶体管等。

无源器件包括方块电阻、通孔接触电阻、金属导线电阻和电容等。

图9 常见的测试芯片示意图（绿色为焊盘）及相关测试参数

资料来源：《WAT电性参数介绍》

2.1 WAT市场空间驱动因素

WAT设备主要面向晶圆厂，其市场空间驱动的因素包括：

1) 晶圆厂新产线的建设；

2) 存量晶圆厂的设备国产化（产线替换/升级旧设备）；

根据山西证券测算，通常晶圆厂每新增1-2千片/月产能，需要采购1台WAT测试设备。因此，分析WAT设备市场空间，主要从目前的产线产能、规划新建产能的数量上去推算WAT设备的市场空间。

2.2 半导体晶圆厂产能情况

根据中航证券数据，2022年，全球4&5英寸，6英寸、8英寸、12英寸的晶圆月产能分别为215/233/593/786万片（非等效），以晶圆尺寸这算8英寸（在不考虑工艺/良率），2022年上述各类芯片分别占全球总产能的2%/5%/23%/70%。

① 不含光电子和三代半材料的产能

2022年全球硅晶圆总产能为2546万片/月（等效8英寸），2023年末有望达2783万片/月。2020-2025年全球晶圆总产能CAGR为9.9%，其中12英寸为12%，8英寸CAGR为5英寸，6英寸为2.6%。

图10 2020年-2025E全球晶圆年末月产能（等效8英寸）

资料来源：各公司官网、公告、Omdia等、中航证券研究所统计

图11 分尺寸晶圆产能趋势（等效8英寸）

资料来源：各公司官网、公告、Omdia等、中航证券研究所统计

2022年中国大陆公司（以公司总部所在地区划分）产能406.5万片/月，占全球产能16.0%（剔除二极管等低端产能的话，等效305万片/月，占比12.3%），位居世界第四。

图12 各国公司晶圆产能分布（等效8英寸）        各国自有产能趋势（剔除6英寸及以下产能）

资料来源：各公司官网、公告、Omdia等、中航证券研究所统计

② 三代半的产能

三代半材料凭借其宽禁带等优势，在高压、高频、可靠性等方面有很大的优势，近年来行业开始产业化。由于GaN、氧化锌等三代半材料现有产能和规划产能相较于SiC较少，所以我们主要统计SiC的产能建设情况。

图13 全球SiC产能情况（不完全统计）

资料来源：各公司官网、新闻、Yole等

2.3 WAT市场空间测算

由于半导体设备的单价高，使用寿命长（一般5-10年），目前晶圆厂使用的WAT服役时间可以很长，如果其中部件损坏（例如开关矩阵1-2千片左右更换一个），可直接更换部件完成维修。所以本测算主要指的是新增WAT设备需求市场。

图14 WAT市场空间测算

资料来源：中航证券研究所、各公司官网、新闻、山西证券等，永鑫方舟整理

注：

1） 表格中未特别说明晶圆厂，均指硅基晶圆厂，其产能等效8英吋产能（其中80%以上产能增量来自于12英吋）；SiC晶圆均等效为6英吋产能（目前SiC新增产能正在向8英吋迈进）；

2） 由于WAT测试主要是测试测试芯片，所以对于SiC和Si基晶圆的测试速度一般是20分钟/片（此处指串行WAT测试机速度；并行WAT同时需要测试的数据更多，可能会更慢），对应2100片/月，但是一般晶圆厂很难一直满负荷运行，所以此表取1500片/月；

3） WAT测试机的价格与其配置的测试资源息息相关。串行WAT测试设备的价格一般在200万元/台，而并行测试机根据测试通道数，存在较大差异，例如24通道单台价格超500万元，48通道单台设备价格可超过千万人民币。

2.4 行业玩家现状

Keysight凭借其在测试仪表/源表的顶尖能力，目前几乎垄断了全球WAT设备90%以上的市场空间。Keysight主要提供4080系列及P9000系列测试设备，其中P9000系列测试机通常被用于先进制程测试。

此外，部分厂商通过采购美国NI等企业的测试仪表/源表，集成了自己的WAT设备，其核心能力体现于与管理软件（包括数据分析软件等）交互、机台控制系统等方面，技术门槛相较测试仪表/源表来说较低。

目前国内玩家主要包括广立微、联讯仪器。

2022年广立微WAT设备预计实现2.4亿营收，主要产品包括T4000和T4100S系列，其中T4100S系列测试机主要满足先进工艺下的测试需求，T4000系列为通用型测试设备。

根据联讯仪器官网显示，目前公司已推出三款WAT测试设备WAT6210（串行参数测试）、WAT6300（串行高压参数测试）、WAT6600系列（并行测试）。

联讯仪器掌握核心测量源表、仪表，主要包括：pA级高精度数字源表S2012C,2016C、低漏电半导体矩阵开关RM1010-LLC、高电压半导体脉冲源S3023P、3500V高压源表S3030F等。

WAT是晶圆产线必不可少环节，是改进工艺、保障出厂晶圆良率质量的基础。WAT设备由于客户对其测试精度、分辨率和一致性的要求远高于CP和FT测试设备，长期被掌握核心测试仪表/源表的Keysight公司垄断。在国产化替代、海内外半导体扩产如火如荼进行的背景下，国内WAT设备厂商迎来了市场机会。目前，广立微WAT设备虽然测试源表、仪表为外采，仍然存在“卡脖子”风险，但其凭借配套分析软件等技术和优良的客户关系，收入增长迅速。永鑫已投企业联讯仪器凭借在光通信测试源表、仪表上的积累，顺利研发出了WAT相关的核心源表、仪表，推出了完全“自主可控”的自有品牌的WAT设备，并获得了国内外知名客户的认可和批量采购。

参考资料