ALD工作原理、分类、优势、应用领域、市场规模及竞争格局如何？

CVD 仍是主流，ALD 增速更快。

ALD：原子层沉积可以将物质以单原子膜形式一层一层地镀在基底表面的方法。 从原理上说，ALD 是通过化学反应得到生成物，但在沉积反应原理、沉积反 应条件的要求和沉积层的质量上都与传统的 CVD 不同：在 CVD 工艺过程中， 化学蒸气不断地通入真空室内，而在 ALD 工艺过程中，不同的反应物（前驱 体）是以气体脉冲的形式交替送入反应室中的，使得在基底表面以单个原子 层为单位一层一层地实现镀膜。相对于传统的沉积工艺而言，ALD 工艺具有 自限制生长的特点，可精确控制薄膜的厚度，制备的薄膜具有均匀的厚度和 优异的一致性，台阶覆盖率高，特别适合深槽结构中的薄膜生长。

根据供能方式的不同，ALD 主要分为 TALD 和 PEALD。一个原子层沉积周期可分为 四个步骤：1）向基底通入第一种前驱气体，与基体表面发生吸附或化学反应； 2）用惰性气体冲洗剩余气体；3）通入第二种前驱气体；与吸附在基体表面的第 一种前驱气体发生化学反应生成涂层，或与第一前驱体和基体反应的生成物继续 反应生成涂层；4）再次用惰性气体将多余的气体冲走。 根据供能方式的不同， ALD 设备可以分为 TALD 和 PEALD：

1）TALD 利用热能使反应物分子吸附在基底表面，再进行化学反应，生成薄膜， 具有相对较高的反应温度（一般是 200-500℃）、优秀的台阶覆盖率、高薄膜质量 等特点，主要适用于金属、金属氧化物、金属氮化物等薄膜沉积； 2）PEALD 利用等离子体增强反应活性，提高反应速率，具有相对较快的薄膜沉积 速度、较低的沉积温度（一般在室温到 500℃）等特点，适用于沉积硅基介质薄 膜材料。

对比几类薄膜工艺，ALD 优势明显，但也存在沉积速率较低的不足。ALD 技术优 势在于：1）高精确性：通过控制反应周期可简单精确控制基底薄膜厚度，薄膜的 厚度精度可以达到一个原子的厚度；2）极好的三维保形性：ALD 可以生成与原来 基底形状一致的薄膜，即薄膜可以均匀地沉积在类似凹面的表面上 。 因此，适 用于不同形状的基底； 均匀的三维薄膜 、形状和原来一致，保形性，是 ALD 技 术的独特优势；3）高平整性：表面无针孔，自下而上的生长机制决定了薄膜的无 针孔性质 ，这对于阻挡和钝化应用是有价值的；4）极好的附着性：前驱体与基 底表面的化学吸附保证了极好的附着；5）低热预算（淀积温度低）: 可在低温 （室温至 400℃）下进行薄膜生长，这对温度有限制的聚合物器件和生物材料涂 层非常有吸引力。同时，ALD 也存在反应速率较低、材料浪费率较高等缺陷。

新工艺、新架构推动 ALD 设备的应用。半导体技术节点的演进伴随工艺、架构的 创新，ALD 主要用于相对先进的技术节点，在晶圆制造进入 65nm 制程及之前，集 成电路主要通过沉积SiO2薄膜形成栅极介质减少漏电，但进入 45nm 制程特别是28nm 之后，传统的 SiO2 栅介质层薄膜材料厚度需缩小至 1 纳米以下，将产生明 显的量子隧穿效应和多晶硅耗尽效应，导致漏电流急剧增加，器件性能急剧恶化。 而高 k 氧化物作为栅介质层，可以在降低等效氧化物厚度（EOT）的同时，抑制漏 电流的产生。高 k 材料的使用使得 ALD 开始被大规模应用。目前来看，逻辑和存 储芯片领域均对 ALD 有大量的需求，具体而言：

1、在逻辑芯片领域，1）HKMG:英特尔在 45nm 节点革命性地引入了高 k 金属栅 （HKMG）,该结构用氧化铪取代了传统的绝缘氧化硅，并使用金属代替多晶硅作 为栅极，由于高 k 的栅介质层厚度往往小于 10nm，所需的膜层很薄，ALD 凭借其 优良的性能得到大规模应用。2)FinFET 结构：目前，28nm 以下先进制程的 FinFET 制造工艺中，难点在于形成 Fin 的形状，Fin 的有源区并不是通过光刻直接形成 的，而是通过自对准双重成像技术（SADP，Self-Aligned Double Patterning） 工艺形成。ALD 所沉积的 Spacer 材料的宽度即决定了 Fin 的宽度，是制约逻辑芯 片制程先进程度的核心因素之一。除此之外，ALD 设备在 STI、BSI 等工艺中也有 存在大量应用。

2、在 DRAM 芯片领域：1）高 k 介质电容：DRAM 中的每一位数据都储存在电容中 每个电容连接到一个晶体管，构成 1T1C 的存储单元架构，电容器是一个具有高 深宽比的长圆柱形结构，由金属-绝缘体-金属堆叠而成，绝缘体是高 k 材料，可 以防止泄露同时保持电容，ALD 很好地满足了高深宽比结构中对薄膜的保形性的 要求;2）多重曝光：DRAM 工艺制程微缩的过程中出现了双重/多重曝光，ALD 沉 积的材料可以降低 Spacer 的宽度，满足工艺需求；3）HKMG:海力士和三星开始 在 DRAM 芯片中引入 HKMG 工艺，需要用到 ALD 进行沉积。

3、在 NAND FLASH 芯片领域：1）字线填充：在采用置换栅极工艺的 3D NAND 中， 同层中的存储单元靠钨填充实现，传统的 CVD 钨薄膜具有高伸张应力，会使得晶 圆翘曲，同时工艺带来的氟元素会扩散到邻层，影响良率。而采用低氟钨的 ALD 工艺可以制造出更光滑的表面形貌，更紧密地贴合每个填充层，从而减少沉积流 程产生的应力。2）深宽比结构：3D NAND 制造过程中需要在孔道中纵向横向填充 高 k 介质（??2?3）、钛阻挡层（Ti/TiN）等物质，由于 ALD 沉积过程可有效控制 薄膜的厚度和均匀性，因此可实现高深宽比孔道的均匀覆盖。

2022 年全球薄膜沉积设备市场规模大概为 229 亿美元，其中 PECVD、ALD 和 LPCVD 的市场规模大致为 65、30、22 亿美元，各自占比大约为 28.63%、13.22%和 9.69%， 而在 2019 年，PECVD、LPCVD 和 ALD 各自的市场规模占比分别为 33%、11%和 11%。 可以看出，PECVD 仍然占据薄膜沉积设备的主要份额，而随着半导体工艺制程的 进步，ALD 设备市场规模呈现更快速的增长。

根据测算，到 2025 年，中国大陆半导体 ALD、PECVD 和 LPCVD 设备市场规模将达 到 14.13、26.37、8.95 亿美元，2022-2025 年复合增速分别为 21.13%、15.26% 和 15.35%。我们对 ALD、PECVD 和 LPCVD（非管式）的市场规模的测算基于以假 设：1） 根据前文，SEMI 预测 2023-2025 年全球半导体设备市场规模为 1009.0、 1053.10、1241.30 亿美元, 我们认为中国大陆半导体设备市场规模占比会持 续提升，预测得到 2023-2025 年中国大陆半导体设备市场规模分别为 300.00、 326.46、409.63 亿美元； 2） 根据SEMI预测数据，2023-2025年前道设备占整体设备规模的89.78%、88.46% 和 88.42%，考虑到先进工艺节点会拉动薄膜沉积设备增长，我们假设薄膜沉 积设备市场规模在前道设备的占比稳步提升，分别为 25%、25.5%和 26%； 3） 考虑到先进工艺中使用 ALD 的场景较多，我们认为 ALD 设备在薄膜沉积设备 总体市场规模中的比重是稳步提升的，而 PECVD 和 LPCVD 市场规模比重则假 设保持相对稳定； 根据以上假设，测算得到，2025 年全球半导体 PECVD、ALD 和 LPCVD 市场规模为 79.91、42.81 和 27.11 亿美元，对应 2022-2025 年三年的复合增速分别为 6.81%、 12.25%和 6.90%；2025 年中国大陆半导体 ALD、PECVD 和 LPCVD 设备市场规模将 达到 14.13、26.37、8.95 亿美元，2022-2025 年复合增速分别为 21.13%、15.26% 和 15.35%。

国际企业的 ALD、CVD 设备总体处于领先水平。1）在 ALD 领域：2019 年全球 ALD 设备的市场中，TEL、ASMI 分别占据 31%和 29%的市场份额，除此之外，AMAT、KE 等也提供 ALD 设备。根据一次可处理的晶圆数量，ALD 设备可以分为单片式和批量式，单片式主要用于高端逻辑芯片，批量式ALD则在内存芯片制造中具备优势。 在单片式 ALD 领域，ASMI 占据主要份额，其 2022 年市场占有率达到了 55%以上， 而在批量式 ALD 领域，KE 占据主要份额，其 2022 年市场占有率达到了 70%。2） 在 CVD 领域：2019 年全球 CVD 设备的市场中，AMAT、LAM 和 TEL 占据 70%的份额。

国产厂商主要进行错位竞争，进口替代方面，CVD 有所突破，ALD 国产化率尚低。 目前国内主要的薄膜沉积设备供应商包括拓荆科技、北方华创、微导纳米、中微 公司和盛美上海，各家当前重点布局的产品主要进行差异化竞争。其中，微导纳 米核心产品为 ALD，拓荆科技重点布局 PECVD,北方华创核心产品包括 LPCVD、EPI 和 ALD 等，中微公司的半导体薄膜产品主要为 LPCVD 和 ALD，盛美上海的 PECVD 正在研发中，预计即将送入客户端，分产品来看： 1） ALD：微导纳米以 TALD 为核心逐步扩展到 PEALD，拓荆科技以 PEALD 为核心 逐步扩展到 TALD，北方华创同样布局了两种技术路线的 ALD 设备，中微公司 主要面向金属/金属氮化物研发 ALD 设备，W-ALD 设备已经取得重复订单。目 前 ALD 设备的国产化率仍然非常低：考虑数据可得性，我们将微导纳米和拓 荆科技在 2022 年的 ALD 设备收入总和看作国产设备总市场规模，得到 2022 年我国半导体 ALD 设备销售额不足 7956.3 万元（微导纳米 2022 年的半导体 设备收入中包含了晶圆传输系统），根据前文测算，2022 年我国半导体 ALD 设 备市场规模约 7.95 亿美元，计算得到 2022 我国半导体 ALD 设备国产化率不 足 1.43%。

2） CVD：拓荆科技是国内的 PECVD 龙头，SACVD 和 HDPCVD 也在持续突破；北方 华创布局 LPCVD 较早，产品较为成熟，目前的 PECVD 主要用于 6/8 英寸产品 制造，HDPCVD 于 2024 年 1 月发往客户端验证；微导纳米以硬掩模为切入点 布局了 CVD 产品，包括 PECVD 和 LPCVD，2023 年 CVD 验收成功并获得批量重 复订单。中微公司则主要面向金属/金属化物薄膜沉积布局了 LPCVD，2023 年 进入市场。盛美上海的 PECVD 正在研发中，预计即将送入客户端。考虑数据 可得性，我们将拓荆科技的 PECVD 在 2022 年的收入视为国产 PECVD 的市场规 模，即 15.63 亿元，而前述测算得到 2022 年国内 PECVD 的市场规模为 17.22 亿美元，计算得到 2022 年我国半导体 PECVD 设备国产化率约 12.97%。