薄膜沉积设备分类、市场现状及空间如何？

芯片制造三大核心设备之一。

按工艺原理不同，薄膜沉积设备可分为 PVD、CVD 和 ALD。薄膜沉积是在基材上沉积一层 纳米级的薄膜，再配合蚀刻和抛光等工艺的反复进行，就做出了很多堆叠起来的导电或绝缘 层，而且每一层都具有设计好的线路图案。沉积薄膜材料包括二氧化硅、氮化硅、多晶硅等 非金属以及铜等金属。薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中的介质层与金属层的沉积，按工 艺原理不同，可分为 CVD（（化学气相沉积）设备、PVD（（物理气相沉积）设备/电镀设备和 ALD （原子层沉积）设备。 1）PVD：在真空条件下采用物理方法将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子或分子， 或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体），在基体表面沉积具有某种特殊功能 的薄膜的技术。PVD 镀膜技术主要分为三类：真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子 镀膜。PVD 技术生长机理简单，沉积速率高，但一般只适用于平面的膜层制备。 2）CVD：通过化学反应的方式，利用加热、等离子或光辐射等各种能源，在反应器内使气 态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术，是一 种通过气体混合的化学反应在基体表面沉积薄膜的工艺，可应用于绝缘薄膜、硬掩模层 以及金属膜层的沉积。按照薄膜材料，CVD 分为介质化学气相沉积（DCVD）和金属化学气相沉积（MCVD）两大类。DCVD 主要包括等离子增强型化学气相沉积（PECVD）、次常 压化学气相沉积（SACVD）、介质原子层沉积（DALD）等。MCVD 主要包括低压化学气相 沉积（LPCVD）、有机金属化学气相沉积（MOCVD）和金属原子层沉积（MALD）等。 3）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。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。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。ALD 设备沉积的薄膜具有非常精确的膜厚控制 和非常优越的台阶覆盖率，在 28nm 以下关键尺寸缩小的双曝光工艺方面取得了越来越 广泛的应用，其沉积的 Spacer 材料的宽度决定了 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 设备在高 k 材料、金属栅、STI、BSI 等工艺中均 存在大量应用，广泛应用于 CMOS 器件、存储芯片、TSV 封装等半导体制造领域。

CVD 领域 PECVD 设备占比较高，PVD 领域主要为溅射 PVD 设备。常压化学气相沉积 （APCVD）是最早的 CVD 设备，结构简单、沉积速率高，广泛应用于工业生产中。低压 化学气相沉积（LPCVD）是在 APCVD 的基础上发展起来的。等离子体增强化学气相沉积 设备（PECVD）在从亚微米发展到 90nm 的 IC 制造技术过程中，扮演了重要的角色，由 于等离子体的作用，化学反应温度明显降低，薄膜纯度得到提高，致密度得以加强，是当前应用最为广泛的 CVD 设备，在薄膜沉积设备中占比达 33%。次常压化学气相沉积 （SACVD）主要应用于沟槽填充工艺。在 PVD 设备中，溅射设备占主要份额。

芯片制程及工艺升级拉动薄膜设备需求。90nmCMOS 芯片工艺中大约需要 40 道薄膜沉 积工序，FinFET 工艺产线需要超过 100 道薄膜沉积工序，涉及的薄膜材料由 6 种增加到 近 20 种，对于薄膜颗粒的要求也由微米级提高到纳米级。且在芯片工艺技术持续进步的 趋势下，当难以通过光刻直接形成先进工艺的情况下，可以结合薄膜沉积设备（主要为 ALD 设备）与刻蚀设备相配合，采用自对准多重成像技术，实现更小尺寸的工艺，这将 进一步促进 ALD 设备及相关设备的重要性及需求量的提升。

NAND 垂直化发展，薄膜沉积设备需求获进一步带动。随着 3D NAND 芯片的堆叠层数 不断增高，逐步向更多层及更先进工艺发展，堆叠过程中刻蚀及薄膜沉积使用步骤数大 幅提升，2024 年 SK 海力士官方公布正式开始量产全球首款 321 层 NAND，2025 年 NAND 层数有望达 4xx 层，薄膜沉积及刻蚀设备重要性凸显。

2025 年全球薄膜沉积设备市场规模预计达 239.6 亿美元。根据 SEMI 数据，2025 年全 球半导体设备市场规模预计为 1210 亿美元，以晶圆制造设备占比 90%及薄膜沉积设备 占比 22%测算，2025 年全球薄膜沉积设备市场规模预计为 239.6 亿美元。国内光刻设 备受限情况下，引用多重图形化技术，通过反复的薄膜工艺、刻蚀工艺及化学机械平坦 化工艺以使芯片达到相应精度，拉动薄膜设备需求，薄膜沉积设备重要性进一步凸显， 以 34.5%（（2023 年中国大陆半导体设备销售额占全球半导体设备销售额比例）计，预计 2025 年国内薄膜沉积设备市场规模超 82 亿美元。 从全球市场份额来看，薄膜沉积设备行业呈现出高度垄断的竞争局面，行业基本由美国 的应用材料（AMAT）和泛林半导体（Lam），日本的东京电子（TEL）等为代表的国际知 名企业垄断。国际巨头经过几十年发展，凭借资金、技术、客户资源、品牌等方面的优 势，占据了薄膜沉积设备市场的大部分份额。在 PVD 市场，AMAT 是龙头；在 CVD 市 场，AMAT、LAM、TEL 三家主导，占据约 70%份额；在 ALD 市场，主要为 TEL 和 ASMI。

国产厂商份额提升空间广阔。当前国内主要薄膜沉积设备厂商包括北方华创、中微公司、 拓荆科技、微导纳米等，且不同公司工艺路线有差异。1）北方华创：PVD 实现了对逻辑 芯片和存储芯片金属化制程的全覆盖，CVD 布局拓展了 DCVD 和 MCVD 两大系列产品， HDPCVD、高介电常数原子层沉积实现稳定量产。2）拓荆科技：形成了覆盖全系列 PECVD 薄膜材料的设备，PECVD、ALD、SACVD、HDPCVD、超高深宽比沟槽填充 CVD 等薄膜设备产品系列均已在客户端实现产业化应用。3）中微公司：CVD 钨设备已通过关键存 储客户端现场验证，满足金属互联钨制程各项性能指标，并开发 HAR（高深宽比）钨设 备，已通过关键存储客户端现场验证。4）微导纳米：国内首家成功将量产型 High-k 原 子层沉积（ALD）设备应用于集成电路制造前道生产线的国产设备厂商，目前产品已经覆 盖 HfO₂、Al₂O3、ZrO₂、TiO₂、La₂O3、ZnO、SiO₂、TiN、TiAl、TaN、AlN、SiN、SiON、 SiCN、无定形碳、SiGe 等多种薄膜材料。 从营收端来看，2023 年北方华创薄膜沉积设备营收 60 亿元以上，拓荆科技薄膜沉积设 备营收 25.7 亿元，微导纳米半导体领域设备营收 1.2 亿元，测算 2023 年中国薄膜沉积 设备市场规模达72.8亿美元，以7.2汇率计，可测算主要国产厂商本土市占率不足20%， 份额提升空间广阔。