2025年半导体设备行业深度报告：新工艺新结构拓宽空间，国产厂商多维发展突破海外垄断

1. 新工艺新结构拓宽空间，国产厂商多维发展突破海外垄断

设备为IC制造第一大资本支出，全球半导体Capex有望开启新一轮增势

根据Gartner数据，集成电路制造设备投资一般占集成电路制造领域资本 性支出的70%-80%，且随着工艺制程的提升，设备投资占比也将相应提 高——当制程达到14/16nm时，设备投资占比可达85%。 芯片制造是集成电路制造过程中最重要、最复杂的环节，对应设备投资 占比可达80%。 SEMI数据显示，全球晶圆厂产能保持稳步增长，25Q1产能有望达到每季 度4270万片（约当12英寸）。资本开支方面，全球半导体Capex经历了 24H1的短暂下降后，于24Q3实现反弹，有望开启新一轮增势。得益于HBM 等尖端产品产能的持续扩张，25Q1全球半导体Capex预计同比增长16%， 其中WFE季度支出将达260亿美元。

中国大陆连续五年成为全球最大半导体设备市场

根据SEMI数据，2024年全球半导体设备销售额为1171亿美元，同比增长10%，未来 有望保持增长态势。其中，2024年中国大陆半导体设备销售额为495.5亿美元，同 比增长35%；占比达42%，同比提升7.85个百分点，创历史新高，连续五年成为全 球最大半导体设备市场。 相比后道环节，前道晶圆制造技术难度更高，涉及工艺更繁杂，涵盖光刻、刻蚀、 薄膜沉积等工艺，因此所需设备价值量更高、种类更多。SEMI数据显示，2024年 晶圆制造设备市场规模约占半导体设备总市场规模的90%。 薄膜沉积是在晶圆上采用物理或者化学方法沉积一层待处理的薄膜材料。随着单 位面积集成的电路规模不断扩大，芯片内部立体结构日趋复杂，所需要的薄膜层 数越来越多，薄膜沉积设备市场快速增长。根据拓荆科技数据及我们测算，2024 年全球薄膜沉积设备市场规模约231.86亿美元，占晶圆制造设备总市场规模的22%。

2023年国内薄膜沉积设备市场规模约479亿元，国产化率低于25%

随着集成电路制造不 断向更先进工艺发展， 所需的薄膜层数越来 越多，对绝缘介质薄 膜、导电金属薄膜的 材料种类和性能参数 不断提出新的要求。90nm CMOS工艺约需要 40道薄膜沉积工序。 3nm FinFET工艺产线， 超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。根据SEMI和中国电子 专用设备工业协会数 据，2023年国内薄膜 沉积设备市场规模约 479亿元，国产化率低 于25%，仍存在广阔的 国产替代空间。

以中芯国际8寸/12寸产线为例，薄膜沉积设备数量占比约20%

根据芯思想研究院调研，截止2023年12月20日，中国大陆12英寸、 8英寸和6英寸及以下的硅晶圆制造线共有210条（不含纯MEMS生产 线、化合物半导体生产线和光电子生产线）。建成12英寸晶圆厂 45座，在建24座，规划兴建或改造13座，全部产能合计420万片； 建成8英寸晶圆厂34座，在建5座，规划兴建或改造11座，全部产 能合计220万片。以中芯国际8寸/12寸产线为例，单条产线约有20%的设备为薄膜沉 积设备；且12寸产线中占比更高。

2. CVD：种类繁多，PECVD占比最高

CVD总览：种类繁多，适用于芯片内不同的应用工序

CVD可分为APCVD、LPCVD、PECVD、沟槽填充类CVD（HDPCVD、SACVD、FCVD）、Metal-CVD、MOCVD等，适用于不同工艺节 点对膜质量、厚度以及孔隙沟槽填充能力等的不同要求。 PECVD可在相对较低的反应温度下形成高致密度、高性能薄膜，并不破坏已有薄膜和已形成的底层电路，同时实现更快的 薄膜沉积速度，适用于沉积大多数主流介质薄膜，是薄膜设备中占比最高的设备类型。根据SEMI数据，2024年全球PECVD 市场规模约75.65亿美元，占薄膜沉积设备市场的33%，是薄膜设备中占比最高的设备类型。

APCVD：最早的CVD设备，基本不应用于集成电路制造

常压化学气相沉积（APCVD）是最早的CVD设备，是指在大气压及高温环境下，将气态反应源匀速喷射至加热的固体衬底 表面，使反应源在衬底表面发生化学反应，反应产物在衬底表面沉积形成薄膜的设备，可用于制备单晶硅、多晶硅、二 氧化硅、氧化锌、二氧化钛、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等薄膜。 APCVD设备结构简单，沉积速率高（可达100nm/min），非常适合用于沉积介质薄膜。但APCVD易有气相反应发生，从而引 起引起微粒污染，且以硅烷为反应剂沉积SiO2薄膜时，其台阶覆盖性和薄膜均匀性相对较差，故用于沉积较厚的介质薄 膜，基本不应用于集成电路制造。

PECVD：适用于沉积大多数主流介质薄膜，成膜质量高且沉积温度低

PECVD设备是90-28nm沉积介质绝缘层和半导体材料的主流工艺设备。主要功能是在将硅片 控制到预定温度后，使用射频电磁波作为能量源在硅片上方形成低温等离子体，通入适当 的化学气体，在等离子体的激活下，经一系列化学反应在硅片表面形成固态薄膜。 相比传统的CVD设备，PECVD设备由于等离子体的作用，化学反应温度明显降低，可形成高 致密度、高性能薄膜，不破坏已有薄膜和已形成的底层电路，实现更快的薄膜沉积速度， 适用于沉积大多数主流介质薄膜，是芯片制造薄膜沉积工艺中运用最广泛的设备种类。

沟槽填充类CVD——HDPCVD：应用于深宽比小于5:1的沟槽填充工艺

HDPCVD（高密度等离子体化学气相沉积）、SACVD（次常压化学气相沉积）和FCVD（流动化 学气相沉积）主要用于沟槽填充。 在HDPCVD工艺出现之前，大多数芯片制造工厂应用PECVD来进行绝缘介质薄膜的填充。在间 隔宽度小于0.5μm的情况下，用PECVD填充高的深宽比间隙会产生空洞。HDPCVD产生的等离 子体密度非常高，通常在10¹¹至10¹² ions/cm³的量级，远高于PECVD等离子体密度；因此，当 制程进入到90nm以下时，需采用HDPCVD进行沟槽填充。 HDPCVD主要应用于深宽比小于5：1的沟槽填充工艺，可同时进行薄膜沉积和溅射刻蚀，薄膜 致密度更高，杂质含量更低。目前国内HDPCVD设备厂商主要为拓荆科技、北方华创等。其中公司 HDPCVD USG、FSG、STI 薄膜工艺设备均已实现产业化，并持续扩大量产规模，HDPCVD系列产品反应腔累计出货量达 到100个。

3. ALD：高台阶覆盖率+膜厚控制精准，先进节点及3D结构应用广泛

ALD总览：在45nm以下节点以及3D结构中具有明显优势

ALD相较于CVD和PVD，产业化应用起步时间较晚，在45nm以上等成熟制程、2D平面结构器件中应用较少，2007年Intel才首次在45nm技术节点上 应用ALD进行薄膜制备。ALD凭借其原子层级沉积特点，具有薄膜厚度精确度高、均匀性好、台阶覆盖率极高、沟槽填充性能极佳等优势，特别 适合在对薄膜质量和台阶覆盖率有较高要求的领域应用，在45nm以下节点以及3D结构等半导体薄膜沉积环节具有较好的应用前景。

ALD是一种基于连续自终止沉积反应的薄膜制造技术，可将物质以单原子层的形式一层一层沉积在基底表面，每镀膜一次/层为一个原子层，根 据原子特性，镀膜10次/层约为1nm。由于ALD技术表面化学反应具有自限性，因此拥有多项独特的薄膜沉积特性：1、三维共形性，适用于不同 形状的基底；2、大面积成膜的均匀性，且致密、无针孔；3、可实现亚纳米级薄膜厚度控制。

Thermal ALD：主要沉积金属化合物薄膜，用于HKMG工艺

ALD技术可大体分为Thermal-ALD（热原子层沉积）、PEALD（等离子体增强原子层沉积）、SALD（空间原子层沉积）、ECALD（电化学原子层 沉积）、AP-ALD（大气压原子层沉积）和流床式原子层沉积等。其中以Thermal-ALD和PEALD为主。 Thermal-ALD也称T-ALD，属于传统ALD方法，与二元热化学气相沉积T-CVD相类似，都是通过加热的方法来提供反应活性。传统的T-ALD具有 自限制生长特性，使其能够通过控制反应周期数来精确控制涂层厚度，同时能够在形状复杂或高深宽比结构的表面沉积均匀且具有保形性的 化学计量薄膜，主要沉积金属和High-K材料等膜层，多用于HKMG工艺。T-ALD其较低的生长速率降低了工业化应用，且高温易导致材料失效，过低的温度会导致表面反应不充分，在薄膜中残留碳、氢等杂质，影 响薄膜性能。

器件结构演进不断刺激ALD设备的需求

逻辑：GAA晶体管是3nm以下节点替代FinFET晶体管最有竞争力的器件结构。 台积电、三星、英特尔等厂商均已全面布局GAA技术。在1nm之后，CFET或 将成为GAA的继任者。NAND：3D NAND堆叠层数不断提高，有望于2030年突破至1000层。多堆栈 堆叠是解决3D NAND层数不断增加的需求与高深宽比刻蚀工艺挑战之间矛 盾的有效解决方案。 DRAM：由于半间距缩放变得非常困难，6F2结构的DRAM单元将转向4F2，以 提升存储密度。在相同工艺下，4F2的面积相比6F2可减少30%。未来容量 更大且数据访问速度更快的3D DRAM结构有望出现。

4. PVD：溅射为主，多用于沉积金属薄膜

PVD总览：可分为蒸发和溅射两大类，蒸发主要用于OLED面板

物理气相沉积：镀膜过程中利用的是物理现象，把待镀源从物质聚 集的一种状态转变为另外一种状态，最终沉积到基片上的技术。物理气相沉积PVD可分为蒸发、溅射两大类。 真空蒸镀：真空蒸镀设备操作简单、设备价格便宜、成膜速度快， 但薄膜与基片结合力较差，镀好的薄膜用无尘布直接可以擦拭掉。 蒸镀目前是OLED面板主流工艺，半导体中应用少。

溅射镀膜——阴极溅射和射频溅射

溅射镀膜可分为直流物理气相沉积（DCPVD）、射频物理气相沉积（RFPVD）、磁控溅射和离子化物理气相沉积。 直流物理气相沉积：又称阴极溅射。阴极溅射所需的靶材必须是导体，因工艺气体的Ar离子会与靶材表面的电子复合进 而造成靶材电位上升，导致溅射终止。可通过射频溅射或CVD的方式沉积绝缘材料。阴极溅射另一大缺点在于启辉电压高， 电子对衬底轰击强，需采用磁控溅射以解决。 射频物理气相沉积：采用射频电源作为激励源，可沉积导体和绝缘材料。但RFCVD沉积速率远低于DCPVD，因此通常采用 直流和射频两种电源通过耦合器同时加载于靶材的方式解决。此外，与RFPVD相比，CVD具有更好的台阶覆盖能力，故多 采用CVD沉积介质绝缘材料。

溅射镀膜——磁控设备

磁控溅射是一种在靶材背面添加磁体的PVD方式，添加的磁体与直流电源或（交流电源）系统形成磁控溅射源，利用该溅 射源在腔室内形成交互的电磁场，俘获并限制腔室内部等离子体中电子的运动范围，延长电子的运动路径，进而提高等 离子体的浓度，最终实现更多的沉积。另外，因为更多的电子被束缚于靶材表面附近，从而减少了电子对衬底的轰击， 降低了衬底的温度。 与平板式DCPVD技术相比，磁控物理气相沉积技术的一个最明显的特点是启辉放电电压更低、更稳定。因其等离子体浓度 更高，溅射产额更大可以实现极佳的沉积效率、大尺寸范围的沉积厚度控制、精确的成分控制及较低的启辉电压等优势， 所以磁控溅射在当前的金属薄膜PVD中处于主导地位。磁控DCPVD是应用最广泛的一种沉积方式，特别是对于平面薄膜的沉积，包括集成电路制备中的铝互连的金属层制备，但 在铜互连中这类应用减少。28nm的氮化钛硬掩模又开启了对这种平面沉积技术的新应用。

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编辑：火腿肠