半导体设备系列：薄膜生长设备，国产突破可期

半导体工艺与设备 2021-07-20 07:15 2382浏览 0评论 0点赞

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一、薄膜设备：用于沉积物质，实现晶圆表面薄膜生长

薄膜生长：采用物理或化学方法使物质附着于衬底材料表面的过程，常见生长物质包括金属、氧化物、氮化物等不同薄膜。根据工作原理不同，薄膜沉积生长设备可分为：物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积（CVD）和外延等类别。

PVD 和 CVD 是主要的薄膜设备，ALD 是产业技术发展趋势。

在半导体领域，薄膜主要分为绝缘薄膜、金属薄膜。大部分绝缘薄膜使用CVD，金属薄膜常用PVD（主要是溅射）。其他常用的镀膜方式包括ECD、SOD、MOCVD、Epitaxy等。在薄膜设备整体中，CVD的使用越来越广泛，基于CVD发展的ALD更是行业升级的技术方向。

CVD：用于沉积介质绝缘层、半导体材料、金属薄膜。

典型的 CVD 流程包括气体输入、气体对流、气象扩散、表面吸附、表面反应、表面脱附及薄膜成核生长。

（1）微米时代，化学气相沉积多采用常压化学气相沉积（APCVD）设备，结构简单。

（2）亚微米时代，低压化学气相沉积（LPCVD）成为主流，提升薄膜均匀性、沟槽覆盖填充能力。

（3）90nm 以后，等离子增强化学气相沉积（PECVD）扮演重要角色，等离子体作用下，降低反应温度，提升薄膜纯度，加强薄膜密度。

（4）45nm 以后，高介电材料（High k）和金属栅（Metal Gate），引入原子层沉积（ALD）设备，膜层达到纳米级别。——

（a）高介电材料（High k）替代SiO2，用于制备MOS器件的栅介质层，需要引入ALD。

（b）多晶硅同步地被替代为金属栅（Matal Gate）电极，也用ALD设备制备。

物理气相沉积（PVD）：利用蒸发或溅射，实现原子从源物质到沉底材料表面的物质转移，沉积形成薄膜。

物理气相沉积是一种物理气相反应生长法，沉积过程是在真空或低压气体放电条件下，涂层物质源是固态物质，经过“蒸发或溅射”后，在零件表面生成与基材性能完全不同的新的固态物质涂层。PVD 具有成膜速率高、镀膜厚度及均匀性可控好、薄膜致密性好、粘结力强及纯净度高等优点。

PVD可以分为真空蒸镀（Vacuum Evaporator）和溅射（Sputtering）。

PVD发展初期以真空蒸镀镀膜为主，特点是工艺简单、操作容易、纯度较高，缺点是难以蒸发某些金属和氧化物。由于溅射设备制备的薄膜更加均匀、致密，对衬底附着性强，纯度更高，溅射设备取代了蒸镀设备。

二、薄膜市场以 CVD、PVD 为主，国内需求空间较大‍‍‍

2020年全球半导体设备市场规模创700亿美元新高，大陆首次占比全球第一。

根据SEMI，2020年半导体设备销售额712亿美元，同比增长19%，全年销售额创历史新高。大陆设备市场在2013年之前占全球比重为10%以内，2014~2017年提升至 10~20%，2018年之后保持在20%以上，份额呈逐年上行趋势。

2020年，国内晶圆厂投建、半导体行业加大投入，大陆半导体设备市场规模首次在市场全球排首位，达到181亿美元，同比增长35.1%，占比26.2%。

2021~2022年，存储需求复苏，韩国预计将领跑全球，但大陆设备市场规模有望保持较高比重。

半导体设备行业产值具有高增长、高波动性。

半导体设备行业呈现明显的周期性，受下游厂商资本开支节奏变化较为明显。

根据SEMI数据，从长周期而言半导体行业复合增速约10%，半导体设备行业复合增速约13%，半导体设备行业增长弹性高于半导体行业。

2020年全球薄膜设备市场达到138亿美元，占IC制造设备21%；其中主要是CVD和PVD，合计占 IC 制造设备18%。其中，CVD 市场规模高度89亿美元，主流是设备包括PECVD、Tube CVD、LPCVD 和 ALD 等。

整个薄膜市场市占率最高的是 AMAT。

高端领域如ALD受ASM、TEL和Lam等海外龙头主导。国内布局IC制造领域薄膜设备的主要国产厂商包括北方华创和沈阳拓荆。

CVD 市场主要由海外龙头主导，国内北方华创、沈阳拓荆积极布局。

根据Gartner数据，全球CVD市场前五大供应商包括AMAT（28%）、Lam Research（25%）、TEL（17%）、Kokusai（原日立高新，8%）、ASM（11%）。国内半导体设备龙头北方华创、沈阳拓荆在该领域也有布局。

从PVD市场格局来看，AMAT 一家独大，长期占据约80%的市占率。

PVD市场主要供应商包括AMAT、ULVAC、Evatec、KLA、TEL、北方华创等。

根据Gartner，2020年北方华创的半导体PVD设备全球市占率为3%，属于国内领先地位。随着国产替代加速，北方华创PVD业务有望加速成长。

我们以国内晶圆投资资本开支需求作为总数，以PVD、CVD等薄膜类设备在全球设备市场中的比例作为参考，估算国内CVD及PVD近几年的市场空间。

根据我们的估算，中国大陆CVD和PVD合计市场需求预计在200亿元以上，国产化率在10%以内，仍具有较大的替代空间。

三、国产订单导入，北方华创、沈阳拓荆逐步放量 ‍

根据招标网的数据统计，长江存储在2019~2020年采购薄膜类设备约每年200多台（主要是 CVD 和PVD），主要类别以CVD为主，其中原子层沉积70~80台。

从国产替代率而言，溅镀（PVD类）北方华创供应数量比重较高，合计达到将近20%；CVD类国产替代率较低，主要国产供应商沈阳拓荆供应占比约2~3%。

截止2021/06，北方华创一共中标长江存储共4台铝垫物理气相沉积机台和3台钽阻挡层铜种籽层物理气相沉积机台；沈阳拓荆2台氮氧化硅薄膜、3台氧化硅薄膜、3台二氧化硅薄膜，共8台PECVD类设备。截止2021/06，AMAT 中标CVD类设备约85 台，PVD类设备约20台，其他未分类20~30台。

我们以截止2021/06的华虹无锡、华力集成的公开招投标数据进行分析。华虹无锡项目累计中标薄膜机台100多台，其中国产设备13台（北方华创5台钛、氮化钛、氮化钽和铝铜类的PVD，沈阳拓荆8台PECVD）；华力集成项目累计中标薄膜机台约90多台，其中国产设备6台（北方华创2台溅射类PVD设备、沈阳拓荆4台PECVD）

四、全球龙头AMAT，产品组合丰富，装机存量优势大 ‍

AMAT是全球收入最大的半导体装备企业，全球市占率高、产品线长。应用材料（AMAT）成立于1967年，1972年上市，1992年成为全球最大的半导体设备制造商。

根据Semi和Gartner资料，公司是全球收入规模最大的半导体设备企业，产品线较长，其中在PVD领域全球市占率第一（80%+）、CVD领域全球市占率第一（28%）、刻蚀领域全球市占率第三、离子注入领域全球第一、CMP领域全球第一。

全球半导体工艺装备龙头企业，2021Q1单季度表现创新高。

2020年，AMAT的营业收入172亿美元，毛利额77亿美元，营业利润44亿美元，净利润36亿美元。

此外，公司研发费用22亿美元，研发费用率约13%。2020年，公司半导体装备业务收入114亿美元，服务收入42亿美元，显示及其他装备收入16亿美元。

2020年，公司ROE为38.5%。2021Q1，公司营业收入56亿美元，同比增长41%；净利润13亿美元，同比增长76%，单季度收入、利润均创历史新高。

装机存量贡献的服务收入具有明显规模优势。作为全球半导体设备龙头，服务（安装、维修、保养等）收入占比达到24%，装机量存量贡献显著。根据公司公告，目前装机量超过4万台机台，在2020年拥有1.4万台机台的服务订阅量（subscription），超过0.4万台连接到应用材料的服务器上。

AMAT 对未来四年半导体装备业务展望乐观。AMAT在2017~2020年的半导体装备平均年收入约101亿美元，公司预期 2021~2024 年的半导体装备平均年收入有望达到165亿美元，营业利润率从32.8%提升至High 30s。这主要归功于领先优势、独特的产品组合、独特的技术结合、加速产品升级，并逐步从提供解决方案中受益。

内生持续推出新品，产品线边界不断增加，布局先后涉足CVD—PVD—CMP— Etch—Inon Implant—Inspection&Metrology、ALE。

1976年，公司推出第一台商用CVD设备；1989年公司成为第一家提供8英寸半导体设备企业；1995年公司推出Mirra CMP设备、RTP Centura设备分别进入CMP、RTP 市场；1997年公司成为第一家提供12英寸半导体设备企业；2005年公司发布 Centra Advant Edge 系统，实现当时最先进的金属刻蚀，满足铝互连刻蚀要求；2008年，公司推出Endura Extensa PVD系统，满足铜互连要求；2012年公司推出离子注入机；2015年推出ALD，实现原子层沉积；2016年推出电子束检测系统，推出 Applied Producer Selectra系统，实现ALE功能。

持续外延并购补充技术和产品线。

1997年收购Opa technologies和Or bot instrument，进入过程控制；1998年收购 Consilium；2000收购Etec System进入光罩生产、薄膜晶体管测试；2001年收购 Oramir，获得激光清洗技术；2006年收购 Applied Films；2008年收购Baccini，开拓意大利市场；2009年收购Semitool Inc.，获得WLP和铜互连技术；2011年收购 Varian Semiconductor Euipment Associates，重回离子注入。

五、国内龙头：北方华创引领国产沉积，沈阳拓荆开拓 PECVD‍

北方华创是国内领先的半导体高端装备及一体化解决方案供应商。

公司深耕于芯片制造刻蚀领域、薄膜沉积领域近20年，现已成为国内领先的半导体高端工艺装备及一站式解决方案的供应商。

公司立足半导体装备、真空装备、新能源锂电装备及精密元器件构成公司四大核心事业集群，客户覆盖中芯国际、华虹、三安光电、京东方等各产业链龙头。

在集成电路领域，北方华创可提供刻蚀机、PVD设备、单片退火设备、ALD设备、氧化/扩散炉、LPCVD、单片清洗机以及槽式清洗机等产品，覆盖刻蚀、薄膜、扩散、清洗四大工艺模块，为集成电路领域提供先进的工艺解决方案。

北方华创自主研发的面向先进制程的等离子硅刻蚀机、金属刻蚀机、TiN hardmask PVD、Al Pad PVD、ALD、单片退火系统以及SiNx LPCVD等已逐步进入集成电路主流代工厂供应链体系。

引领国产高端集成电路PVD薄膜工艺，公司多项产品进入国际供应链体系。

公司PVD产品布局广泛，近几年陆续推出了TiN PVD、AIN PVD、Al Pad、ALD等 13款自主研发的PVD产品并成功产业化，可应用于集成电路、先进封装、LED等领域。

公司自主设计和生产的exiTin H630 TiN金属硬掩膜PVD系统是国内首台专门针对55-28nm制程12寸金属硬掩膜设备。

2016年，公司28nm/12英寸晶圆生产的TiN Hardmask PVD进入国际供应链体系。2017年公司紧随市场需求，更新设备工艺，推出适用于28-14nm制程的大马士革工艺的exiTin H430 TiN Hardmask PVD系统。

LPCVD设备在半导体薄膜淀积中应用最为广泛，具更低成本及更优性能。

该工艺是通过将反应器内进行沉积反应时的操作压力降低的一种CVD反应。和常压的 CVD相比，LPCVD设备有更低的综合成本、更高的产能和更好的薄膜性能。北方华创先后推出THEORIS 302 LPCVD、HORIS L6371多功能LPCVD等多个系列产品。

公司产品技术上不断突破，下游导入持续取得新进展：

硬掩板（Had Mask）PVD应用较为广泛。硬掩膜为金属互连线提供精准控制和区域处理：硬掩膜工艺就是采用选定的图像、图形或物体对待处理图像(全部或局部)进行遮挡，来控制图像处理的区域或处理过程，广泛应用于 IC 制备流程的前段(FEOL)和后段工艺(BEOL)。

2015年，北方华创TiN PVD 沉积系统获得海外主流 IC 厂订单，并正式进入国际先进 IC大厂。由北方华创微电子自主设计和生产的exiTin H630 TiN金属硬掩膜物理气相沉积(Metal hardmask PVD)系统是专门针对55-28nm制程12寸金属硬掩膜设备。

铝衬垫（Al Pad）PVD 60-28nm导入客户，更先进制程支持加速验证。

芯片器件用使用Al Pad PVD用于其后道金属互联，提供电子信号、微链接等作用。Al Pad物理气相沉积系统作为集成电路工艺中的一道重要工序，主要应用于Bond pad和Al interconnect工艺。

公司于2015年推出eVictor A830 Al Pad物理气相沉积系统（配置8个工艺模块，可据客户需求多样化配臵）。该设备目前已进入等国内、国外一线厂商，被应用于 90~28nm制程产线，更先进制程正加速验证。2018年北方华创Al Pad PVD成功进驻上海集成电路研发中心。

铜互联（CuBS）PVD已在客户获得放量订单。

金属铜可以降低互连线电阻率，因此铜互联技术被广泛使用。北方华创是02转向“14-7nm CuBS多工艺腔室集成装备研发及产业化”项目执行单位。根据招投标统计，公司铜互联PVD已经实现突破，打破AMAT在该领域的垄断，极大打开公司在 PVD领域的目标市场。

12英寸氮化硅沉积设备导入下游龙头企业。

2020年4月7日，北方华创THEORIS SN302D型12英寸氮化硅沉积设备Move in国内集成电路制造龙头企业。该设备的交付，意味着国产立式LPCVD设备在先进集成电路制造领域的应用拓展上实现重大进展。

12英寸ALD已实现商用。

北方华创自2014年开始布局ALD设备，2017年推出量产型单片ALD设备并首次交付。公司Promi系列ALD设备是用加热的方式，通过在工艺循环周期内分步向真空腔内添加前驱体、实现对膜层厚度的精确控制，可用于沉积Al2O3、HfO2、ZrO2、TiO2、TiN、TaN和ALN等多种薄膜。

沈阳拓荆拥有三个完整系列CVD产品线，累计出货量超过100台套。

拓荆科技成立于2010年4月，多次承担国家专项，公司拥有12英寸PECVD（等离子体化学气相沉积设备）、ALD（原子层薄膜沉积设备）、SACVD（次常压化学气相沉积设备）三个完整系列产品。

沈阳拓荆2012年推出12英寸多反应腔PF-300T；2014年获得中芯国际首台量产机台 PF-300T订单；2016年首台ALD出厂到客户端；2017年首台3D Nand PECVD出厂到客户端；2018年12英寸ALD获得客户端14nm工艺验证；2020年公司累计出货量超过100台套。公截止2020年底，公司现有十余名海外专家，员工总数超过320人，累计申请专利超470项。

PF-300T设备：已用于40-28纳米集成电路的生产，具有14纳米及以下技术的延展性，可实现所有相关介质薄膜的沉积。同时已延伸至先进膜技术，产品涵盖了高刻蚀选择比的ACHM硬掩膜、低介电常数的绝缘薄膜及NDC刻蚀阻挡层、超低介电常数的ULK薄膜，可满足客户多种技术节点要求。

PF-200T设备：8英寸设备，和国际同类型二手设备相比，具有产能高，维护费用低的优势，还可为客户提供完善的售后及工艺开发等服务。并可升级到12英寸，或实现 8/12英寸相互切换。

NF-300H设备：国产首台应用于新一代三维闪存芯片(3D NAND)生产线上的叠层薄膜沉积设备，拥有自主知识产权。应用于128层及以上3D NAND闪存芯片的生产。可实现SiO2、SiN(ONON)多层薄膜堆叠结构和Thick TEOS薄膜，在均匀性、颗粒度、粗糙度、应力及产能等方面实现技术突破，设备性能指标达同类产品水平。

FT-300T设备：ALD反应腔搭载在高产能的PECVD平台上，满足了对设备产能的需求，现已应用于先进的芯片制造、OLED及先进封装(TSV)领域，同时针对14nm以下前道工艺(FEOL)进行研制开发。现可提供具有高质量的PEALD和Thermal ALD，如SiO2、SiN、Al2O3薄膜，并陆续开发金属氧化物及金属氮化物等薄膜工艺。