半導體設備系列：薄膜生長設備，國產突破可期

半導體材料與工藝設備

2021年7月9日 13:48

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一、薄膜設備：用于沉積物質，實現晶圓表面薄膜生長

薄膜生長：采用物理或化學方法使物質附著于襯底材料表面的過程，常見生長物質包括金屬、氧化物、氮化物等不同薄膜。根據工作原理不同，薄膜沉積生長設備可分為：物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積（CVD）和外延等類別。

PVD 和 CVD 是主要的薄膜設備，ALD 是產業技術發展趨勢。

在半導體領域，薄膜主要分為絕緣薄膜、金屬薄膜。大部分絕緣薄膜使用CVD，金屬薄膜常用PVD（主要是濺射）。其他常用的鍍膜方式包括ECD、SOD、MOCVD、Epitaxy等。在薄膜設備整體中，CVD的使用越來越廣泛，基于CVD發展的ALD更是行業升級的技術方向。

CVD：用于沉積介質絕緣層、半導體材料、金屬薄膜。

典型的 CVD 流程包括氣體輸入、氣體對流、氣象擴散、表面吸附、表面反應、表面脫附及薄膜成核生長。

（1）微米時代，化學氣相沉積多采用常壓化學氣相沉積（APCVD）設備，結構簡單。

（2）亞微米時代，低壓化學氣相沉積（LPCVD）成為主流，提升薄膜均勻性、溝槽覆蓋填充能力。

（3）90nm 以后，等離子增強化學氣相沉積（PECVD）扮演重要角色，等離子體作用下，降低反應溫度，提升薄膜純度，加強薄膜密度。

（4）45nm 以后，高介電材料（High k）和金屬柵（Metal Gate），引入原子層沉積（ALD）設備，膜層達到納米級別。——

（a）高介電材料（High k）替代SiO2，用于制備MOS器件的柵介質層，需要引入ALD。

（b）多晶硅同步地被替代為金屬柵（Matal Gate）電極，也用ALD設備制備。

物理氣相沉積（PVD）：利用蒸發或濺射，實現原子從源物質到沉底材料表面的物質轉移，沉積形成薄膜。

物理氣相沉積是一種物理氣相反應生長法，沉積過程是在真空或低壓氣體放電條件下，涂層物質源是固態物質，經過“蒸發或濺射”后，在零件表面生成與基材性能完全不同的新的固態物質涂層。PVD 具有成膜速率高、鍍膜厚度及均勻性可控好、薄膜致密性好、粘結力強及純凈度高等優點。

PVD可以分為真空蒸鍍（Vacuum Evaporator）和濺射（Sputtering）。

PVD發展初期以真空蒸鍍鍍膜為主，特點是工藝簡單、操作容易、純度較高，缺點是難以蒸發某些金屬和氧化物。由于濺射設備制備的薄膜更加均勻、致密，對襯底附著性強，純度更高，濺射設備取代了蒸鍍設備。

二、薄膜市場以 CVD、PVD 為主，國內需求空間較大???

2020年全球半導體設備市場規模創700億美元新高，大陸首次占比全球第一。

根據SEMI，2020年半導體設備銷售額712億美元，同比增長19%，全年銷售額創歷史新高。大陸設備市場在2013年之前占全球比重為10%以內，2014~2017年提升至 10~20%，2018年之后保持在20%以上，份額呈逐年上行趨勢。

2020年，國內晶圓廠投建、半導體行業加大投入，大陸半導體設備市場規模首次在市場全球排首位，達到181億美元，同比增長35.1%，占比26.2%。

2021~2022年，存儲需求復蘇，韓國預計將領跑全球，但大陸設備市場規模有望保持較高比重。

半導體設備行業產值具有高增長、高波動性。

半導體設備行業呈現明顯的周期性，受下游廠商資本開支節奏變化較為明顯。

根據SEMI數據，從長周期而言半導體行業復合增速約10%，半導體設備行業復合增速約13%，半導體設備行業增長彈性高于半導體行業。

2020年全球薄膜設備市場達到138億美元，占IC制造設備21%；其中主要是CVD和PVD，合計占 IC 制造設備18%。其中，CVD 市場規模高度89億美元，主流是設備包括PECVD、Tube CVD、LPCVD 和 ALD 等。

整個薄膜市場市占率最高的是 AMAT。

高端領域如ALD受ASM、TEL和Lam等海外龍頭主導。國內布局IC制造領域薄膜設備的主要國產廠商包括北方華創和沈陽拓荊。

CVD 市場主要由海外龍頭主導，國內北方華創、沈陽拓荊積極布局。

根據Gartner數據，全球CVD市場前五大供應商包括AMAT（28%）、Lam Research（25%）、TEL（17%）、Kokusai（原日立高新，8%）、ASM（11%）。國內半導體設備龍頭北方華創、沈陽拓荊在該領域也有布局。

從PVD市場格局來看，AMAT 一家獨大，長期占據約80%的市占率。

PVD市場主要供應商包括AMAT、ULVAC、Evatec、KLA、TEL、北方華創等。

根據Gartner，2020年北方華創的半導體PVD設備全球市占率為3%，屬于國內領先地位。隨著國產替代加速，北方華創PVD業務有望加速成長。

我們以國內晶圓投資資本開支需求作為總數，以PVD、CVD等薄膜類設備在全球設備市場中的比例作為參考，估算國內CVD及PVD近幾年的市場空間。

根據我們的估算，中國大陸CVD和PVD合計市場需求預計在200億元以上，國產化率在10%以內，仍具有較大的替代空間。

三、國產訂單導入，北方華創、沈陽拓荊逐步放量 ?

根據招標網的數據統計，長江存儲在2019~2020年采購薄膜類設備約每年200多臺（主要是 CVD 和PVD），主要類別以CVD為主，其中原子層沉積70~80臺。

從國產替代率而言，濺鍍（PVD類）北方華創供應數量比重較高，合計達到將近20%；CVD類國產替代率較低，主要國產供應商沈陽拓荊供應占比約2~3%。

截止2021/06，北方華創一共中標長江存儲共4臺鋁墊物理氣相沉積機臺和3臺鉭阻擋層銅種籽層物理氣相沉積機臺；沈陽拓荊2臺氮氧化硅薄膜、3臺氧化硅薄膜、3臺二氧化硅薄膜，共8臺PECVD類設備。截止2021/06，AMAT 中標CVD類設備約85 臺，PVD類設備約20臺，其他未分類20~30臺。

我們以截止2021/06的華虹無錫、華力集成的公開招投標數據進行分析。華虹無錫項目累計中標薄膜機臺100多臺，其中國產設備13臺（北方華創5臺鈦、氮化鈦、氮化鉭和鋁銅類的PVD，沈陽拓荊8臺PECVD）；華力集成項目累計中標薄膜機臺約90多臺，其中國產設備6臺（北方華創2臺濺射類PVD設備、沈陽拓荊4臺PECVD）

四、全球龍頭AMAT，產品組合豐富，裝機存量優勢大 ?

AMAT是全球收入最大的半導體裝備企業，全球市占率高、產品線長。應用材料（AMAT）成立于1967年，1972年上市，1992年成為全球最大的半導體設備制造商。

根據Semi和Gartner資料，公司是全球收入規模最大的半導體設備企業，產品線較長，其中在PVD領域全球市占率第一（80%+）、CVD領域全球市占率第一（28%）、刻蝕領域全球市占率第三、離子注入領域全球第一、CMP領域全球第一。

全球半導體工藝裝備龍頭企業，2021Q1單季度表現創新高。

2020年，AMAT的營業收入172億美元，毛利額77億美元，營業利潤44億美元，凈利潤36億美元。

此外，公司研發費用22億美元，研發費用率約13%。2020年，公司半導體裝備業務收入114億美元，服務收入42億美元，顯示及其他裝備收入16億美元。

2020年，公司ROE為38.5%。2021Q1，公司營業收入56億美元，同比增長41%；凈利潤13億美元，同比增長76%，單季度收入、利潤均創歷史新高。

裝機存量貢獻的服務收入具有明顯規模優勢。作為全球半導體設備龍頭，服務（安裝、維修、保養等）收入占比達到24%，裝機量存量貢獻顯著。根據公司公告，目前裝機量超過4萬臺機臺，在2020年擁有1.4萬臺機臺的服務訂閱量（subscription），超過0.4萬臺連接到應用材料的服務器上。

AMAT 對未來四年半導體裝備業務展望樂觀。AMAT在2017~2020年的半導體裝備平均年收入約101億美元，公司預期 2021~2024 年的半導體裝備平均年收入有望達到165億美元，營業利潤率從32.8%提升至High 30s。這主要歸功于領先優勢、獨特的產品組合、獨特的技術結合、加速產品升級，并逐步從提供解決方案中受益。

內生持續推出新品，產品線邊界不斷增加，布局先后涉足CVD—PVD—CMP— Etch—Inon Implant—Inspection&Metrology、ALE。

1976年，公司推出第一臺商用CVD設備；1989年公司成為第一家提供8英寸半導體設備企業；1995年公司推出Mirra CMP設備、RTP Centura設備分別進入CMP、RTP 市場；1997年公司成為第一家提供12英寸半導體設備企業；2005年公司發布 Centra Advant Edge 系統，實現當時最先進的金屬刻蝕，滿足鋁互連刻蝕要求；2008年，公司推出Endura Extensa PVD系統，滿足銅互連要求；2012年公司推出離子注入機；2015年推出ALD，實現原子層沉積；2016年推出電子束檢測系統，推出 Applied Producer Selectra系統，實現ALE功能。

持續外延并購補充技術和產品線。

1997年收購Opa technologies和Or bot instrument，進入過程控制；1998年收購 Consilium；2000收購Etec System進入光罩生產、薄膜晶體管測試；2001年收購 Oramir，獲得激光清洗技術；2006年收購 Applied Films；2008年收購Baccini，開拓意大利市場；2009年收購Semitool Inc.，獲得WLP和銅互連技術；2011年收購 Varian Semiconductor Euipment Associates，重回離子注入。

五、國內龍頭：北方華創引領國產沉積，沈陽拓荊開拓 PECVD?

北方華創是國內領先的半導體高端裝備及一體化解決方案供應商。

公司深耕于芯片制造刻蝕領域、薄膜沉積領域近20年，現已成為國內領先的半導體高端工藝裝備及一站式解決方案的供應商。

公司立足半導體裝備、真空裝備、新能源鋰電裝備及精密元器件構成公司四大核心事業集群，客戶覆蓋中芯國際、華虹、三安光電、京東方等各產業鏈龍頭。

在集成電路領域，北方華創可提供刻蝕機、PVD設備、單片退火設備、ALD設備、氧化/擴散爐、LPCVD、單片清洗機以及槽式清洗機等產品，覆蓋刻蝕、薄膜、擴散、清洗四大工藝模塊，為集成電路領域提供先進的工藝解決方案。

北方華創自主研發的面向先進制程的等離子硅刻蝕機、金屬刻蝕機、TiN hardmask PVD、Al Pad PVD、ALD、單片退火系統以及SiNx LPCVD等已逐步進入集成電路主流代工廠供應鏈體系。

引領國產高端集成電路PVD薄膜工藝，公司多項產品進入國際供應鏈體系。

公司PVD產品布局廣泛，近幾年陸續推出了TiN PVD、AIN PVD、Al Pad、ALD等 13款自主研發的PVD產品并成功產業化，可應用于集成電路、先進封裝、LED等領域。

公司自主設計和生產的exiTin H630 TiN金屬硬掩膜PVD系統是國內首臺專門針對55-28nm制程12寸金屬硬掩膜設備。

2016年，公司28nm/12英寸晶圓生產的TiN Hardmask PVD進入國際供應鏈體系。2017年公司緊隨市場需求，更新設備工藝，推出適用于28-14nm制程的大馬士革工藝的exiTin H430 TiN Hardmask PVD系統。

LPCVD設備在半導體薄膜淀積中應用最為廣泛，具更低成本及更優性能。

該工藝是通過將反應器內進行沉積反應時的操作壓力降低的一種CVD反應。和常壓的 CVD相比，LPCVD設備有更低的綜合成本、更高的產能和更好的薄膜性能。北方華創先后推出THEORIS 302 LPCVD、HORIS L6371多功能LPCVD等多個系列產品。

公司產品技術上不斷突破，下游導入持續取得新進展：

硬掩板（Had Mask）PVD應用較為廣泛。硬掩膜為金屬互連線提供精準控制和區域處理：硬掩膜工藝就是采用選定的圖像、圖形或物體對待處理圖像(全部或局部)進行遮擋，來控制圖像處理的區域或處理過程，廣泛應用于 IC 制備流程的前段(FEOL)和后段工藝(BEOL)。

2015年，北方華創TiN PVD 沉積系統獲得海外主流 IC 廠訂單，并正式進入國際先進 IC大廠。由北方華創微電子自主設計和生產的exiTin H630 TiN金屬硬掩膜物理氣相沉積(Metal hardmask PVD)系統是專門針對55-28nm制程12寸金屬硬掩膜設備。

鋁襯墊（Al Pad）PVD 60-28nm導入客戶，更先進制程支持加速驗證。

芯片器件用使用Al Pad PVD用于其后道金屬互聯，提供電子信號、微鏈接等作用。Al Pad物理氣相沉積系統作為集成電路工藝中的一道重要工序，主要應用于Bond pad和Al interconnect工藝。

公司于2015年推出eVictor A830 Al Pad物理氣相沉積系統（配置8個工藝模塊，可據客戶需求多樣化配臵）。該設備目前已進入等國內、國外一線廠商，被應用于 90~28nm制程產線，更先進制程正加速驗證。2018年北方華創Al Pad PVD成功進駐上海集成電路研發中心。

銅互聯（CuBS）PVD已在客戶獲得放量訂單。

金屬銅可以降低互連線電阻率，因此銅互聯技術被廣泛使用。北方華創是02轉向“14-7nm CuBS多工藝腔室集成裝備研發及產業化”項目執行單位。根據招投標統計，公司銅互聯PVD已經實現突破，打破AMAT在該領域的壟斷，極大打開公司在 PVD領域的目標市場。

12英寸氮化硅沉積設備導入下游龍頭企業。

2020年4月7日，北方華創THEORIS SN302D型12英寸氮化硅沉積設備Move in國內集成電路制造龍頭企業。該設備的交付，意味著國產立式LPCVD設備在先進集成電路制造領域的應用拓展上實現重大進展。

12英寸ALD已實現商用。

北方華創自2014年開始布局ALD設備，2017年推出量產型單片ALD設備并首次交付。公司Promi系列ALD設備是用加熱的方式，通過在工藝循環周期內分步向真空腔內添加前驅體、實現對膜層厚度的精確控制，可用于沉積Al2O3、HfO2、ZrO2、TiO2、TiN、TaN和ALN等多種薄膜。

沈陽拓荊擁有三個完整系列CVD產品線，累計出貨量超過100臺套。

拓荊科技成立于2010年4月，多次承擔國家專項，公司擁有12英寸PECVD（等離子體化學氣相沉積設備）、ALD（原子層薄膜沉積設備）、SACVD（次常壓化學氣相沉積設備）三個完整系列產品。

沈陽拓荊2012年推出12英寸多反應腔PF-300T；2014年獲得中芯國際首臺量產機臺 PF-300T訂單；2016年首臺ALD出廠到客戶端；2017年首臺3D Nand PECVD出廠到客戶端；2018年12英寸ALD獲得客戶端14nm工藝驗證；2020年公司累計出貨量超過100臺套。公截止2020年底，公司現有十余名海外專家，員工總數超過320人，累計申請專利超470項。

PF-300T設備：已用于40-28納米集成電路的生產，具有14納米及以下技術的延展性，可實現所有相關介質薄膜的沉積。同時已延伸至先進膜技術，產品涵蓋了高刻蝕選擇比的ACHM硬掩膜、低介電常數的絕緣薄膜及NDC刻蝕阻擋層、超低介電常數的ULK薄膜，可滿足客戶多種技術節點要求。

PF-200T設備：8英寸設備，和國際同類型二手設備相比，具有產能高，維護費用低的優勢，還可為客戶提供完善的售后及工藝開發等服務。并可升級到12英寸，或實現 8/12英寸相互切換。

NF-300H設備：國產首臺應用于新一代三維閃存芯片(3D NAND)生產線上的疊層薄膜沉積設備，擁有自主知識產權。應用于128層及以上3D NAND閃存芯片的生產。可實現SiO2、SiN(ONON)多層薄膜堆疊結構和Thick TEOS薄膜，在均勻性、顆粒度、粗糙度、應力及產能等方面實現技術突破，設備性能指標達同類產品水平。

FT-300T設備：ALD反應腔搭載在高產能的PECVD平臺上，滿足了對設備產能的需求，現已應用于先進的芯片制造、OLED及先進封裝(TSV)領域，同時針對14nm以下前道工藝(FEOL)進行研制開發。現可提供具有高質量的PEALD和Thermal ALD，如SiO2、SiN、Al2O3薄膜，并陸續開發金屬氧化物及金屬氮化物等薄膜工藝。