原子层沉积镀膜系统行业发展基本情况

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1、原子层沉积镀膜系统行业发展基本情况一、 薄膜沉积设备：集成电路奠基者薄膜沉积技术是以各类化学反应源在外加能量（包括热、光、等离子体等）的驱动下激活，将由此形成的原子、离子、活性反应基团等在衬底表面进行吸附，并在适当的位置发生化学反应或聚结，渐渐形成几纳米至几微米不等厚度的金属、介质、或半导体材料薄膜。作为芯片衬底之上的微米或纳米级薄膜，是构成了制作电路的功能材料层。随着集成电路制造不断向更先进工艺发展，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，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。薄膜设备的发展支撑了集成电路制造工艺向更小制

2、程发展。随着半导体行业整体景气度的提升，全球半导体设备市场呈现快速增长态势，拉动市场对薄膜沉积设备需求的增加。根据MaximizeMarketResearch数据统计，2017-2020年全球半导体薄膜沉积设备市场规模分别为125亿美元、145亿美元、155亿美元和172亿美元，2021年扩大至约190亿美元，年复合增长率为1104%。预计全球半导体薄膜沉积设备市场规模在2025年将从2021年的190亿美元扩大至340亿美元，保持年复合157%的增长速度。近年来，下游产业新技术、新产品快速发展，正迎来市场快速增长期。5G手机、新能源汽车、工业电子等包含的半导体产品数量较传统产品大比例提高；人

3、工智能、可穿戴设备和物联网等新业态的出现，对于半导体产品产生了新需求。经过不断发展，根据不同的应用演化出了PECVD、LPCVD、溅射PVD、ALD等不同的设备用于晶圆制造的不同工艺。其中，PECVD是薄膜设备中占比最高的设备类型，占整体薄膜沉积设备市场的33%；ALD设备目前占据薄膜沉积设备市场的11%；SACVD是新兴的设备类型，属于其他薄膜沉积设备类目下的产品，占比较小。在晶圆制造过程中，薄膜起到产生导电层或绝缘层、阻挡污染物和杂质渗透、提高吸光率、临时阻挡刻蚀等重要作用。随着集成电路的持续发展，晶圆制造工艺不断走向精密化，芯片结构的复杂度也不断提高，需要在更微小的线宽上制造。制造商要求

4、制备的薄膜品种随之增加，最终用户对薄膜性能的要求也日益提高。这一趋势对薄膜沉积设备产生了更高的技术要求，市场对于高性能薄膜设备的依赖逐渐增加。随着集成电路的持续发展，产线逐渐升级，晶圆厂对薄膜沉积设备数量和性能的需求将继续随之提升。越先进制程的产线所需的薄膜沉积设备数量越多。先进制程使得晶圆制造的复杂度和工序量都大大提升，为保证产能，产线上需要更多的设备。随着当前存储器性能瓶颈的出现，主流工艺方式不断拓展，精密结构加工所需的设备性能要求不断增加。在FLASH存储芯片领域，随着主流制造工艺由2DD发展为3DD结构，相关产线中薄膜设备支出占比由18%提升至26%，结构的复杂化导致对于薄膜沉积设备的

5、需求量也逐步增加。半导体设备属于高新技术领域，相关厂商均在各自专业技术领域耕耘几十年。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，行业基本由应用材料（AMAT）、先晶半导体（ASMI）、泛林半导体（Lam）、东京电子（TEL）等国际巨头垄断。2019年，ALD设备龙头东京电子和先晶半导体分别占据了31%和29%的市场份额，剩下40%的份额由其他厂商占据；而应用材料则基本垄断了PVD市场，占85%的比重，处于绝对龙头地位；在CVD市场中，应用材料全球占比约为30%，连同泛林半导体的21%和TEL的19%，三大厂商占据了全球70%的市场份额。CVD设备需求量大，设备种类较多。国内

6、从事CVD设备开发销售的公司主要有北方华创、中微公司和拓荆科技。北方华创主要研发PVD、LPCVD和APCVD设备，中微公司主要研发MOCVD设备，和拓荆科技的PECVD以及SACVD设备无直接竞争关系。各公司专注于不同细分领域，共同发展弥补国内企业在相关行业的短板。除了光刻、薄膜沉积以及刻蚀三大核心工艺外，其他前道设备虽然占比不高，但同样不可或缺。从芯片制造工艺来看，包括涂胶显影设备、清洗设备、离子注入设备以及扩散设备。其中涂胶显影设备与光刻机共同完成光刻工艺；清洗机与CMP共同完成芯片的各步骤的清洗与抛光；离子注入机和扩散炉则专注于掺杂工艺。二、 半导体行业发展情况和未来发展趋势（一）半导

7、体行业概览半导体行业是电子信息产业的基础支撑，主要分为集成电路、分立器件、传感器和光电子器件等四大类，广泛应用于5G通信、计算机、云计算、大数据、物联网等下游终端应用市场，是现代经济社会中的战略性、基础性和先导性产业。自半导体核心元器件晶体管诞生以来，半导体行业遵循着摩尔定律快速发展。2013年到2018年，全球半导体市场规模从3，056亿美元迅速提升至4，688亿美元，年均复合增长率达到893%。2019年，受国际贸易环境恶化导致市场信心不足等因素影响，全球半导体市场出现下跌。2020年，受益于疫情催生远程办公设备销量提振以及全球汽车产业复苏所推动的需求强劲反弹，全球半导体市场规模恢复增长态

8、势。2021年，全球半导体市场规模进一步增长至4，743亿美元，发展态势良好。（二）半导体设备行业1、半导体设备发展基本情况及特点半导体设备主要包括前道工艺设备和后道工艺设备，前道工艺设备为晶圆制造设备，后道工艺设备包括封装设备和测试设备，其他类型设备主要包括硅片生长设备等。其中晶圆前道工艺设备整体占比超过80%，是半导体设备行业最核心的组成部分。从晶圆厂的投资构成来看，刻蚀设备、光刻设备、薄膜沉积设备是集成电路前道生产工艺中最重要的三类设备。其中，薄膜沉积设备投资额占晶圆厂投资总额的16%，占晶圆制造设备投资总额的21%。2、半导体设备行业发展情况2013年以来，随着全球半导体行业整体景气度

9、的提升，半导体设备市场也呈增长趋势。根据SEMI统计，全球半导体设备销售额从2013年的约318亿美元增长至2021年的1，026亿美元，年均复合增长率约为1577%。由于半导体专用设备行业对制造工艺和标准要求严格，行业进入的技术壁垒、市场壁垒和客户认知壁垒较高，全球半导体设备市场集中度较高。目前全球前十大半导体设备制造商主要集中在美国、日本和荷兰。根据VLSIResearch数据，2020年全球半导体设备前十名厂商合计实现销售收入708亿美元，市占率为7663%。中国半导体设备厂商因发展起步较晚，目前尚未进入全球行业前列。从需求端分析，根据SEMI统计数据，2013-2021年半导体设备在大

10、陆销售额的年复合增长率达到3107%。2021年，中国大陆半导体设备的销售额达到2962亿美元，同比增长5823%，发展势头强劲。2020年、2021年，中国大陆市场约占全球半导体设备市场比例分别为2630%、2887%。中国大陆已成为全球第一大半导体设备需求市场。三、 薄膜沉积技术概况（一）薄膜沉积设备基本情况薄膜沉积设备通常用于在基底上沉积导体、绝缘体或者半导体等材料膜层，使之具备一定的特殊性能，广泛应用于光伏、半导体等领域的生产制造环节。（二）薄膜沉积设备技术基本情况薄膜沉积设备按照工艺原理的不同可分为物理气相沉积（PVD）设备、化学气相沉积（CVD）设备和原子层沉积（ALD）设备。物理

11、气相沉积（PVD）技术是指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）过程，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。化学气相沉积（CVD）是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。PVD为物理过程，CVD为化学过程，两种具有显著的区别。ALD也是采用

12、化学反应方式进行沉积，但反应原理和工艺方式与CVD存在显著区别，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。相比于ALD技术，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；CVD技术的重复性和台阶覆盖性比PVD略好，但是工艺过程中影响因素较多，成膜的均匀性较差，并且难以精确控制薄膜厚度。原子层沉积可以将物质以单原子层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

13、质量上都与传统的CVD不同，在传统CVD工艺过程中，化学气体不断通入真空室内，因此该沉积过程是连续的，沉积薄膜的厚度与温度、压力、气体流量以及流动的均匀性、时间等多种因素有关；在ALD工艺过程中，则是将不同的反应前驱物以气体脉冲的形式交替送入反应室中，因此并非一个连续的工艺过程。在2016年之前，PECVD在PERC电池背面钝化的应用被迅速推广，原因是在常规单晶电池制造工艺流程中，仅电池正面需要用PECVD镀SiNX，因此电池厂商选择PERC电池背面沉积Al2O3的方法时，PECVD技术被优先用于Al2O3的沉积。而当时的ALD技术在国外主要应用于半导体领域，大多属于单片式反应器类型，这种反应

14、器虽然镀膜精度高，但产能较低。在氧化硅隧穿层的制备中，目前较常见的有高温热氧化法、等离子体氧化法和PEALD技术。高温热氧化法能获得高质量的氧化硅层、较低的界面缺陷态密度，但其存在大尺寸硅片下容易受热不均匀、成膜反应速度慢等问题；等离子体技术结合N2O虽然也被尝试用于氧化硅隧穿层的制备，采用等离子体轰击N2O使其解离产生游离O从而氧化硅片表面，但采用该方法生长的氧化硅厚度较厚，对于1-3nm的厚度而言，该方法难以控制厚度，因此尚未实现在氧化硅隧穿层的产业化应用。近年来，晶圆制造的复杂度和工序量大大提升，以逻辑芯片为例，随着90nm以下制程的产线数量增多，尤其是28nm及以下工艺的产线对镀膜厚度

15、和精度控制的要求更高，特别是引入多重曝光技术后，工序数和设备数均大幅提高；在存储芯片领域，主流制造工艺已由2DD发展为3DD结构，内部层数不断增高；元器件逐步呈现高密度、高深宽比结构。由于ALD独特的技术优势，在每个周期中生长的薄膜厚度是一定的，拥有精确的膜厚控制和优越的台阶覆盖率，因此能够较好的满足器件尺寸不断缩小和结构3D立体化对于薄膜沉积工序中薄膜的厚度、三维共形性等方面的更高要求。ALD技术愈发体现出举足轻重的作用。四、 分选机市场空间分选机市场空间较大，探针台由日本企业垄断。不同于测试机，全球分选机的竞争格局相对分散，2020年前五大分选机厂商分别为科休、Xcerra、爱德万、中国台

16、湾鸿劲、长川科技，市占率分别为21%、16%、12%、8%、2%。其中大陆企业只有长川科技并且市占率仅为2%，未来的空间广阔。而探针台市场几乎由日本东京电子和东京精密两家占据，2020年两家企业在全球范围市占率分别为46%和42%，具有极高的进入壁垒。五、 半导体设备行业发展现状（一）市场规模中国半导体设备的市场规模增速明显，从2017年的55418亿元增长至2019年的90570亿元。2020年，中国半导体设备市场亦保持快速增长趋势，销售额为126062亿元，同比增长达392%，成为全球第一大半导体设备市场；2021年，中国半导体设备市场连续增长，销售额为199335亿元，同比增长达581%

17、，连续两年成为全球第一大半导体设备市场。2022年中国半导体预计将继续增长，规模达到274515亿元。（二）市场结构从细分产品来看，光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备为半导体设备主要核心设备，分别占比24%、20%、20%。其次为测试设备和封装设备，分别占比9%、6%。（三）进口情况中国半导体设备行业整体国产化率的提升还处于起步阶段，目前国内半导体生产厂商所使用的半导体设备仍主要依赖进口。根据中国电子专用设备工业协会的统计，2021年半导体设备进口46894台，合计进口额114796亿元，同比分别增长843%和564%。（四）国产化率情况中国设备产业未来10年，第一步将迎接中国半导体产业对设备投资需

18、求成倍的增长，同时目标将国产化率从平均5%10%，提升到70%80%以上甚至更高；第二步中国设备技术能力与国际厂商同台竞技之后，实现打开国门走向世界。只有在设备上拥有核心技术升级与迭代能力，才能真正实现半导体制造上实现超越，国产化率是当务之急，也势不可挡。薄膜沉积是晶圆制造的三大核心步骤之一，薄膜的技术参数直接影响芯片性能。半导体器件的不断缩小对薄膜沉积工艺提出了更高要求，而ALD技术凭借沉积薄膜厚度的高度可控性、优异的均匀性和三维保形性，在半导体先进制程应用领域彰显优势。用于薄膜沉积的技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）。其中ALD技术是一种将物质以单

19、原子膜的形式逐层镀在基底表面的方法，能够实现纳米量级超薄膜的沉积。目前ALD技术可以细分为TALD、PEALD、SALD等，制备的薄膜类型包括氧化物、氮（碳）化物、金属与非金属单质等，涵盖介电层、导体和半导体。ALD反应的自限制性和窗口温度较宽的特征，使其生长的薄膜具有很好的台阶覆盖率、大面积均匀、致密无孔洞等优势，且厚度等沉积参数易于精确控制。ALD技术特别适合复杂形貌、高深宽比沟槽表面的薄膜沉积，被广泛应用于High-K栅介质层、金属栅、铜扩散阻挡层等半导体先进制程领域。2020年，全球ALD设备市场规模约占薄膜沉积设备整体市场的11%。从晶圆厂设备投资构成来看，薄膜沉积设备投资额占晶圆制

20、造设备总投资额的比重约达25%。随着全球和国内晶圆厂的加速建设和扩产，以及半导体器件结构向更细微演进，ALD设备市场空间广阔。根据SEMI，全球晶圆产能2022年将增长8%，2020年至2024年期间，中国大陆和中国台湾将分别增加8家和11家300mmFab厂，合计约占全球新增数量的50%。在Fab厂设备投资额构成中，前道晶圆制造设备占比高达80%，其中薄膜沉积设备投资额约占晶圆制造设备的25%。MaximizeMarketResearch统计显示，2017至2020年全球半导体薄膜沉积设备市场规模从125亿美元增至172亿美元，CAGR达112%，预计2025年可达340亿美元。根据Gart

21、ner统计，2020年ALD设备市场规模约占薄膜沉积设备的11%，SEMI预测，受益于半导体先进制程产线数量增加，2020年至2025年全球ALD设备销售额CAGR将达到263%，远高于PVD和PECVD设备的增速，市场前景可观。半导体ALD设备市场由海外厂商高度垄断。2020年，我国薄膜沉积设备国产化率为8%，虽然较2016年的5%有所提升，但总体水平尤其是中高端设备的国产占比仍然较低。在国际市场，ASMI、TEL、Lam、AMAT等知名半导体厂商均提供ALD设备，其中ASMI为全球ALD设备市场龙头企业，公司在ALD技术领域持续深耕，通过跨国并购拓展并巩固了ALD业务，2020年ALD设备

22、销售额市占率高达55%。在国内市场，经营薄膜沉积设备业务的公司主要包括拓荆科技、微导纳米、中微公司、盛美上海、北方华创，目前具备半导体ALD技术产业化能力的企业仍然较少。建议关注在ALD设备领域取得较大进展的拓荆科技、微导纳米。六、 刻蚀机：微观世界雕刻师作为半导体制造过程中三大核心工艺之一，刻蚀可以简单理解为用化学或物理化学方法有选择地在硅片表面去除不需要的材料的过程，可以分为干法刻蚀和湿法刻蚀，目前市场主流的刻蚀方法均为干法刻蚀，可将其分为CCP刻蚀和ICP刻蚀。CCP刻蚀主要是以高能离子在较硬的介质材料上，刻蚀高深宽比的深孔、沟槽等微观结构；而ICP刻蚀主要是以较低的离子能量和极均匀的离

23、子浓度刻蚀较软的或较薄的材料。三星宣布将成为全球首家采用GAA工艺进行3nm制程的生产，相较于FinFET工艺，GAA被誉为突破3nm制程的有力手段。每一代芯片新技术的突破，晶体管体积都会不断缩小，同时性能不断提升。从平面MOSFET结构到FinFET晶体管架构，再到后面的GAA结构甚至MBCFET结构，晶体管的复杂度不断提升，对刻蚀和薄膜沉积等核心技术提出了更高的要求。随着芯片制程的提升，受到光刻机波长的限制，往往需要采用多次曝光，才能得到要求的线宽，实现更小的尺寸。这对刻蚀速率、各向异性、刻蚀偏差、选择比、深宽比、均匀性、残留物、等离子体引起的敏感器件损伤、颗粒沾污等指标上对刻蚀设备都提出

24、了更高的要求。我国因无法购买EUV光刻机而无法进行更先进制程的产线建设，如果想要用28nm产线生产14nm线宽的芯片，只能通过多次刻蚀才有可能实现，这使得对刻蚀的需求进一步提升。从全球范围来看，刻蚀设备主要由美国泛林半导体、日本东京电子以及美国应用材料三家占据领先地位，2020年三家市场份额合计占比近9成。目前国内有中微公司和北方华创两家刻蚀设备供应商，从营收端来看，2020年和2021年中微公司和北方华创刻蚀设备营收占国内总刻蚀市场规模的919%和1048%左右，随着公司的订单逐步释放，国产化率有望明显提升。七、 半导体设备分类发展现状及驱动因素以产业链应用环节来划分，半导体设备可分为前道工

25、艺设备（晶圆制造）和后道工艺设备（封装测试）两个大类。其中后道工艺设备还可以细分为封装设备和测试设备。设备中的前道设备占据了整个市场的80%-85%，其中光刻机，刻蚀机和薄膜设备是价值量最大的三大环节，各自所占的市场规模均达到了前道设备总量的20%以上。因此，全球半导体设备前十名厂商之中，有多家是平台型企业，横跨多个半导体工艺环节。半导体产业链庞大复杂的特性，使得很难有某一家公司能够在所有设备领域做到全覆盖。来自全球各个国家的企业共享整个市场。从2021年的全球竞争格局来看，第一梯队top5的收入规模均在百亿规模左右或以上，排名前top10的公司营收体量也要在20亿美元以上。对比国内设备龙头北

26、方华创2021年电子装备业务（包含集成电路业务和泛半导体业务）约为795亿元人民币的营收，我国半导体装备行业的营收规模距行业头部厂商仍存在较大差距，替代空间巨大。按照2021财年半导体业务收入排名，全球前五大半导体设备厂商分别为应用材料242亿美元营收，ASML约211亿美元营收，东京电子171亿美元营收，泛林半导体165亿美元应收，柯磊82亿美元营收。分地区来看，排名前十的厂商中有五家日本公司，四家美国公司，以及一家荷兰公司。2021年全球营收排名前五的设备厂商均属于前道设备的应用厂商，与前道设备占据80%以上的设备市场相匹配。同时，前五大厂商中有三家是平台型（应用材料，泛林半导体，东京电子

27、），横跨刻蚀，薄膜，清洗，离子注入等多个领域，对比来看，国内许多公司也在横向拓展业务领域以不断突破天花板，向平台型转型。比如，中微公司从刻蚀及化合物半导体外延设备延展到集成电路薄膜设备；万业企业从离子注入设备延展到其嘉芯半导体子公司，覆盖除光刻机之外的几乎全部前道大类；盛美上海从清洗，电镀等业务逐步覆盖，炉管，沉积及其他前道品类。半导体设备行业波动性成长，产业链最下游电子应用终端发生新变化，产生新需求。半导体设备行业呈现波动性上涨的趋势。近二十年间半导体设备的周期性正在减弱，行业成长趋势加强。得益于各类电子终端的芯片需求，智能化，网联化，AIOT的发展，行业规模连续四年出现大幅度的正增长。20

28、22年仍将维持较高增速，这在半导体设备发展历史上极为罕见。先进制程（5nm以下先进制程）的扩产和研发投入变得十分巨大，同时成熟制程的芯片需求量大大提升。根据ASML的财报显示，Arf光刻机单价在6000万欧元左右，EUV光刻机单价在15亿欧元左右，而最新一代预告的3nm/2nm世代光刻机预计的单价将在3亿欧元以上，先进制成的研发和突破成本以指数曲线的形式上升。在先进制程未来2nm，1nm的发展方向愈发接近物理极限的同时，成熟制程经济效益在不断提高，车规MCU，超级结MOS，光伏IGBT等成熟制程芯片大量缺货，交付期延长，使得行业重新审视成熟制程产线的经济效益，台积电也在2022年提出在未来三年

29、将成熟制程扩产50%。我国半导体设备厂商精准卡位12英寸成熟制程所对应设备，覆盖28nm/14nm以上节点成熟制程领域并不断完善。半导体设备处于产业链最上游环节，中游的芯片代工晶圆厂采购芯片加工设备，将制备好的晶圆衬底进行多个步骤数百道上千道工艺的加工，配合相关设备，通过氧化沉积，光刻，刻蚀，沉积，离子注入，退火，电镀，研磨等步骤完成前道加工，再交由封测厂进行封装测试，出产芯片成品。芯片的制造在极其微观的层面，90nm的晶体管大小与流行感冒病毒大小类似。在制程以纳米级别来计量的芯片领域，生产加工流程在自动化高精密的产线上进行，对设备技术的要求极高。无论是设备的制造产线，还是晶圆厂的生产产线，所

30、有芯片的生产加工均在无尘室中完成。任何外部的灰尘都会损坏晶圆，影响良率，因此对于环境和温度的控制也有一定的要求。在代工厂中，晶圆衬底在自动化产线上在各个设备间传送生产，历经全部工艺流程大致所需2-3个月的时间，这其中不包括后道封装所需要的时间。通常来说，晶圆厂中的设备90%的时间都在运行，剩余时间用于调整和维护。前道工艺步骤繁杂，工序繁多，是芯片出产过程中技术难度较大，资金投入最多的环节。在芯片代工厂中的芯片的工艺制备流程：氧化、匀胶、曝光、显影、刻蚀、沉积、研磨、离子注入、退火。离子注入完成之后，继续沉积二氧化硅层，然后重复涂胶，光刻，显影，刻蚀等步骤进入另一个循环，用以挖出连接金属层（导电层）的通孔，从而使互通互联得以是现在晶圆中。实现这一功能的是使用物理气相沉积的方式沉积金属层。上述步骤在晶圆的生产制造中将重复数次，直到一个完成的集成电路被制作完成。最后，将制备好的晶圆进行减薄，切片，封装，检测。完成后到的工艺流程，至此，一颗完整的芯片制作完成。半导体设备主要由七大设备零部件构成：光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、薄膜沉积设备、离子注入设备、机械抛光设备及封装、测试设备。