- 薄膜沉積設(shè)備CVD和PVD多線并舉，國內(nèi)設(shè)備廠應(yīng)在量大面廣的PECVD、ALD以及PVD領(lǐng)域加強(qiáng)研發(fā)與量產(chǎn)；

- 在下游晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)增效、邏輯芯片代工廠先進(jìn)產(chǎn)線占比提升以及3D NAND技術(shù)普及等，均將進(jìn)一步推動薄膜沉積設(shè)備的行業(yè)空間擴(kuò)容，并對薄膜工藝和材料的精密化、多樣化要求催生更多行業(yè)增長點(diǎn)，為國產(chǎn)替代提供新契機(jī)；

- 半導(dǎo)體設(shè)備的國產(chǎn)化是一大系統(tǒng)工程，國內(nèi)薄膜沉積設(shè)備廠商要從加強(qiáng)研發(fā)開始，注重專利池，同時也需要代工廠在供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)，給予國內(nèi)設(shè)計廠商更多的驗證與試錯機(jī)會，并借力并購來不斷發(fā)展壯大。

實現(xiàn)我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控，半導(dǎo)體設(shè)備可謂至關(guān)重要，直接關(guān)系芯片設(shè)計能否落成實物、產(chǎn)品可靠性和良率能否達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、國內(nèi)行業(yè)是否能夠參與全球競爭。而晶圓制造是半導(dǎo)體制造過程中最關(guān)鍵也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，占比為80%左右。據(jù)預(yù)測，今年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)到953億美元，其中817億美元來自制造設(shè)備。

晶圓制造過程包括數(shù)百道工藝流程，涉及數(shù)十種半導(dǎo)體設(shè)備，要通過熱處理、薄膜沉積、涂光刻膠、曝光、烘焙、顯影、刻蝕等一系列步驟的循環(huán)往復(fù)，其中光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備的技術(shù)難度最大，價值量占比最高，可謂是三大劍客，占據(jù)70%以上的市場。

薄膜沉積設(shè)備可以說牽一發(fā)而動全身。當(dāng)前，我國半導(dǎo)體設(shè)備依舊高度依賴于海外企業(yè)，并且在核心技術(shù)和零部件上受到一定的限制。而中國作為半導(dǎo)體設(shè)備的重要市場，隨著各地半導(dǎo)體項目的林立，晶圓代工廠的產(chǎn)能擴(kuò)建熱潮以及自主可控進(jìn)程的推進(jìn)，薄膜沉積設(shè)備廠商也迎來了快速成長和突破的新黃金期。

CVD和PVD多線并舉

作為制造過程中的一個重要環(huán)節(jié)，薄膜沉積指在半導(dǎo)體的主要襯底材料“硅”上鍍一層膜，這層膜可以采用各種各樣的材料，如絕緣化合物二氧化硅、多晶硅、金屬銅等等，用來鍍膜的這一設(shè)備就叫薄膜沉積設(shè)備。

根據(jù)工作原理不同，薄膜沉積工藝可分為物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)兩大類。隨著制程精進(jìn)，要沉積的層更多，薄膜沉積設(shè)備市場空間在不斷擴(kuò)大。

這兩大類設(shè)備各有用武之地，互為補(bǔ)充。

PVD是在真空條件下，采用物理方法，通過加熱或濺射過程將固態(tài)材料氣態(tài)化，然后使蒸汽在襯底表面凝結(jié)形成固態(tài)薄膜，多應(yīng)用于金屬的沉積。PVD工藝在經(jīng)歷了不斷的演變之后，由于濺射設(shè)備制備的薄膜更加均勻、致密，對襯底附著性強(qiáng)，純度更高，因而濺射路線成為主流。

CVD是指通過氣體混合的化學(xué)反應(yīng)在硅片表面沉積薄膜的工藝，可應(yīng)用于絕緣薄膜、多晶硅以及金屬薄膜的沉積。根據(jù)反應(yīng)條件的不同又分為常壓CVD（APCVD）、低壓CVD（LPCVD）、等離子體增強(qiáng)CVD（PECVD）、高密度等離子體CVD（HDPCVD）以及原子層沉積（ALD）。APCVD主要應(yīng)用在二氧化硅和氮化硅的沉積，LPCVD主要應(yīng)用于多晶硅、二氧化硅及氮化硅的沉積。PECVD通過等離子產(chǎn)生的自由基來增加化學(xué)反應(yīng)速度，可以利用相對較低的溫度達(dá)到較高的沉積速率，廣泛應(yīng)用于氧化硅、氮化硅、低k、ESL和其他電介質(zhì)薄膜沉積。

從市場需求來看，由于薄膜沉積工藝中CVD技術(shù)路線較多，具有較好的孔隙填充和膜厚控制能力，CVD在金屬沉積方面的應(yīng)用正在增加。據(jù)Gartner統(tǒng)計，CVD始終是應(yīng)用最廣的沉積設(shè)備，市場空間近90億美元，占沉積設(shè)備整體市場份額的64%。其中，等離子體CVD與原子層沉積ALD成為最主流的CVD技術(shù)，分別占到34%和13%的市場份額。PVD的應(yīng)用僅次于CVD，2020年濺射PVD設(shè)備的市場空間達(dá)到近30億美元，占比21%，應(yīng)用僅次于等離子體CVD。

要注意的是，一方面，PECVD 正成為化學(xué)氣相沉積的主流技術(shù)。引入等離子體可有效降低沉積工藝的熱預(yù)算，同時提升了沉積速率和對高深寬比孔隙的填充能力，使用等離子體的化學(xué)沉積工藝包括PECVD、HDPCVD 等。另一方面，ALD在膜層的均勻性、階梯覆蓋率以及厚度控制等方面都具有明顯的優(yōu)勢，在銅種子層、高K柵介質(zhì)淀積等工序中發(fā)揮著重要的作用，是新一代納米級CVD工藝。

據(jù)Gartner統(tǒng)計，2020年全球薄膜沉積設(shè)備市場空間約140億美元，占晶圓廠設(shè)備投資額的25%。到2024年P(guān)ECVD和ALD將分別占據(jù)CVD設(shè)備市場的51%和19%。

2024年CVD市場占比 來源：Gartner

迎來全新黃金期

在多重因素的助推下，薄膜沉積設(shè)備將迎來全新的黃金期。

隨著5G、AI、云計算以及汽車電子端的旺盛需求，加上應(yīng)對全球缺芯以及加強(qiáng)制造業(yè)回流之舉，全球晶圓廠進(jìn)入新一輪擴(kuò)產(chǎn)周期，F(xiàn)AB廠商也在不斷上調(diào)資本開支預(yù)期。2021年半導(dǎo)體設(shè)備投資額有望實現(xiàn)30%以上增速。根據(jù)SEMI報告，預(yù)測全球半導(dǎo)體制造設(shè)備市場2021年全年將增長34%達(dá)到953億美元，2022年有望再創(chuàng)新高突破1000億美元大關(guān)。此外，受益于大陸晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)增效，2020年大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額187.2億美元，同比增長39%，首次超過中國臺灣地區(qū)成為全球第一大半導(dǎo)體設(shè)備市場，占全球份額由2016年的16%升至26%。

同時，隨著產(chǎn)線的逐漸升級和先進(jìn)制程產(chǎn)線占比提高，晶圓制造的復(fù)雜度和工序量都大大提升，對薄膜沉積設(shè)備數(shù)量和性能的需求將繼續(xù)隨之提升。據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，預(yù)計到2024年用于7nm以下制程的半導(dǎo)體設(shè)備出貨量占比有望突破30%。以SMIC的180nm的8英寸產(chǎn)線和90nm的12英寸產(chǎn)線為例，在實現(xiàn)相同芯片等效產(chǎn)能的情況下，對薄膜沉積設(shè)備的需求量將相應(yīng)增加4-5倍。

特別要指出的是，對于制程在14nm及以下的邏輯器件，由于普遍使用的浸沒式光刻機(jī)受到波長限制，加工將通過等離子體刻蝕和薄膜沉積的工藝組合，即多重模板效應(yīng)來實現(xiàn)，這將使得相關(guān)薄膜設(shè)備的加工步驟增多，薄膜設(shè)備廠商將充分受益。而且，在閃存方面，隨著主流制造工藝已由2D發(fā)展為3D結(jié)構(gòu)，其堆疊層數(shù)與薄膜工序直接掛鉤，隨著3D NAND的內(nèi)部層數(shù)不斷增高，對于薄膜沉積設(shè)備的需求提升的趨勢亦將延續(xù)。

展望未來，在下游晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)增效、邏輯芯片代工廠先進(jìn)產(chǎn)線占比提升以及3D NAND技術(shù)普及等，均將進(jìn)一步推動薄膜沉積設(shè)備的行業(yè)空間擴(kuò)容。而且并對薄膜工藝和材料的精密化、多樣化要求將催生更多行業(yè)增長點(diǎn)，為國產(chǎn)替代提供契機(jī)。

更要注意的是，先進(jìn)制程下對薄膜工藝和材料的精密化、多樣化要求將催生更多行業(yè)增長點(diǎn)，產(chǎn)生各種薄膜沉積工藝設(shè)備份額的變化，并為國產(chǎn)替代提供契機(jī)。在薄膜性能方面，先進(jìn)制程的前段工藝對薄膜均勻性、顆粒數(shù)量控制、金屬污染控制的要求逐步提高，在設(shè)備種類方面，薄膜厚度控制精準(zhǔn)的ALD等設(shè)備將被更多地引入產(chǎn)線。

集微咨詢（JW insights）認(rèn)為，在這一大趨勢下，全球半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備市場規(guī)模將因此高速增長，中國薄膜沉積設(shè)備行業(yè)將保持高成長性，未來市場規(guī)模將向兩三百億美元邁進(jìn)。

從市場格局來看，以應(yīng)用材料、泛林半導(dǎo)體、東京電子為代表的海外半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商由于起步較早，具備雄厚的研發(fā)實力和全面的產(chǎn)品譜系，在薄膜沉積尤其是CVD和PVD設(shè)備市場占有較大的份額，壟斷格局較為明顯。

據(jù)Gartner統(tǒng)計，2020年應(yīng)用材料、泛林半導(dǎo)體、東京電子在全球沉積設(shè)備的市場份額分別達(dá)到43%、19%和11%。應(yīng)用材料產(chǎn)品譜系最為全面，PVD 設(shè)備獨(dú)占 85%細(xì)分市場份額，在等離子體CVD中也有近49%的份額；泛林半導(dǎo)體在CVD及沉積后處理工藝布局全面，ECD設(shè)備一家獨(dú)大；東京電子以11%占有率位列第三，在管式CVD設(shè)備市場占有率達(dá)46%，APCVD、LPCVD 及 ALD 均處在行業(yè)前列。此外，半導(dǎo)體設(shè)備巨頭ASMI則在適用于先進(jìn)制程的ALD具備較強(qiáng)的技術(shù)儲備，在相應(yīng)細(xì)分市場占有率46%。

2020年全球薄膜沉積市場格局 來源：Gartner

相較于國內(nèi)設(shè)備市場擴(kuò)容速度，國產(chǎn)化率仍處在較低水平，未來薄膜沉積設(shè)備國產(chǎn)替代具備廣闊空間。

國產(chǎn)化突破之路

在薄膜沉積設(shè)備的賽道上，國內(nèi)廠商也在多線布局，但國產(chǎn)化率僅有2%，98%依賴進(jìn)口，未來替代空間巨大。

據(jù)集微咨詢（JW insights）不完全統(tǒng)計，在CVD領(lǐng)域，主要廠商有北方華創(chuàng)、中微半導(dǎo)體、拓荊科技、中電科48所、中晟光電、沈陽科儀等，PVD領(lǐng)域相對較少，主要有北方華創(chuàng)、中電科48所、沈陽科儀、創(chuàng)世威納等。

在這些廠商中，北方華創(chuàng)、拓荊科技和中微公司處于領(lǐng)先地位。

北方華創(chuàng)在CVD、PVD等相關(guān)設(shè)備領(lǐng)域已取得多項突破，覆蓋了90-14nm多個制程。在PVD設(shè)備方面，北方華創(chuàng)突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)優(yōu)勢，并成功進(jìn)入國際供應(yīng)鏈體系。在CVD設(shè)備方面，先后完成了PECVD、APCVD、LPCVD、ALD等設(shè)備的開發(fā)，憑借優(yōu)秀的工藝性能和產(chǎn)能優(yōu)勢，在國內(nèi)外客戶獲得批量應(yīng)用。此外，在ALD設(shè)備方面也實現(xiàn)了零的突破。

拓荊科技則發(fā)力PECVD、ALD和SACVD三大類設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)晶圓廠14nm及以上制程集成電路制造產(chǎn)線，并已開展10nm及以下制程的驗證測試。ALD設(shè)備在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，同時也是國內(nèi)唯一一家產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的集成電路SACVD設(shè)備廠商。

而中微半導(dǎo)體除在刻蝕設(shè)備深耕之外，在薄膜沉積設(shè)備領(lǐng)域也在強(qiáng)力攻關(guān)，持有拓荊科技11.2%股份。為與拓荊科技形成技術(shù)互補(bǔ)，中微半導(dǎo)體在薄膜沉積技術(shù)的布局將集中在單晶外延以及金屬LPCVD兩個方向，并大量募資投入HPCVD、LPCVD、EPI等設(shè)備的開發(fā)及工藝應(yīng)用開發(fā)。

目前來看，單靠一家公司很難覆蓋全部CVD設(shè)備，北方華創(chuàng)、拓荊科技、中微公司等國內(nèi)廠商應(yīng)各有側(cè)重，全面布局，將有望實現(xiàn)國產(chǎn)設(shè)備在CVD設(shè)備的全覆蓋，當(dāng)然這還需要時間。

對于薄膜沉積設(shè)備的國產(chǎn)化之路，集微咨詢（JW insights）認(rèn)為，一方面半導(dǎo)體設(shè)備的國產(chǎn)化是一大系統(tǒng)工程，國內(nèi)薄膜沉積設(shè)備廠商要從加強(qiáng)研發(fā)開始，因半導(dǎo)體制造設(shè)備行業(yè)是一個高技術(shù)壁壘、高資金壁壘和高市場壁壘等為特征的行業(yè)，研發(fā)周期長，前期需要持續(xù)的研發(fā)投入。而技術(shù)創(chuàng)新能力將是半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)平臺化、國際化的源動力，技術(shù)差異化創(chuàng)新也將是本土半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)縮小與國際品牌之間的差距，實現(xiàn)客戶全球化的必經(jīng)之路。

另一方面，半導(dǎo)體制造設(shè)備的驗證壁壘高，從設(shè)備樣機(jī)下線到最終交付客戶需要至少2年的時間，產(chǎn)業(yè)化周期長。因而這也需要代工廠在供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)，給予國內(nèi)設(shè)計廠商更多的驗證與試錯機(jī)會，同時國內(nèi)設(shè)備廠對于關(guān)鍵試錯結(jié)果要能迅速改正及提高，只有反復(fù)多次，才能逐步滿足量產(chǎn)要求。否則，成本很難降下來，質(zhì)量也難以提升。

隨著中芯國際、長江存儲、粵芯等擴(kuò)產(chǎn)將在2022年進(jìn)一步加大幅度，士蘭微、華虹華力、聞泰等持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，2022年是本土晶圓廠將進(jìn)行產(chǎn)能最大幅度擴(kuò)張和制程技術(shù)持續(xù)提升的一年，是本土晶圓廠重塑行業(yè)格局、奠定行業(yè)地位的一年，因此本土半導(dǎo)體設(shè)備需求也將迎來邊際變化較大的一年，國內(nèi)在相對成熟設(shè)備PVD、PECVD等要著力尋求市占率的進(jìn)一步大幅提升，在新設(shè)備領(lǐng)域?qū)で蟾嗟尿炞C機(jī)會。

同時，要注重的是當(dāng)國內(nèi)設(shè)備廠商占據(jù)足夠的市場份額之際，一定會面臨專利糾紛。專利是國際半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)相互遵循的競爭準(zhǔn)則，國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備廠商一定要培養(yǎng)專利意識，把控好專利特征度、創(chuàng)新性、有效性、合規(guī)穩(wěn)定性，形成技術(shù)威懾力才能有助于更長遠(yuǎn)地發(fā)展。

此外，國外半導(dǎo)體設(shè)備巨頭在行業(yè)深耕多年，已構(gòu)筑了堅固的護(hù)城河，國內(nèi)半導(dǎo)體制造設(shè)備企業(yè)目前還處于從0到1的突破階段，部分環(huán)節(jié)處于從1到N的升級階段，與國外巨頭存在很大差距。因而，在適當(dāng)時機(jī)通過并購等外延式成長途徑擴(kuò)大產(chǎn)品和市場覆蓋對于處于攻堅階段的國內(nèi)薄膜設(shè)備廠商來說是十分必要的。