行业深度报告：薄膜沉积：先进逻辑、存储产线国产化空间广阔，国产厂商加速补齐短板环节

薄膜沉积设备：空间大、高成长的半导体晶圆制造设备 薄膜沉积设备负责芯片制造过程中介质层、金属层以及外延层的沉积，与刻蚀、光刻一同构成市场空间最大的三种晶圆制造设备。2023年全球薄膜沉积设备市场规模约184.35亿美金，国内市场空间约444.56亿元。2013-2023年全球半导体薄膜沉积设备市场规模年均增速达14.47%，后续在存储器3D升级以及先进逻辑多重曝光的推动下，薄膜沉积市场增速有望继续超过半导体设备整体市场增速。 3D NAND薄膜沉积设备国产化率较高，先进逻辑仍有较大国产替代空间 根据我们估算，使用PECVD设备沉积氧化物/氮化物多层薄膜约占3D NAND所需薄膜沉积工艺设备总市场空间的35%。横向字线填充和高深宽刻蚀后的钨填充共同构成3D NAND制造中难度最大的薄膜沉积工艺，使用的ALD钨和CVD钨设备合计约占3D NAND薄膜沉积设备总需求的15%。以上三种设备目前均有国产厂商布局。在逻辑器件制造中，使用最广泛的是钝化层、层间介质及扩散阻挡层沉积 SiO2 、SiN等介质材料的PECVD设备。使用ALD设备沉积HKMG结构以及用PECVD/ALD沉积ADC、LowK等先进介质材料难度大。目前国内先进逻辑/DRAM产线的薄膜沉积设备国产化率预计低于3D NAND产线。 海外薄膜沉积龙头沿革复盘：工艺设计创新与设备产能领先铸就长期壁垒 全球薄膜沉积市场呈现高度集中的垄断格局。Applied Materials是全球第一大薄膜沉积厂商，1989年至今通过提供创新的材料工程解决方案和晶圆厂一同配合进行晶体管关键尺寸微缩，从而维持在客户产线上的高市场份额。如，公司通过使用钴/钽/钌改进晶体管布线沉积工艺，突破铜互联向28纳米以下拓展的瓶颈。 Novellus在2012年被收购前是全球第二大薄膜沉积厂商，主要产品为导体LPCVD/ECD/PECVD(层间介质、硬掩模等）。其产品覆盖度并非全面，但机台具备高产能的核心优势。2007年Novellus就推出了集成12个沉积腔室的PECVD设备，支撑当时多家规划月产能超过10万片/月的存储厂商以更低的成本扩产。 2013年三星率先开启3D NAND量产，收购Novellus后的Lam Research凭借刻蚀和薄膜沉积组合拳在2013-2023财年实现净利润3857%的增长。 国产厂商各自优势不同，齐心补齐高端薄膜沉积短板环节 2023年薄膜沉积设备国产化率约23.4%，假设到2030年国内市场空间增长至708亿元，国产化率提升到65%，则对应国产厂商356亿元的营收增量空间。其中，中微公司重点布局高端导体LPCVD/ThermalALD以及EPI设备市场；北方华创以PVD为基加速拓展CVD/ALD设备 ； 拓荆科技维持在PECVD介质/HDPCVD/SACVD领域的领先地位并加速新型反应腔开发；微导纳米继续深耕更先进制程节点的ALD设备。受益标的：中微公司、北方华创、拓荆科技。 风险提示：国内先进晶圆厂扩产不及预期、产线国产化率提升不及预期。 1、薄膜沉积设备：高壁垒、高增速的半导体晶圆制造设备市 场 薄膜沉积是指在硅片衬底上沉积一层待处理的薄膜材料，薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中的介质层与金属层的沉积。 薄膜沉积设备约占半导体晶圆制造设备总市场规模的22%，与刻蚀、光刻一同构成市场空间最大的三种半导体晶圆制造设备。2023年全球薄膜沉积设备市场空间约为184.35亿美金，中国大陆半导体设备市场占全球市场34.45%的份额，对应国内市场空间约444.56亿元。 图1：薄膜沉积设备约占半导体晶圆制造设备总市场规模的22% 存储器件内部架构从2D到3D的转换以及先进逻辑器件多重曝光的使用推动薄膜沉积市场增速超过全球半导体设备市场增速。2013-2023年全球半导体薄膜沉积设备市场规模年均增速达到14.47%，仅次于干法刻蚀设备15.34%的增速。在 90nm CMOS芯片工艺中，大约需要40道薄膜沉积工序，而在FinFET工艺产线，大约需要超过100道薄膜沉积工序。 图2：2013-2023年刻蚀和薄膜沉积在半导体前道设备市场中增速最快 1.1、PECVD设备市场空间最大，ALD设备为先进逻辑、存储刚需 按照沉积薄膜的方法分类，可将薄膜沉积设备分为通过化学方法（CVD和EPI外延）和物理方法（PVD）沉积薄膜两大类。CVD设备按照所沉积的薄膜材料可分为绝缘介质CVD、金属薄膜CVD、半导体薄膜CVD；ALD主要沉积导体薄膜和绝缘介质薄膜；PVD设备主要沉积金属薄膜；EPI设备主要是用于生长硅和锗硅的外延。 以2023年数据计算，CVD设备中用于沉积介质薄膜的PECVD设备占比最高，达到31%，PECVD设备中，用于集成电路层间介质层、扩散阻挡层、钝化层的设备市场空间合计占比达61%。 当芯片制造工艺越来越先进，对ALD设备需求高增。根据SEMI数据，未来几年全球ALD市场复合增长率达到26.3%。其中，用于沉积high k材料、金属化合物、W/Co等的Thermal ALD市场空间占比预计比PE-ALD更高。 图3：PECVD在所有薄膜沉积市场中市场空间最大 1.2、薄膜沉积和刻蚀同属芯片制造的真空工艺设备，技术具备相通性 薄膜沉积和刻蚀设备有60%-70%的相近之处。 （1）从构造上看，CCP刻蚀设备构造和PECVD基本一致，上下电极都是电容板，中间通射频交流电；ICP刻蚀设备和HDPCVD相近，上电极是电感线圈，下电极是电容板。 （2）对于需要用到等离子体CVD技术的薄膜沉积设备（ 主要包括PECVD/HDPCVD/SACVD/PE-ALD等）和刻蚀设备来说，其工作原理都是气体经过平行电极（接地电极和射频激励电极）分解成等离子体然后注入到腔室里，下电极起到的作用是对进来的等离子体进行定向加速，然后产生化学反应生成固着的材料或去除材料。因此，等离子体源的先进程度和反应腔设计的能力是衡量薄膜沉积厂商产品开发能力的重要因素。反应腔设计，是指使得等离子体在腔室里的分布更加合理，从而产生实现最优薄膜覆盖程度的等离子反应。 图4：干法刻蚀设备可分为CCP和ICP设备 图5：PECVD设备结构和CCP刻蚀设备相近 图6：HDPCVD设备结构和ICP刻蚀设备相近 1.3、2023年薄膜沉积国产化率约22.7%，金属CVD、ALD、EPI设备是美日重点限制品类 以北方华创、拓荆科技、微导纳米、盛美上海以及其他非上市国产公司半导体薄膜沉积业务营收总和计算，2023年半导体薄膜沉积设备国产化率约为22.7%。 图7：2023年薄膜沉积国产化率约22.7% 2022年10月美国出台的出口管制法案和2023年5月日本出台的出口管制法案均对中国大陆进口海外先进薄膜沉积设备做出严格且详细的限制，涉及受限的设备品类以导体类CVD、ALD以及硅/锗硅EPI设备居多。其中，CVD市场全球至少70%的份额被美日厂商占据，ALD市场全球至少31%的份额被日本厂商占据。 图8：ASM和TEL共占据全球ALD市场60%份额 图9：CVD市场全球至少70%的份额被美日厂商占据 表1：美、日厂商所覆盖的薄膜沉积设备范围广泛 2、逻辑、存储器件所需的核心设备及国产化程度不尽相同 集成电路是依靠平面工艺一层一层制备起来的。对于逻辑器件来说，首先是在Si衬底上划分制备晶体管的区域，然后是离子注入实现N型和P型区域，其次是做栅极，随后又是离子注入，完成每一个晶体管的源极和漏极。这部分工艺流程是为了在Si衬底上实现N型和P型场效应晶体管，被称为前道(frontend of line，FEOL)工艺。 后端工艺（BEOL）实际上就是建立若干层的导电金属线，不同层金属线之间由柱状金属相连。目前大多选用Cu作为导电金属，因此后道又被称为Cu互联(interconnect)。这些铜线负责把衬底上的晶体管按设计的要求连接起来，实现特定的功能。从 7nm 节点到 3nm 节点，互连布线步骤大约增加了两倍。 图10：逻辑芯片依靠平面工艺一层一层制备起来 2.1、逻辑器件：国产厂商在成熟工艺段覆盖度高，先进制程仍有较大国产替代空间 在CMOS逻辑器件中，用量相对较大的是钝化层沉积氧化硅和氮化硅的PECVD设备以及BOEL段沉积层间介质层以及扩散阻挡层薄膜材料所需的PECVD设备。 对于先进逻辑芯片，从沉积难度来看，以下几个“层”的沉积难度大： （1）FOEL段HKMG结构，使用ALD设备沉积金属材料和high k介质材料。 可以看到TiN、TaN、TiAl、TiSiN本身属于化合物，需要经过化学反应形成，同时又是导体，因此在反应控制上具备很大难度。FOEL段，先进的芯片具有越来越复杂的结构和深而窄的沟槽，需要用HDPCVD、SACVD去填充SiO2 ,同样难度较大。 并且层间介质层用SACVD越来越多。 （2）BOEL段，使用PECVD沉积以下先进介质材料难度大：LoK I、Lok II、ADC I、ADC II。 （3）在三维晶体管Fin FET上生成Wu接触孔，比在DRAM等平面晶体管上难度更大。主要使用CVD、PVD设备。 图11：逻辑芯片不同工艺层所需的薄膜沉积设备不同 从国内厂商的布局来看，拓荆科技截至2023年年报已经实现PECVD薄膜材料应用领域全覆盖，ALD介质薄膜材料应用领域全覆盖。截至2024年中报公司HDPCVD已出货70个反应腔，新拓展超高深宽比CVD设备应用于先进逻辑器件制造。截至2024年上半年，北方华创已完成PVD、EPI的工艺全覆盖，在PECVD、HDPCVD、ALD领域也有相应布局。中微公司用于先进逻辑金属栅极的ALD TiN/TaN/TiAl设备已交付，同时向沉积high k材料的ALD设备、包括接触孔填充CVD在内的导体CVD以及各类PVD设备拓展。微导纳米已布局用于HKMG结构的ALD设备和用于沉积SiO₂、SiN、SiON的ALD设备。 表2：国产厂商已基本覆盖逻辑器件生产对薄膜沉积设备的需求 2.2、用于3D NAND薄膜沉积的核心PECVD、LPCVD、ALD设备已基本实现国产化 3D NAND工艺中的一个关键步骤是沉积氧化物/氮化物(ONON)多层薄膜。根据我们估算，该道工艺占3D NAND器件制造总工时的90%，价值量占比预计能达到35%以上。 针对3D NAND的金属类化学气相沉积设备主要是LPCVD和ALD（预计价值量占比接近20%）。字线的金属填充是替代栅极工艺中另一个关键的步骤。为了减少信号延迟，在牺牲层（如ONON堆栈中的氮化物）被移除后，字线还需要使用导电材料钨来进行回填。这个步骤技术难度较大，因为字线形状十分复杂，横向沉积工艺必须完全填充细长水平的结构字线，不能在替代栅极金属中留有任何空洞。另外在进行60:1高深宽刻蚀后还要进行60:1钨金属的沉积，这一步与字线金属填充共同构成3D NAND薄膜沉积中难度最大的两个步骤。 图12：沉积氧化物/氮化物多层薄膜是3D NAND所需薄膜沉积设备中价值量占比最高的环节 图13：高深宽填充和横向字线填充是3D NAND的高难度薄膜沉积环节 3、海外薄膜沉积龙头成长路径复盘：工艺设计创新与设备产 能领先铸就长期壁垒 3.1、Applied Materials：提供创新的材料工程解决方案，推动芯片效能不断向前 过去20年，集成电路行业遵循摩尔定律不断进行晶体管关键尺寸微缩，但2D缩放带来的回报正在递减，当遇到基本的物理障碍时，尺寸缩放不再同时带来性能和功耗的提高，材料创新以及对应工艺升级的重要性提升。新型材料被需求的关键之处在于接触孔和本地互联，即最小层面的金属互联。 图14：接触孔和互联金属材料创新是芯片向更先进节点迭代的主要需求 1997年，集成电路行业开始引入铜作为芯片后端金属层的布线材料，应用材料在当年发布用于阻挡/种子层铜沉积的PVD设备。更先进芯片结构的升级使得沟槽和通孔不断收缩，可用于导电金属的空