原子层沉积镀膜系统行业市场需求与投资规划

原子层沉积镀膜系统行业市场需求与投资规划 一、 半导体设备行业发展面临的机遇与挑战 （一）半导体设备行业发展面临的机遇 1、清洁能源发展以及光伏产业降本提效带动半导体设备行业持续发展 过去对传统能源如煤炭、石油、天然气等化石能源的过度依赖已导致严重的生态环境问题，使得国际社会对保障能源安全、保护生态环境、应对气候变化等问题日益重视。而太阳能作为最重要的可再生能源之一，具有资源普遍可及、便于应用、成本低等优势，是替代化石能源的主力能源之一，已经成为世界范围内应对气候变化的共同选择。 近年来，全球多个国家陆续出台了一系列鼓励和扶持太阳能光伏产业发展的政策，为各国光伏产业的健康、持续发展创造了良好的政策环境。中国在2020年9月提出了二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标；2021年3月12日发布的国民经济《第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出，推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力，加快发展非化石能源，坚持集中式和分布式并举，大力提升风电、光伏发电规模。 通过数十年的持续研发，光伏产业主要原材料的价格已经大幅下降，技术不断迭代升级，光电转换效率稳步提升，与之相对的，光伏领域的专用设备行业技术也将大幅提升。随着行业技术的持续进步与生产成本的不断下降，光伏发电的综合成本有望维持降低趋势。这将有助于光伏发电的大规模普及应用，进而使得高性能光伏专用设备的市场规模呈现持续扩张态势。 2、半导体产能转移以及背景使得国内设备厂商面临发展机遇 中国大陆作为全球最大半导体终端产品消费市场，随着国际产能不断向中国转移，半导体企业纷纷在中国投资建厂，国内半导体产业的规模不断扩大，设备需求将不断增长。持续的产能转移不仅带动了国内半导体整体产业规模和技术水平的提高，为半导体专用设备制造业提供了巨大的市场空间，也促进了国内半导体产业专业人才的培养及配套行业的发展，半导体产业环境的良性发展为中国半导体专用设备制造业产业的扩张和升级提供了机遇。 在半导体领域，元器件逐步呈现高密度、高深宽比结构，部分核心工艺通过传统方式难以实现，ALD设备在该类应用中已通过国外大型集成电路晶圆制造厂商的量产验证。与此同时，从中美贸易战开始，限制了通过国际采购获得先进设备渠道。在此背景下，我国半导体设备提升国产化率的任务迫在眉睫，随着国内核心晶圆厂商规模扩大和工艺提升，国内设备厂商面临发展机遇。 （二）半导体设备行业发展面临的挑战 光伏半导体等专用设备属于典型技术密集型行业，对于技术人员的知识背景、研发能力及操作经验积累均有较高要求。由于中国研发起步较晚，业内人才和技术水平仍然较为缺乏，在一定程度上制约了行业的快速发展。随着市场的日臻成熟与下游需求的推动，专业人才缺乏的矛盾将会更加突出。 国产高端专用设备总体起步较晚，对零部件市场拉动时间较短，高端专用设备零部件配套能力较弱，影响专用设备的优化周期和制造成本。 二、 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。 三、 测试设备：晶圆质量把关人 晶圆与芯片两大检测领域，三大设备协同作用。集成电路生产需要检测工艺是否合格、版图设计是否合理、产品是否可靠，而这些都需要用到专门的测试设备，以此提高芯片制造水平，保证芯片质量。测试设备主要有测试机、分选机和探针台三大类设备，其中测试机用于检测芯片功能和性能，对芯片施加输入信号，采集输出信号来判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性；而分选机和探针台则是将芯片的引脚与测试机的功能模块起来，进而实现批量自动化测试。在晶圆检测中，探针台将晶圆传送至测试位置，芯片的Pad点通过探针、专用连接线与测试机连接，测试机通过I/O信号，判断芯片性能是够是否达到规范设计要求。在芯片检测中，分选机将被测芯片逐个自动传送至测试工位，测试机对芯片进行性能检测，最后分选机将被测芯片进行标记、分选、收料。 预计2022年全球半导体测试设备市场规模达到82亿美元。根据华经产业研究院，2021年全球半导体测试设备市场规模为78亿美元，同比增长30%，预计2022年测试设备增长5%，达到82亿美元。对于细分的半导体测试设备，2021年全球测试机、分选机和探针机占半导体测试设备的比例分别为63．1%、17．4%和15．2%，市场规模约为49．2、13．6、11．9亿美元。据此可以简单估算，2022年测试机、分选机和探针机的全球市场规模分别约为51．7、14．3和12．5亿美元。 数字测试机相比于模拟测试机难度较高，SoC占据主要市场份额。根据测试对象的不同，测试机可以分为SoC、存储、模拟和RF等，其中数字测试机主要包括SoC和存储测试机。相比于模拟测试机，数字测试机的技术难度更高。从市场份额来看，SoC测试机占据60%份额，与存储测试机共同占据全球80%市场份额。 测试机领域国产份额较低，本土厂商逐步追赶。全球测试机行业被泰瑞达和爱德万占据大部分市场份额，据华经情报网援引SEMI数据，2021年全球半导体测试机市场中泰瑞达、爱德万和科休的市场份额占比分别为51%、33%、11%，合计市占率为95%，份额高度集中。在国内市场，竞争格局相对分散，国内厂商华峰测控和长川科技的市占率分别为8%和5%，正逐步追赶当中，长川科技数字测试机等产品已经实现有效突破。 四、 半导体设备行业发展政策 半导体设备是半导体产业发展的基础和技术进步的关键，在半导体产业中占有重要地位。为推动半导体设备行业发展，增强产业创新能力和国际竞争力，我国近年来从战略地位、人才、资金、技术、税收、市场等各方面出台了一系列支持性政策。 五、 图形刻画：光刻机必不可少 光刻是将设计好的电路图从掩膜版转印到晶圆表面的光刻胶上，通过曝光、显影将目标图形印刻到特定材料上的技术，可以简单理解为画图过程，是晶圆制造中最重要的技术。光刻工艺包括三个核心流程：涂胶、对准和曝光以及光刻胶显影，整个过程涉及光刻机，涂胶显影机、量测设备以及清洗设备等多种核心设备，其中价值量最大且技术壁垒最高的部分就是光刻机。 光刻机经过多年发展，已经演化出五代产品，由光源波长进行区分可以分为可见光（g-line），紫外光（i-line），深紫外光（KrF、ArF）以及极紫外（EUV）几大类，从工作类型又可以分为接触式、扫描式、步进式、浸没式等方式。不同类型的光刻机主要是为了满足日益提升的制程需求，当前最先进的3nm制程只能通过EUV光刻机才能实现。 全世界没有任何一家公司可以独立制造光刻机，其生产技术要求极高，可以分为十一个主要部件，包含超过十万个零件，涉及上下游多家供应商，具有极强的生态属性。光刻机的主要部件有工件台、激光源、光束矫正器、能量控制器、光束形状设置、遮光器、能量探测器、掩模台、物镜、封闭框架与减震器。 目前全球光刻机市场几乎由ASML、尼康和佳能三家厂商垄断，其中又以ASML一家独大。由于光刻机需要超十万个零部件，在各大晶圆厂不断扩产的背景下，光刻机的交货时间一再推迟，EUV光刻机的交期已经推迟到24个月以后。从销量来看，2021年ASML占比65%，出货量达到309台，力压尼康和佳能，其中EUV/ArFi/ArF高端光刻机占比分别为100%/95．3%/88%。从销额来看，EUV光刻机单价超过1亿欧元，最新一代0．55NA大数值孔径EUV光刻机单价甚至超过4亿欧元，全球仅有ASML可提供，使其占据市场绝对龙头地位，2021年市场份额达到85．8%。 目前国内具备光刻机生产能力的企业主要是上海微电子装备，主要致力于半导体装备、泛半导体装备、高端智能装备的开发、设计、制造、销售及技术服务。公司设备广泛应用于集成电路前道、先进封装、FPD面板、MEMS、LED、PowerDevices等制造领域。公司的光刻机产品有SSX600和SSB500两个系列，其中SSX600系列主要应用于IC前道光刻工艺，可满足IC前道制造90nm、110nm、280nm关键层和非关键层的光刻工艺需求；SSB500系列光刻机主要应用于IC后道先进封装工艺。