原子层沉积镀膜系统行业投资潜力及发展前景

原子层沉积镀膜系统行业投资潜力及发展前景 一、 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554．18亿元增长至2019年的905．70亿元。2020年，中国半导体设备市场亦保持快速增长趋势，销售额为1260．62亿元，同比增长达39．2%，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1993．35亿元，同比增长达58．1%，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2745．15亿元。 （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1147．96亿元，同比分别增长84．3%和56．4%。 （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11．2%，预计2025年可达340亿美元。根据Gartner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26．3%，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。 二、 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。 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。 四、 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。 五、 半导体设备定义及产业链 半导体专用设备泛指用于生产各类半导体产品所需的生产设备，属于半导体行业产业链的支撑环节。在整个芯片制造和封测过程中，会经过上千道加工工序，细分又可以划分出百种不同的机台，占比较大市场份额的主要有：光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、分选机、探针台等。 半导体设备产业链中，上游为零部件和系统软件；中游为半导体设备，光