- 薄膜沉積設備CVD和PVD多線并舉，國內設備廠應在量大面廣的PECVD、ALD以及PVD領域加強研發與量產；

- 在下游晶圓廠擴產增效、邏輯芯片代工廠先進產線占比提升以及3D NAND技術普及等，均將進一步推動薄膜沉積設備的行業空間擴容，并對薄膜工藝和材料的精密化、多樣化要求催生更多行業增長點，為國產替代提供新契機；

- 半導體設備的國產化是一大系統工程，國內薄膜沉積設備廠商要從加強研發開始，注重專利池，同時也需要代工廠在供應鏈環節，給予國內設計廠商更多的驗證與試錯機會，并借力并購來不斷發展壯大。

實現我國半導體產業鏈的自主可控，半導體設備可謂至關重要，直接關系芯片設計能否落成實物、產品可靠性和良率能否達到設計標準、國內行業是否能夠參與全球競爭。而晶圓制造是半導體制造過程中最關鍵也是最復雜的環節，占比為80%左右。據預測，今年全球半導體設備市場規模預計將達到953億美元，其中817億美元來自制造設備。

晶圓制造過程包括數百道工藝流程，涉及數十種半導體設備，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往復，其中光刻機、刻蝕機、薄膜沉積設備的技術難度最大，價值量占比最高，可謂是三大劍客，占據70%以上的市場。

薄膜沉積設備可以說牽一發而動全身。當前，我國半導體設備依舊高度依賴于海外企業，并且在核心技術和零部件上受到一定的限制。而中國作為半導體設備的重要市場，隨著各地半導體項目的林立，晶圓代工廠的產能擴建熱潮以及自主可控進程的推進，薄膜沉積設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節，薄膜沉積指在半導體的主要襯底材料“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，用來鍍膜的這一設備就叫薄膜沉積設備。

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

這兩大類設備各有用武之地，互為補充。

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材料氣態化，然后使蒸汽在襯底表面凝結形成固態薄膜，多應用于金屬的沉積。PVD工藝在經歷了不斷的演變之后，由于濺射設備制備的薄膜更加均勻、致密，對襯底附著性強，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反應在硅片表面沉積薄膜的工藝，可應用于絕緣薄膜、多晶硅以及金屬薄膜的沉積。根據反應條件的不同又分為常壓CVD（APCVD）、低壓CVD（LPCVD）、等離子體增強CVD（PECVD）、高密度等離子體CVD（HDPCVD）以及原子層沉積（ALD）。APCVD主要應用在二氧化硅和氮化硅的沉積，LPCVD主要應用于多晶硅、二氧化硅及氮化硅的沉積。PECVD通過等離子產生的自由基來增加化學反應速度，可以利用相對較低的溫度達到較高的沉積速率，廣泛應用于氧化硅、氮化硅、低k、ESL和其他電介質薄膜沉積。

從市場需求來看，由于薄膜沉積工藝中CVD技術路線較多，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用正在增加。據Gartner統計，CVD始終是應用最廣的沉積設備，市場空間近90億美元，占沉積設備整體市場份額的64%。其中，等離子體CVD與原子層沉積ALD成為最主流的CVD技術，分別占到34%和13%的市場份額。PVD的應用僅次于CVD，2020年濺射PVD設備的市場空間達到近30億美元，占比21%，應用僅次于等離子體CVD。

要注意的是，一方面，PECVD 正成為化學氣相沉積的主流技術。引入等離子體可有效降低沉積工藝的熱預算，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勢，在銅種子層、高K柵介質淀積等工序中發揮著重要的作用，是新一代納米級CVD工藝。

據Gartner統計，2020年全球薄膜沉積設備市場空間約140億美元，占晶圓廠設備投資額的25%。到2024年PECVD和ALD將分別占據CVD設備市場的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，加上應對全球缺芯以及加強制造業回流之舉，全球晶圓廠進入新一輪擴產周期，FAB廠商也在不斷上調資本開支預期。2021年半導體設備投資額有望實現30%以上增速。根據SEMI報告，預測全球半導體制造設備市場2021年全年將增長34%達到953億美元，2022年有望再創新高突破1000億美元大關。此外，受益于大陸晶圓廠擴產增效，2020年大陸半導體設備銷售額187.2億美元，同比增長39%，首次超過中國臺灣地區成為全球第一大半導體設備市場，占全球份額由2016年的16%升至26%。

同時，隨著產線的逐漸升級和先進制程產線占比提高，晶圓制造的復雜度和工序量都大大提升，對薄膜沉積設備數量和性能的需求將繼續隨之提升。據Gartner數據，預計到2024年用于7nm以下制程的半導體設備出貨量占比有望突破30%。以SMIC的180nm的8英寸產線和90nm的12英寸產線為例，在實現相同芯片等效產能的情況下，對薄膜沉積設備的需求量將相應增加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，即多重模板效應來實現，這將使得相關薄膜設備的加工步驟增多，薄膜設備廠商將充分受益。而且，在閃存方面，隨著主流制造工藝已由2D發展為3D結構，其堆疊層數與薄膜工序直接掛鉤，隨著3D NAND的內部層數不斷增高，對于薄膜沉積設備的需求提升的趨勢亦將延續。

展望未來，在下游晶圓廠擴產增效、邏輯芯片代工廠先進產線占比提升以及3D NAND技術普及等，均將進一步推動薄膜沉積設備的行業空間擴容。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增長點，為國產替代提供契機。

更要注意的是，先進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增長點，產生各種薄膜沉積工藝設備份額的變化，并為國產替代提供契機。在薄膜性能方面，先進制程的前段工藝對薄膜均勻性、顆粒數量控制、金屬污染控制的要求逐步提高，在設備種類方面，薄膜厚度控制精準的ALD等設備將被更多地引入產線。

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

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

據Gartner統計，2020年應用材料、泛林半導體、東京電子在全球沉積設備的市場份額分別達到43%、19%和11%。應用材料產品譜系最為全面，PVD 設備獨占 85%細分市場份額，在等離子體CVD中也有近49%的份額；泛林半導體在CVD及沉積后處理工藝布局全面，ECD設備一家獨大；東京電子以11%占有率位列第三，在管式CVD設備市場占有率達46%，APCVD、LPCVD 及 ALD 均處在行業前列。此外，半導體設備巨頭ASMI則在適用于先進制程的ALD具備較強的技術儲備，在相應細分市場占有率46%。

2020年全球薄膜沉積市場格局 來源：Gartner

相較于國內設備市場擴容速度，國產化率仍處在較低水平，未來薄膜沉積設備國產替代具備廣闊空間。

國產化突破之路

在薄膜沉積設備的賽道上，國內廠商也在多線布局，但國產化率僅有2%，98%依賴進口，未來替代空間巨大。

據集微咨詢（JW insights）不完全統計，在CVD領域，主要廠商有北方華創、中微半導體、拓荊科技、中電科48所、中晟光電、沈陽科儀等，PVD領域相對較少，主要有北方華創、中電科48所、沈陽科儀、創世威納等。

在這些廠商中，北方華創、拓荊科技和中微公司處于領先地位。

北方華創在CVD、PVD等相關設備領域已取得多項突破，覆蓋了90-14nm多個制程。在PVD設備方面，北方華創突破了多項關鍵技術，建立了具有自主知識產權的核心技術優勢，并成功進入國際供應鏈體系。在CVD設備方面，先后完成了PECVD、APCVD、LPCVD、ALD等設備的開發，憑借優秀的工藝性能和產能優勢，在國內外客戶獲得批量應用。此外，在ALD設備方面也實現了零的突破。

拓荊科技則發力PECVD、ALD和SACVD三大類設備，已廣泛應用于國內晶圓廠14nm及以上制程集成電路制造產線，并已開展10nm及以下制程的驗證測試。ALD設備在國內處于領先地位，同時也是國內唯一一家產業化應用的集成電路SACVD設備廠商。

而中微半導體除在刻蝕設備深耕之外，在薄膜沉積設備領域也在強力攻關，持有拓荊科技11.2%股份。為與拓荊科技形成技術互補，中微半導體在薄膜沉積技術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等設備的開發及工藝應用開發。

目前來看，單靠一家公司很難覆蓋全部CVD設備，北方華創、拓荊科技、中微公司等國內廠商應各有側重，全面布局，將有望實現國產設備在CVD設備的全覆蓋，當然這還需要時間。

對于薄膜沉積設備的國產化之路，集微咨詢（JW insights）認為，一方面半導體設備的國產化是一大系統工程，國內薄膜沉積設備廠商要從加強研發開始，因半導體制造設備行業是一個高技術壁壘、高資金壁壘和高市場壁壘等為特征的行業，研發周期長，前期需要持續的研發投入。而技術創新能力將是半導體設備企業平臺化、國際化的源動力，技術差異化創新也將是本土半導體設備企業縮小與國際品牌之間的差距，實現客戶全球化的必經之路。

另一方面，半導體制造設備的驗證壁壘高，從設備樣機下線到最終交付客戶需要至少2年的時間，產業化周期長。因而這也需要代工廠在供應鏈環節，給予國內設計廠商更多的驗證與試錯機會，同時國內設備廠對于關鍵試錯結果要能迅速改正及提高，只有反復多次，才能逐步滿足量產要求。否則，成本很難降下來，質量也難以提升。

隨著中芯國際、長江存儲、粵芯等擴產將在2022年進一步加大幅度，士蘭微、華虹華力、聞泰等持續擴產，2022年是本土晶圓廠將進行產能最大幅度擴張和制程技術持續提升的一年，是本土晶圓廠重塑行業格局、奠定行業地位的一年，因此本土半導體設備需求也將迎來邊際變化較大的一年，國內在相對成熟設備PVD、PECVD等要著力尋求市占率的進一步大幅提升，在新設備領域尋求更多的驗證機會。

同時，要注重的是當國內設備廠商占據足夠的市場份額之際，一定會面臨專利糾紛。專利是國際半導體設備企業相互遵循的競爭準則，國內半導體設備廠商一定要培養專利意識，把控好專利特征度、創新性、有效性、合規穩定性，形成技術威懾力才能有助于更長遠地發展。

此外，國外半導體設備巨頭在行業深耕多年，已構筑了堅固的護城河，國內半導體制造設備企業目前還處于從0到1的突破階段，部分環節處于從1到N的升級階段，與國外巨頭存在很大差距。因而，在適當時機通過并購等外延式成長途徑擴大產品和市場覆蓋對于處于攻堅階段的國內薄膜設備廠商來說是十分必要的。