晶圆制造流程中的“小透明”

2018年美国对华发起贸易战，大众第一次听到了一个名词-光刻机。一时之间，光刻机成为显学，大家都在关注我们在这个领域发展到什么阶段，还有哪些差距。国家也发声，称要解决一系列卡脖子的技术难题，光刻机也赫然在列。但经过几年的发展，大家猛然发现，中国方案好像不能让光刻机一蹴而就，“弯道超车”好像是我们一厢情愿的美好幻想。

既然不能在单个环节中“弯道超车”，那是否可以在整个晶圆制造流程上“多点开花”呢？目前有多个中国企业正在聚焦光刻以外的其他流程，与国产光刻机共同发展，如若能乘着行业上行的东风实现关键技术突破，则中国半导体大业可兴矣！

光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备一直以来就是晶圆制造领域的三大主设备。大多数人知道光刻机，半数人可能知道蚀刻机，但非业内人士很少知道薄膜沉积设备，这不是说它不重要，而是在大家都在关注光刻机的现状下，就难免出现灯下黑，导致国产薄膜沉积设备成了默默发展的小透明。

如果把光刻环节比作在墙上涂鸦，那么薄膜沉积就是在墙上“刮大白”，实际操作起来就是利用化学或物理反应形成原子、离子、活性反应基团吸附在衬底表面，并发生化学反应或聚结，渐渐形成几纳米至几微米不等厚度的金属、介质、或半导体材料薄膜。其中主要设备有化学气相沉积设备(CVD)，物理气相沉积设备(PVD), 原子层沉积设备 (ALD),外延炉等。

（信息来源：MIR DATABANK）

快速增长的市场

随着半导体行业中“摩尔定律”仍旧发挥作用，芯片需要的薄膜层数越来越多，对应薄膜沉积工艺的步骤，在整个流程中的重复次数也不断增加，对于薄膜沉积设备的需求增速较快。根据MIR DATABANK数据表明，2021年中国半导体薄膜沉积设备市场规模（主要含CVD，ALD，PVD）达280.2亿元，增速约32%。预计未来两年晶圆厂持续扩产及制程不断先进仍将带来大量的薄膜沉积设备需求，市场规模增速仍将处于高位，市场空间广阔。

2017-2021年中国半导体薄膜沉积设备市场规模（M RMB）

（数据来源：MIR DATABANK）

市场有需求，再加上在整个晶圆制造中的小透明位置，薄膜沉积设备绝对是国内厂商“多点开花”的最好切入点之一。

外资豪强林立，内资突围道阻且长

内资厂商在薄膜沉积设备上的战略上，没有在所有工艺技术上一味的跟随，而是专注某一点，选择更加适合自己企业发展的技术路线，进行单点突破。这一策略与目前国内薄膜沉积设备市场格局密不可分，当下中国的薄膜沉积设备市场绝大部分份额仍然被美国及日韩厂商占据，规模最大的CVD产品线聚集了应用材料（AMAT）、泛林半导体（LAM）、东京电子（TEL）等一众传统豪强，国产厂商中，沈阳拓荆，北方华创在外资的城墙中撕开了一道口子。

2021年中国半导体CVD市场份额（M RMB）

（数据来源：MIR DATABANK）

PVD市场则呈现一家独大的局面，外资的应用材料（AMAT）占据近60%的市场份额。国产厂商方面跑出来的主要是北方华创，其exiTin H430 TiN 金属硬掩膜 PVD是国内首台针对40nm 以下制程的12英寸金属硬掩膜设备，目前已适配28nm工艺需求。

技术注定是国产厂商突围道路上绕不开的拦路虎，虽然沈阳拓荆、北方华创等国产薄膜沉积设备厂商近些年发展非常迅速，已经获得国内主流晶圆厂订单并顺利交付，但综合来看，中国半导体薄膜沉积设备的国产化率，仍不足10%，还有很大的成长空间。

CVD的技术发展历经阶段长，发展技术分支多，目前PECVD是几种技术类型中，市场规模占比最高的设备类型。此外，ALD作为CVD技术的延伸，其工艺具有自限制生长的特点，可精确控制薄膜的厚度，制备的薄膜具有均匀的厚度和优异的一致性等特点，因此其在 28nm 以下关键尺寸缩小的双曝光工艺方面取得了越来越广泛的应用，这也是未来晶圆制造发展的一个大趋势。在该领域，国产厂商沈阳拓荆、北方华创在SACVD，PECVD，ALD，LPCVD，APCVD等技术上已经取得了一些突破，并正在研发更加先进的设备，但目前相比于外资厂商如AMAT，仍存在差距。

（数据来源：MIR 睿工业根据公开资料整理）

PVD的技术发展，主要表现在金属材料和对应尺寸的变化上：金属材料从早期的Al互联，发展到Cu互联，以及钨、钴、氮化钛（TiN）等为材料的硬掩膜PVD工艺。尺寸上是按照摩尔定律的逻辑向着微型化，密集化，垂直互连的方向发展的。一般来说，在 32nm 以下工艺中，通常使用氮化钛 (TiN)来作为线间电介质材料，以解决金属互联线距离过近所产生的寄生电容效应。在PVD领域国产厂商北方华创采用Al互联TiN硬质掩膜，在28nm芯片制程上已经取得了一些突破，并正在研发更加先进的设备；但目前外资厂商如AMAT的PVD设备已经能够对应5nm芯片支撑，相比之下可以看出其中差距还是不小的。

（数据来源：MIR 睿工业根据公开资料整理）

国字号选手大有可为

目前看来，CVD市场是比较有希望实现本土企业在该领域中关键性技术突破的，因为这个市场集中度相对不高，单个外资厂商的垄断地位不明显。2022年4月20日，沈阳拓荆在科创板上市，2020年其在CVD市场的份额达到了3.1%，这说明在CVD领域由外资厂商浇筑的这面城墙已经开始被国产厂商渗透进去了。

沈阳拓荆有着国企的血脉，2010年4月由中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司与孙丽杰出资成立。因为是中科院直属系统的分支，从一成立，沈阳拓荆骨子里就有着技术研发的血液，先后承担了“ 90-65nm 等离子体增强化学气相沉积设备研发与应用”、“ 1x nm 3D NAND PECVD 研发及产业化”等四项国家重大科技专项/课题。在研发过程中，重点攻克解决了半导体制造中纳米级厚度薄膜均匀一致性、薄膜表面颗粒数量少、快速成膜、设备产能稳定高速等关键难题。

沈阳拓荆以PECVD为产品核心，已适配180nm~14nm逻辑芯片、19/17nm DRAM 及 64/128 层 FLASH 制造工艺需求，在其主营业务营收中，占比超过90%；ALD产品是在其PECVD核心技术基础上进行创新设计，已适配 55-14nm逻辑芯片制造工艺需求，并正在进行Thermal ALD 产品的研发；SACVD产品方面，目前沈阳拓荆是国内唯一一家可以达到产业化应用的企业，适配 12 英寸 40/28nm 以及 8 英寸90nm 以上的逻辑芯片制造工艺需求。

（信息来源：沈阳拓荆招股说明书，MIR睿工业整理）

目前在产业化进程中也在国产厂商中走得比较靠前，其产品获得了国内一些半导体集成电路晶圆制造厂的认可，国内典型客户包括：中芯国际，华虹集团、长江存储、积塔半导体、浙江创芯、合肥晶合、粤芯半导体等。

（信息来源：沈阳拓荆招股说明书，MIR睿工业整理）

薄膜沉积设备领域跑出来的典型玩家，除了拓荆，北方华创也是有国字号血脉的企业，其前身是由北京电子控股有限公司整合原国营700厂、706厂、707厂、718厂、797厂、798厂的优质资产和业务而成立的。其主要产品包括LPCVD、APCVD等，目前已适配28nm及以上工艺需求。这充分说明在高端设备领域，拥有国企背景的产学研结合模式是行之有效的道路，这种模式对技术人才十分注重，以沈阳拓荆技术为例，其研发人员有189人，技术支持人员129人，两类技术人员人数占公司总人数的比例超过70%，这个比例，即便是在本身技术密集的半导体设备行业里，也是相当高的水平。可以预见未来在这条赛道上国字号选手将会继续发力，背靠产学研体系，给产业发展注入新鲜活力，也为推进国产化技术突破做出重要贡献。

沈阳拓荆是继中微半导体、芯源微电子、盛美半导体、华峰测控等之后，又一位在科创板上市的国产突围者，足以看出资本对薄膜沉积设备领域的看好。这些公司，在半导体设备上，往往只专注于某一两个细分领域，而不是像头部的外资厂商如AMAT、LAM、TEL、ASM等具备比较全面的产品线，能够覆盖半导体制造流程的多项工艺。但笔者认为，在产业发展初期阶段，国产厂商的这种专一专注，是更快的实现技术突破，更快实现国产化率提升的重要发展模式。