半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)專題報告：薄膜沉積設(shè)備-受益于國產(chǎn)化率提升

1、半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)專題報告：薄膜沉積設(shè)備_受益于國產(chǎn)化率提升1. 薄膜沉積是半導(dǎo)體工藝三大核心步驟之一晶圓制造包括氧化擴(kuò)散、光刻、刻蝕、薄膜沉積、離子注入、清洗與拋光、金屬化七大流程。半 導(dǎo)體設(shè)備是半導(dǎo)體生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體設(shè)備先進(jìn)程度直接決定了半導(dǎo)體生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。 其中薄膜沉積設(shè)備制造技術(shù)難度大，門檻極高，是半導(dǎo)體制造工藝中的三大核心設(shè)備之一（另外 兩者為光刻設(shè)備和刻蝕設(shè)備）。薄膜沉積設(shè)備作為晶圓制造的核心設(shè)備之一，在晶圓制造環(huán)節(jié)設(shè)備投資占比僅次于光刻機(jī)，約占 25%。根據(jù) SEMI 和 Maximize Market Research 的統(tǒng)計，2020年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模達(dá)到 712

2、 億美元，其中薄膜沉積設(shè)備市場規(guī)模約 172 億美元。根據(jù)工作原理的不同，集成電路薄膜沉積可分為物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和其他。 薄膜沉積工藝不斷發(fā)展，根據(jù)不同的應(yīng)用演化出了 PECVD、濺射 PVD、ALD、LPCVD 等不同的 設(shè)備用于晶圓制造的不同工藝。目前，全球薄膜沉積設(shè)備中 CVD類設(shè)備占比最高，2020年占比 64%，濺射PVD設(shè)備占比 21%。 CVD 設(shè)備中，PECVD 是主流的設(shè)備類型，2020 年在 CVD 設(shè)備中占比 53%，其次為 ALD 設(shè)備， 占比 20%。2. 多因素驅(qū)動國產(chǎn)薄膜沉積設(shè)備需求國內(nèi)產(chǎn)線建設(shè)極大拉動國產(chǎn)設(shè)備需求。半導(dǎo)體設(shè)備市場主要

3、由美國、日本廠商主導(dǎo)，貿(mào)易摩擦背景下，半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化訴求增強(qiáng)，長江存儲、上海積塔、中芯國際、華虹、士蘭微、合肥晶合 等國內(nèi)晶圓廠在新增產(chǎn)能建設(shè)過程中積極導(dǎo)入國產(chǎn)設(shè)備，極大拉動國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備需求。芯片工藝進(jìn)步及結(jié)構(gòu)復(fù)雜化拉動高性能薄膜設(shè)備需求。隨著集成電路的持續(xù)發(fā)展，晶圓制造工藝 不斷走向精密化，芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度也不斷提高，需要在更微小的線寬上制造，制造商要求制備 的薄膜品種隨之增加，最終用戶對薄膜性能的要求也日益提高。這一趨勢對薄膜沉積設(shè)備產(chǎn)生了更高的技術(shù)要求，市場對于高性能薄膜設(shè)備的依賴逐漸增加。以 CVD設(shè)備演進(jìn)為例，相比傳統(tǒng)的 APCVD、LPCVD設(shè)備，PECVD設(shè)備在相對較低的反應(yīng)

4、溫度下形成高致密度、高性能薄膜，不破 壞已有薄膜和已形成的底層電路，實現(xiàn)更快的薄膜沉積速度，已成為芯片制造薄膜沉積工藝中運 用最廣泛的設(shè)備種類，未來 HDPCVD、FCVD 應(yīng)用有望增加。ALD 設(shè)備亦有望在 14nm 及以下制 程邏輯芯片、17nm 及以下 DRAM 芯片中得到更廣泛應(yīng)用；國內(nèi)長鑫存儲已實現(xiàn) 19nm DRAM 芯片量產(chǎn)，未來 17nm 亦有望取得突破，帶動國內(nèi)高端薄膜沉積設(shè)備需求。制程升級帶動薄膜沉積設(shè)備用量提升。在摩爾定律的推動下，元器件集成度的大幅提高要求集成 電路線寬不斷縮小，影響集成電路制造工序愈為復(fù)雜。尤其當(dāng)線寬向 7 納米及以下制程發(fā)展，當(dāng) 前市場普遍使用的光刻

5、機(jī)受波長的限制精度無法滿足要求，需要采用多重曝光工藝，重復(fù)多次薄 膜沉積和刻蝕工序以實現(xiàn)更小的線寬，使得薄膜沉積次數(shù)顯著增加。在 90nm CMOS 工藝，大約 需要 40 道薄膜沉積工序。在 3nm FinFET工藝產(chǎn)線，需要超過 100 道薄膜沉積工序，對于薄膜顆粒的要求也由微米級提高到納米級。薄膜沉積設(shè)備用量方面，以中芯國際為例，一條 1 萬片產(chǎn)能 的 180nm 8 寸晶圓產(chǎn)線 CVD 和 PVD 設(shè)備用量平均約為 9.9臺和 4.8 臺，而一條 1 萬片 90nm 12 寸晶圓產(chǎn)線 CVD 和 PVD 設(shè)備用量分別可達(dá) 42臺和 24 臺。3D NAND 堆疊層數(shù)增加拉動薄膜沉積設(shè)備

6、需求。存儲器領(lǐng)域制造工藝中，目前增加集成度的主 要方法是增大三維立體堆疊的層數(shù)，疊堆層數(shù)從 32/64層向 128/196 層發(fā)展，每層均需要經(jīng)過薄 膜沉積工藝步驟，催生出更多設(shè)備需求。目前，國內(nèi)長江存儲已實現(xiàn) 128 層 QLC/TCL 3D NAND 量產(chǎn)，并且 1期工廠已達(dá)到滿產(chǎn)；未來 192 層 3D NAND 也有望取得突破，更高層數(shù) 3D NAND 產(chǎn)能建設(shè)將產(chǎn)生更多的薄膜沉積設(shè)備需 求。3. 國內(nèi)廠商錯位發(fā)展，共同受益國產(chǎn)化率提升全球薄膜沉積設(shè)備市場由應(yīng)用材料（AMAT）、泛林半導(dǎo)體（Lam Research）、東京電子（TEL） 和先晶半導(dǎo)體（ASM）等國際巨頭公司壟斷。薄膜沉

7、積設(shè)備國產(chǎn)化率估計僅5.5%（按設(shè)備數(shù)量口徑）。近年來我國半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化速度快速 增長，但總體看我國半導(dǎo)體行業(yè)制造仍需大量進(jìn)口設(shè)備支持，國產(chǎn)化依然處于較低水平。我們統(tǒng) 計了 2020 年 1 月 1 日以來國內(nèi)部分主要晶圓制造產(chǎn)線的薄膜沉積設(shè)備招標(biāo)情況，6 家廠商共招標(biāo) 薄膜沉積設(shè)備 1060 臺（僅 PVD 和 CVD 類設(shè)備），國內(nèi)廠商中標(biāo) 58 臺，其中拓荊科技中標(biāo) 40 臺（主要為 PECVD 設(shè)備），國內(nèi)市占率為 3.8%；北方華創(chuàng)中標(biāo) 18 臺（主要為 PVD 設(shè)備），國 內(nèi)市占率 1.7%。總體來看，目前國內(nèi)薄膜沉積設(shè)備國產(chǎn)化率估計僅 5.5%（按設(shè)備數(shù)量口徑）。國內(nèi)廠商尚不存

8、在直接競爭，共同受益國產(chǎn)化率提升：1） 拓荊科技引領(lǐng) PECVD 國產(chǎn)化：拓荊科技具備 CVD、ALD 供應(yīng)能力，CVD 產(chǎn)品包括 PECVD 和 SACVD，其中主力產(chǎn)品為 PECVD，盡管北方華創(chuàng)也有 PECVD 產(chǎn)品，但目前主要應(yīng)用于 光伏/LED/功率器件/MEMS 領(lǐng)域。拓荊科技也是國內(nèi)唯一一家產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn) SACVD 設(shè)備的廠 商，而北方華創(chuàng) CVD 產(chǎn)品除 PECVD 外主要為 LPCVD、APCVD。ALD 產(chǎn)品方面，拓荊科技 與北方華創(chuàng)產(chǎn)品應(yīng)用工藝有所差異（拓荊科技 ALD 應(yīng)用于 SADP 工藝、STI 表面薄膜；北方 華創(chuàng) ALD 應(yīng)用于 HKMG 工藝）。由此可見，拓荊科

9、技與北方華創(chuàng)尚不存在直接競爭。2） 北方華創(chuàng) PVD 優(yōu)勢顯著：北方華創(chuàng)薄膜沉積產(chǎn)品線較為全面，具備 PVD、CVD、ALD 產(chǎn)品 供應(yīng)能力，在 PVD 設(shè)備領(lǐng)域競爭優(yōu)勢顯著，國內(nèi)產(chǎn)線導(dǎo)入的國產(chǎn) PVD 設(shè)備基本均出自北方 華創(chuàng)。拓荊科技、中微公司尚不具備 PVD 產(chǎn)品供應(yīng)能力。3） 中微公司主要為 MOCVD 設(shè)備，為北方華創(chuàng)、拓荊科技未產(chǎn)業(yè)化涉足的領(lǐng)域，產(chǎn)品應(yīng)用于 LED、miniLED 化合物半導(dǎo)體，主要客戶為乾照光電、三安光電等 LED 生產(chǎn)廠商，中微在 LED 及 miniLED 的 MOCVD 領(lǐng)域占據(jù)國內(nèi)大多數(shù)份額。中微是拓荊的第三大股東，持有拓荊 11%股權(quán)，中微也已組建團(tuán)隊開

10、發(fā) LPCVD 和 EPI 設(shè)備。4. 投資分析1) 拓荊科技 引領(lǐng) PECVD 設(shè)備國產(chǎn)化PECVD 設(shè)備為公司主要收入來源，研發(fā)持續(xù)投入。拓荊科技多年來致力于高端半導(dǎo)體設(shè)備的研 發(fā)、生產(chǎn)、銷售和技術(shù)服務(wù)，已成為國家高新技術(shù)代表企業(yè)之一。目前公司主要專注于薄膜沉積 設(shè)備，其產(chǎn)品包括等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）設(shè)備、原子層沉積（ALD）設(shè)備和次常 壓化學(xué)氣相沉積（SACVD）設(shè)備三大系列，已廣泛適用于國內(nèi) 14nm 及以上制程集成電路制造產(chǎn) 線，并持續(xù)加強(qiáng) 10nm 及以下先進(jìn)制程產(chǎn)品的驗證與測試。2020 年，公司實現(xiàn)營業(yè)收入 4.36 億 元，同比大幅增長 73%，毛利率 34%

11、。其中，PECVD 設(shè)備營收為 4.18 億元，是公司主要收入來 源；ALD 和 SACVD 設(shè)備分別為 184 萬元、867 萬元。公司近年來持續(xù)強(qiáng)化產(chǎn)品研發(fā)投入，2020 年研發(fā)費用為 1.23 億元，占營業(yè)收入比 28%。拓荊科技是國內(nèi)唯一產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用集成電路 PECVD 設(shè)備的廠商。公司該系列設(shè)備最大優(yōu)勢是在滿 足工藝需求前提下?lián)碛休^低的客戶綜合使用成本，目前適用于 180-14nm 邏輯芯片、19/17nm DRAM、64/128 層 FLASH 制造等領(lǐng)域，可沉積 SiO2、SiN、SiON、BPSG 等多種材料。其中， 公司 12 英寸 PECVD 設(shè)備 PF-300T 和 8 英

12、寸 PECVD 設(shè)備 PF-200T 均已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。2020 年公司生產(chǎn) PECVD 設(shè)備 50 臺，銷售 31 臺；2021Q1 PECVD 設(shè)備量產(chǎn)和銷量分別為 14 臺、4 臺，為公司主要銷售產(chǎn)品。拓荊科技 ALD 設(shè)備成膜反應(yīng)時間短，反應(yīng)氣體使用量少，可精準(zhǔn)控制薄膜顆粒數(shù)及均厚度。目 前，公司 12 英寸 PEALD 設(shè)備 FT-300T 已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，可沉積 SiO2 和 SiN 材料薄膜，廣泛 應(yīng)用于國內(nèi) 55-14nm 邏輯芯片制造、55-40nm BSI 工藝的晶圓制造、2.5D、3D TSV 等先進(jìn)封裝 領(lǐng)域。2020 年公司 ALD 設(shè)備產(chǎn)量 1 臺。同時，公司正

13、在研發(fā) 12 英寸 Thermal ALD 設(shè)備來滿足 28nm 以下芯片制造所需，并可沉積 Al2O3、AlN 等多種金屬化合物材料。公司亦是國內(nèi)唯一一家實現(xiàn) SACVD 設(shè)備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的廠商。該系列設(shè)備溝槽填充能力卓越，填 充速率快，大幅度提高了使用效率。公司擁有 12 英寸 SACVD 設(shè)備 SA-300T 和 8 英寸 SACVD 設(shè) 備 SA-200T 兩大設(shè)備，可沉積 BPSG、SAF 等介質(zhì)薄膜材料，主要適用于 STI、ILD 工藝的晶圓 制造。公司 2020 年量產(chǎn) SACVD 設(shè)備 3 臺，銷售 1 臺；2021Q1 設(shè)備產(chǎn)量為 2 臺。2) 北方華創(chuàng) - 引領(lǐng)國產(chǎn)化 PVD

14、 設(shè)備北方華創(chuàng)由七星電子和北方微電子戰(zhàn)略重組而成，持續(xù)走在國內(nèi)集成電路裝備及精密電子元器件 產(chǎn)業(yè)的前沿。公司電子工藝裝備主要包括半導(dǎo)體裝備、真空裝備和鋰電裝備，廣泛應(yīng)用于集成電 路、半導(dǎo)體照明、功率器件、微機(jī)電系統(tǒng)、先進(jìn)封裝、新能源光伏等領(lǐng)域。營收快速增長，研發(fā)高投入。得益于下游目標(biāo)市場需求和公司規(guī)模穩(wěn)定增長，北方華創(chuàng)預(yù)計 2021 年實現(xiàn)營業(yè)收入 85-109 億元，同比增長 40-80%，歸母凈利潤 9.4-12.1 億元，同比大幅增長 75- 125%。公司營業(yè)收入主要由電子工藝裝備、電子元器件兩大板塊組成，2020 年分別占總銷售比 80%和19%。為持續(xù)保持技術(shù)創(chuàng)新及新產(chǎn)品迭代，公司

15、多年來一直加大產(chǎn)品研發(fā)投入，2020年公 司研發(fā)投入達(dá)到 16 億元，同比增長 37%，占營業(yè)收入比例 27%。北方華創(chuàng)在 PVD 設(shè)備領(lǐng)域?qū)嵙π酆?。公司擁?eVictor AX30 Al pad、exiTin H630 TiN 等 13 款具 有自主知識產(chǎn)權(quán)的 PVD 設(shè)備產(chǎn)品，支持 90nm -14nm 多個制程制造，主要應(yīng)用于集成電路、先進(jìn) 封裝、LED 等領(lǐng)域，2012 年至今已實現(xiàn)超過 200 臺設(shè)備銷售。exiTin 系列 TiN 金屬硬掩膜機(jī)臺成 為 28nm 工藝后段金屬布線硬掩膜標(biāo)準(zhǔn)制程機(jī)臺，并進(jìn)入國際供應(yīng)鏈體系，實現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)。同時， 公司已在濺射源設(shè)計、等離子產(chǎn)生與控制、

16、顆粒控制、腔室設(shè)計與仿真模擬等關(guān)鍵技術(shù)上具備核 心技術(shù)優(yōu)勢。在 CVD 方面，公司在 PECVD、APCVD、LPCVD、ALD 等設(shè)備均有布局。其中，臥式 PECVD 是北方華創(chuàng)自主研發(fā)的重要技術(shù)之一，已成功進(jìn)入海外市場并在光伏領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。公司研發(fā)的 介質(zhì)膜沉積 PECVD 設(shè)備在 LED 領(lǐng)域也受到了各大廠商的青睞。ALD 產(chǎn)品方面，公司目前擁有熱 原子層沉積(Thermal ALD)設(shè)備、等離子體增強(qiáng)原子層沉積(PEALD)設(shè)備兩大系列產(chǎn)品，并陸續(xù)突 破了前驅(qū)物輸運系統(tǒng)控制、均勻穩(wěn)定的反應(yīng)室熱場及流場控制、等離子產(chǎn)生與控制、脈沖射頻的 快速調(diào)頻匹配等多項關(guān)鍵技術(shù)。目前，公司 ALD 設(shè)

17、備已實現(xiàn)部分客戶的設(shè)備銷售。3) 中微公司 MOCVD 設(shè)備在 LED 領(lǐng)域競爭力強(qiáng)中微公司專注于集成電路和 LED 芯片關(guān)鍵制造設(shè)備的生產(chǎn)、研發(fā)、銷售，主要產(chǎn)品包括刻蝕設(shè)備、 MOCVD 設(shè)備。中微公司 2021 年營業(yè)收入 31.1 億元，同比增加 37%，毛利為 13.4 億元，同比 增加 56%，歸母凈利潤為 9.5-10.3 億元，同比增加 93-109%，新簽訂單金額為 41.3 億元，同比 增加超過 90%。公司近年來持續(xù)加大研發(fā)投入，2020年研發(fā)支出達(dá)到 6.4 億元，占營收比為 28%。聚焦 MOCVD 設(shè)備，LED 領(lǐng)域優(yōu)勢顯著。在薄膜沉積設(shè)備領(lǐng)域，公司主要聚焦 MOCV

18、D 設(shè)備（金 屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積），可以應(yīng)用于 LED 和 GaN、SiC 等功率器件外延片的生產(chǎn)制造。公司目 前擁有四大 MOCVD 設(shè)備產(chǎn)品，其中，Prismo D-Blue 和 Prismo A7 設(shè)備用于主流 LED 生產(chǎn)線， 可支持生產(chǎn)大批量 LED 外延片，具備高產(chǎn)能，高良率，低成本投入等優(yōu)勢，打破了德國 Aixtron 和美國 Veeco 在中國 MOCVD 市場的壟斷地位。根據(jù) Aixtron 和 Gartner 數(shù)據(jù)，中微 2020 年在全 球 MOCVD 市場份額為 16%，僅次于 Aixtron 和 Veeco。MiniLED MOCVD 設(shè)備已獲國內(nèi)領(lǐng)先客戶訂單。中微具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 Prismo UniMax MOCVD 設(shè)備可配置多達(dá) 4 個反應(yīng)腔,可同時加工 108 片 4 英寸或 40 片 6 英寸高性能氮化鎵基藍(lán) 綠光 Mini LED 外延晶片，通過石墨盤的調(diào)整，可擴(kuò)展至同時加工 164 片 4 英寸或 72 片 6 英寸外 延晶片，其工藝能力還可延展到生長 8