中国半导体设备（1）：薄膜沉积设备（CVD&PVD）

2024 China Semiconductor Equipment (1): Thin Film Deposition Equipment (CVD&PVD)

2024年中国半導体装置（1）：薄膜堆積装置（CVD&PVD）

报告标签：半导体设备，薄膜沉积设备，CVD，PVD

主笔人：张俊雅

2024/02

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报告作者 Report Author

姓名：张俊雅

职位：头豹研究院 TMT+行业分析师

Email：jacob.zhang@leadleo.com

目录 CONTENTS

◆ 半导体设备产业综述 5
• 全球半导体行业市场规模：2023年全球半导体市场低迷，预计2024年市场开始进入上行周期 6
• 全球半导体行业周期性：技术驱动10年长周期，资本开支驱动3-4年短周期 7
• 半导体设备：晶圆制造投资量占比超80%，其中光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备为核心 8
• 半导体设备投资额：集成电路设备投资额随制程节点先进程度提升而大幅增长 9
• 半导体设备国产替代：美日荷先进半导体设备封锁，中国半导体设备国产替代势在必行 10
• 半导体设备国产替代：中国晶圆厂半导体设备国产化率已提升至35%，预计2025年达50% 11
◆ 薄膜沉积设备行业现状 12
• 薄膜沉积设备：半导体制造关键设备，其技术可分为CVD、PVD和ALD三大类 13
• CVD设备：PECVD应用最为广泛，ALD则面向先进制程应用 14
• PVD设备：磁控溅射PVD应用范围最为广泛，发展前景可观 15
• 薄膜沉积技术：薄膜种类繁多且工艺复杂构筑高技术壁垒，未来向低温、更高集成度发展 16
• 薄膜沉积设备需求端：芯片制程升级，推动薄膜沉积设备需求大幅增长 17
• 薄膜沉积设备市场：2023年全球市场规模达260亿美元，市场被海外厂商所垄断 18
• 国产薄膜沉积设备厂商产品布局：产品布局较为分散，厂商间进行差异化竞争 19
◆ 薄膜沉积设备企业推荐 22
• 拓荆科技：国产CVD设备领军企业 23
• 北方华创：国资背景的PVD设备龙头企业 24
• 微导纳米：国产ALD设备领军企业 25
◆ 业务合作 26
◆ 方法论与法律声明 27

报告摘要

◼ 半导体设备国产替代：中国晶圆厂半导体设备国产化率已提升至35%，预计2025年达50%

全球半导体设备市场高度集中，海外龙头厂商仍处于垄断地位，中国半导体设备厂商已覆盖多个细分领域，但国产替代仍处于早期阶段。根据SEMI，2022年中国晶圆厂商半导体设备国产化率明显提升，从21%提升至35%。预计2025年，国产化率将会达到50%，并初步摆脱对美国半导体设备的依赖。

目前在28nm及以上领域，中国半导体设备厂商已基本实现了全覆盖，部分刻蚀、清洗环节已推进至先进制程节点，国产化率达80%以上。而在14nm工艺上，中国半导体设备厂商也实现了50%以上的覆盖，国产化率可能达到了20%以上。目前在14nm以下，国产化率仍较低，仅为10%左右。

◼ 薄膜沉积设备市场：2023年全球市场规模达260亿美元，市场被海外厂商所垄断

根据Maximize Market Research数据，全球薄膜沉积设备市场规模预计由2017年的125亿美元增长至2025年的340亿美元。未来，逻辑芯片制程升级、存储芯片堆叠层数提升、新工艺的应用，使得薄膜沉积设备在产线中的占比及价值量逐步提升，全球薄膜沉积设备市场规模将保持稳定增长态势。

在薄膜沉积设备市场中，PECVD份额占比达33%，而其余占比较大的设备有PVD（19%）、ALD（11%）、管式CVD（12%）等。由于PECVD具有沉积速度快、工作温度低的优点，其在薄膜沉积设备中占据主要地位。

薄膜沉积设备需求端：芯片制程升级，推动薄膜沉积设备需求大幅增长

先进制程使得晶圆制造的复杂度和工序量大幅提升，当线宽向7nm及以下制程发展，需要采用多重曝光工艺，薄膜沉积次数明显增加。在90nm CMOS芯片工艺中，大约需要40道薄膜沉积工序。在3nm FinFET工艺产线，大约需要超过100道薄膜沉积工序，涉及的薄膜材料由6种增加到近20种，对于薄膜颗粒的要求也由微米级提高到纳米级，进而拉动晶圆厂对薄膜沉积设备需求量的增加。

Chapter半导体设备产业综述

全球半导体行业市场规模：2023年全球半导体市场低迷，预计2024年市场开始进入上行周期

2023年，全球半导体市场规模为5,201亿美元，同比下滑9.4%，主要由于2023年存储芯片需求疲软，导致半导体市场低迷。在AI芯片需求强劲的推动下，全球半导体市场将有所回暖，预计2024年市场规模增长至5,884亿美元

全球半导体主要品类及占比情况，2023

全球半导体市场规模，2019-2024E

❑ 半导体是指介于导体与绝缘体之间的物理材料，其广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车、工业/医疗、军事/政府等核心领域。根据世界半导体贸易统计组织（WSTS）的分类标准，半导体主要由四个组成部分组成：集成电路（约占84.33%），光电器件（约占6.87%），分立器件（约占5.28%），传感器（约占3.52%）。其中，集成电路按照产品种类又可分为四大类：微处理器（约占13.42%），存储器（约占26.30%），逻辑器件（约占30.55%），模拟器件（约占14.27%）。

❑ 根据WSTS的数据，全球半导体市场规模由2019年的4,123亿美元增长至2023年的5,201亿美元。2023年全球半导体市场规模同比下滑9.4%，主要由于2023年存储芯片需求疲软，导致半导体市场低迷。然而在AI芯片需求强劲的推动下，全球半导体行业将有所回暖，开始进入上行周期。预计2024年全球半导体市场规模将增长至5,884亿美元，同比增长13.1%。

全球半导体行业周期性：技术驱动10年长周期，资本开支驱动3-4年短周期

全球半导体行业周期性明显，技术驱动半导体10年长周期，资本开支驱动3-4年短周期。2023年全球半导体行业资本开支同比下降14%，主要由于芯片需求疲软及消费和移动设备库存增加，预计2024年资本开支迎来反弹

半导体产品制造技术演进历程

阶段	第一代	第二代	第三代	第四代	第五代	第六代
时间区间	1965-1975	1975-1985	1985-1995	1995-2005	2005-2015	2015-2025
特征尺寸	12-3um	3-1um	1-0.35μm	0.35μm-65nm	65-22nm	22-2nm
存储器	小于1KB到16KB	16KB-1MB	1-64MB	64MB-1GB	1-16GB (芯片组）	16GB到1TB以上（芯片组）
CPU字长（bit）	48	8,16	16,32	32,64	64	64
CPU晶体管数	1000	104-105	105 -106	106-107	108-109，多核架构	多核架构
主流圆片直径	2-4in	4in-150mm	150mm，200mm	200mm，300mm	200mm， 300mm	200mm， 300mm， 450mm
主流设计工具	手工	从逻辑编辑到布局布线	从布局布线到综合	从综合到DFM	SoC、IP	SoC、IP、SiP
主要封装形式	从TO到DIP	DIP	从DIP到QFP	DIP、GFP、BGA	多种封装、SiP	SiP、3D封装、Chiplet等

半导体行业：技术驱动10年长周期，资本开支驱动3-4年短周期

全球半导体行业资本开支及增速，2008-2023

❑ 2023年，全球半导体行业资本开支同比下降14%至156亿美元，下降主要由于芯片需求疲软以及消费和移动设备库存增加，许多半导体公司减少对新设备的投资，以应对市场的不确定性。其中，削减幅度最大的是存储公司，降幅为19%。从多年来全球半导体资本开支同比增速来看，全球半导体资本开支约3-4年为一个周期，预计2024年资本开支迎来反弹。

半导体设备：晶圆制造投资量占比超80%，其中光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备为核心

半导体设备可分为前道设备（晶圆制造）和后道设备（封装与测试）两大类，前道设备投资量占总设备的80%以上。前道设备中，刻蚀设备、薄膜沉积设备和光刻机设备价值量占比分别为22%、22%和17%

半导体设备分类及投资价值占比

❑ 半导体设备可分为前道设备（晶圆制造）和后道设备（封装与测试）两大类。前道设备涉及硅片加工、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、清洗、抛光、金属化等工艺，所对应的核心专用设备包括硅片加工设备、光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备、测量设备等，其中光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备是半导体前道生产工艺中的三大核心设备。后道设备则包括封装设备和测试设备，同时后道先进封装工艺也会用到部分前道设备。

❑ 在晶圆厂的资本开支中，20%-30%用于厂房建设，70%-80%用于设备投资。根据国际半导体产业协会（SEMI），前道设备（晶圆制造）投资量占半导体设备投资量的约80%，封装和测试设备占比分别约为10%和8%。在晶圆制造设备中，刻蚀设备、薄膜沉积设备和光刻机分别占前道设备价值量的22%、22%和17%。

半导体设备投资额：集成电路设备投资额随制程节点先进程度提升而大幅增长

半导体设备国产替代：美日荷先进半导体设备封锁，中国半导体设备国产替代势在必行

100片规则》及《半导体制造物项出口管制规则》，

半导体设备国产替代：中国晶圆厂半导体设备国产化率已提升至35%，预计2025年达50%

10-30% CCP

纳米、盛美上海等 10-30% 中微公司 ICP 可满足55nm到28nm逻辑芯

Chapter 2 薄膜沉积设备行业现状

薄膜沉积设备：半导体制造关键设备，其技术可分为CVD、PVD和ALD三大类

薄膜沉积设备是半导体制造的核心设备，薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中的介质层与金属层的沉积，包括CVD（化学气相沉积）设备、PVD（物理气相沉积）设备/电镀设备和 ALD（原子层沉积）设备

薄膜沉积技术分类及对比

低压型（LPCVD）
常压型（APCVD)	CVD	先进薄膜沉积设备		PVD		热蒸发沉积
金属有机化合物型（MOCVD）			? ALD			等离子体溅射沉积
等离子体增强型（PECVD）
1 热原子层沉积（TALD）	↓ 等离子体增强原子层沉积（PEALD）	Y 空间原子层沉积（SALD）	↓ 电化学原子层沉积（ECALD）		大气压原子层沉积（AP-ALD）	√ 流床式原子层沉积
			CVD
技术路线	PVD		化学气相沉积			ALD
沉积原理	物理气相沉积					化学表面饱和反应
沉积过程	成核生长			成核生长		逐层饱和反应
沉积速度	快			快 0.5-2nm		慢
均匀性控制能力	5nm左右		具有很好的化学配比，针孔数量少，具有应力控制能力			0.07-0.1nm
薄膜质量	化学配比一般，针孔数量高，应力控制有限		中			具有很好的化学配比，针孔数量少，具有应力控制能力
阶梯覆盖能力	弱					强
工艺环境 (温度、压强、流场等)	对真空要求较高，镀膜具有方向性		对工艺参数的变化较为敏感			基于表面化学饱和反应，工艺参数可调整范围较大

❑ 薄膜沉积设备是半导体制造的核心设备，不同类型的设备适合不同沉积材料和用途。薄膜沉积技术则是指在硅片衬底上沉积一层待处理的薄膜材料，所沉积薄膜材料可以主要分为：介质材料（二氧化硅、氮化硅、多晶硅等）、金属材料（铜、钨、钛、氮化钛等）和半导体材料（单晶硅、多晶硅等）。薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中介质层与金属层的沉积，具体包括化学气相沉积（CVD）设备、物理气相沉积（PVD）设备、电镀设备和原子层沉积（ALD）设备，其中 ALD 又是属于 CVD 的一种，主要应用于先进制程工艺节点。从沉积效果看，PVD 是指向性沉积，适合沉积金属材料，而CVD和 ALD 的沉积覆盖性较好，适合沉积介质材料，其中ALD 对薄膜厚度控制精准度高，但沉积速度较慢。

CVD设备：PECVD应用最为广泛，ALD则面向先进制程应用

主流工艺，用于沉积氧化硅、氮化硅、多晶

PVD设备：磁控溅射PVD应用范围最为广泛，发展前景可观

高能离子的轰击会引起衬底损伤。目前电子束

速带电离子，使离子和靶材表面原子碰撞，将后者溅射出来射向衬底，从而实现薄膜的沉积。使用DC

薄膜沉积技术：薄膜种类繁多且工艺复杂构筑高技术壁垒，未来向低温、更高集成度发展

PMD、钝化层等在PMD中替代SiO2 夹断和

薄膜沉积设备需求端：芯片制程升级，推动薄膜沉积设备需求大幅增长

薄膜沉积设备市场：2023年全球市场规模达260亿美元，市场被海外厂商所垄断

国产薄膜沉积设备厂商产品布局：产品布局较为分散，厂商间进行差异化竞争（1/3）

用，用于沉积时间较长的薄膜工艺，如Thick T

该设备可以与PECVD成套使用，为PECVD HTN、Lok II等薄膜沉积进行紫外线固化处理

国产薄膜沉积设备厂商产品布局：产品布局较为分散，厂商间进行差异化竞争（2/3）

S 氮化硅薄膜淀积、多晶硅薄膜淀积、非晶硅薄膜淀积、二氧化硅薄膜淀积等

国产薄膜沉积设备厂商产品布局：产品布局较为分散，厂商间进行差异化竞争（3/3）

客户端验证

Chapter 3薄膜沉积设备企业推荐

工艺积累，打破国际厂商对国内市场的垄断， 20

模集成电路制造

备、锂离子电池制造设备等系列产品，广泛 150

艺设备能量控制 14

伏电池、集成电路、先进存储等方面的技术 10

业务合作 Business Cooperation

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2024年中国半导体设备（1）：薄膜沉积设备（CVD&PVD）-头豹 听光Vic

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