招商证券：工艺升级提升需求 薄膜沉积设备国产替代有望加速

智通财经APP获悉，招商证券发布研究报告称，全球薄膜沉积设备市场空间超200亿美元，制程升级/多层趋势+新兴工艺驱动市场增长。在逻辑芯片中，制程进步带来工序步骤和薄膜层数增多，工序步骤从90nm的40步提升至3nm的100步，金属层数从90nm的7层提升至5nm的14层，制程从180nm进步到90nm过程中，同样产能需要的薄膜设备数量翻倍；在存储芯片中，高深宽比结构以及存储层数堆叠带来薄膜沉积设备需求增大。薄膜沉积设备是半导体设备领域较为优质的投资赛道，2021年薄膜沉积设备国产化率仅为5%左右，相较刻蚀(15-20%)，前道清洗(30%+)，还有很大国产替代空间。招商证券建议关注拓荆科技(688072.SH)、北方华创(002371.SZ)、中微公司(688012.SH)、盛美上海(688082.SH)、微导纳米等。

招商证券主要观点如下：

薄膜沉积和光刻、刻蚀并列作为芯片前道制造三大核心工艺，不同工艺应用场景所需薄膜种类繁多。薄膜沉积设备和光刻、刻蚀设备并列为前道制造三大主设备之一，从Gartner公布的2021年全球半导体设备市场占比来看，刻蚀/薄膜沉积/光刻分别占比30%/25%/23%。薄膜沉积作用是在芯片纳米级结构中逐层堆叠薄膜形成电路结构，包括半导体、介质、金属/金属化合物三大类。在前道制造过程中，自下而上分别通过浅槽隔离、栅极等前段工艺，钨栓塞、金属前介质层等中段工艺，金属层间介质、金属层等后段工艺形成不同模块，最后构筑成芯片的3D结构。由于十余种模块工艺需要数层至数十层不同薄膜堆叠，而每层薄膜的特性、沉积材料、薄膜种类等均有很大差异，薄膜沉积设备需要满足不同薄膜的工艺要求，因此具备较高行业壁垒。

薄膜呈现种类多样性和工艺复杂性，不同工艺环节需要物理/化学等不同沉积设备相互补充。不同薄膜沉积时反应的原理不同，因此薄膜沉积设备的技术原理也不同，沉积过程需要物理(PVD)、化学(CVD)、原子层沉积(ALD)等设备相互补充，每类设备也包括多种细分子类，以满足不同应用场景需求。

1)PVD：通过真空蒸镀和溅射等物理方法沉积金属或金属化合物薄膜，应用最广泛的PVD是磁控溅射和离子化PVD，主要用于后段金属互连层、阻挡层、硬掩膜、焊盘等工艺；

2)CVD：通过不同气体间化学反应沉积半导体和介质薄膜，部分工艺也可以沉积金属/金属化合物薄膜，主要用于前段的栅氧化层、侧墙、PMD及后段的IMD、阻挡层、钝化层等工艺。CVD按反应压强和前驱体等不同主要分为APCVD、LPCVD、PECVD等，每一代设备随薄膜性能越来越高的要求而迭代，目前PECVD应用最广泛；

3)ALD：用于低k/高k介质沉积、高深宽比沟槽填充、双重曝光工艺等，主要满足新兴薄膜/工艺需求。另外，在一些特定的沟槽填充场景，需要HDP-CVD、SACVD、FCVD等设备作为补充；在某些金属/金属氧化物薄膜沉积过程中，也需要电镀、M-CVD等方法作为补充。

全球薄膜沉积设备市场空间超200亿美元，制程升级/多层趋势+新兴工艺驱动市场增长。2021年全球薄膜沉积设备市场空间超200亿美元，PECVD/PVD/ALD占比分别为33%/19%/11%，大陆市场超45亿美元，占比约25%。薄膜沉积设备市场增长主要由制程升级/多层趋势及新工艺驱动：

1)制程升级/多层趋势带动设备需求量：在逻辑芯片中，制程进步带来工序步骤和薄膜层数增多，工序步骤从90nm的40步提升至3nm的100步，金属层数从90nm的7层提升至5nm的14层，制程从180nm进步到90nm过程中，同样产能需要的薄膜设备数量翻倍；在存储芯片中，高深宽比结构以及存储层数堆叠带来薄膜沉积设备需求增大；

2)新工艺拓宽应用场景：在栅极从多晶硅栅(Poly-SiON)向HKMG结构转变、存储结构深宽比越来越高、金属互连阻挡层薄膜越来越薄等过程中，以及多重曝光等新工艺中，传统的LPCVD/PECVD等沉积方法沉积效果有限，需要ALD工艺来沉积性能更好的薄膜并满足高深宽比等需求，在28nm以下FinFET/GAA结构中，仅有ALD工艺能够满足复杂栅极结构中薄膜沉积要求。根据Acumen research and condulting预测，2020-2026年全球ALD设备市场将从约20亿美元提升至32亿美元。但由于ALD沉积过程不连续，在沉积速率等方面不如其他CVD工艺，因此目前仅用于一些新的增量环节，在成熟工艺环节暂时无法替代如LPCVD、PECVD等工艺。

薄膜沉积设备市场主要被海外大厂垄断，市场集中度较高。薄膜设备壁垒较高，叠加海外公司布局较早，因此全球市场主要被AMAT、LAM、TEL等几家垄断，国产化率不足5%。在PVD市场，AMAT是绝对龙头；在CVD市场，AMAT、LAM、TEL三家几乎平分秋色；在ALD市场，实现产业化应用的主要为TEL和ASM。

①AMAT：是全球PVD设备绝对龙头，在全球PVD市场份额高达85%；在CVD设备领域布局完善，全球份额达30%，覆盖LPCVD、PECVD、ALD、ECD、EPI、HDP-CVD、FCVD等主流工艺，产品尤其在低k介质等先进薄膜领域表现出色；

②LAM：并购诺发强化CVD设备布局，全球份额达21%。PECVD、ALD等CVD设备覆盖的介质薄膜及工艺种类齐全，在ECD电镀领域全球一家独大；

③TEL：PVD/CVD设备特色布局，覆盖PVD、LPCVD、PECVD、M-CVD、ALD等设备；TEL在ALD市场有独特竞争优势，全球份额高达31%，在DRAM电容领域，全球仅TEL和KE(日立电气)实现了用ALD工艺沉积High-K介质层；

④ASM：产品包括LPCVD/PECVD/EPI/ALD，在ALD设备全球市场份额达29%，是全球唯一实现用ALD工艺沉积高k金属栅极产业化应用的厂商。

投资建议：1)薄膜沉积设备是半导体设备领域较为优质的投资赛道。①市场空间大：2021年市场空间超200亿美元，仅次于刻蚀设备，行业规模是清洗、离子注入和涂胶显影等其他设备的数倍；②技术壁垒高：薄膜种类繁多，同时工艺复杂，薄膜沉积设备需要覆盖多种不同种类和性能的薄膜，行业门槛较高；③当前国产化率较低：2021年薄膜沉积设备国产化率仅为5%左右，相较刻蚀(15-20%)，前道清洗(30%+)，还有很大国产替代空间。

2)国内晶圆产线产能增速预计超过行业平均，国内薄膜沉积设备厂商差异化布局。建议关注拓荆科技(688072.SH)、北方华创(002371.SZ)、中微公司(688012.SH)、盛美上海(688082.SH)、微导纳米等。

①拓荆科技：国内CVD设备龙头，产品覆盖PECVD/ALD/SACVD三大类，其中PECVD设备覆盖28nm以上全介质薄膜，PE-ALD和SACVD实现产业化应用并持续导入验证，Thermal-ALD新品正在研发。截至21Q3，拓荆在手订单超15亿元，产品在逻辑产线不断放量、在存储产线份额稳步提升，展望2022/2023年具备较强增长动力；

②北方华创：国内半导体设备平台化龙头，产品覆盖PVD/LPCVD/PECVD/ALD/EPI等领域。公司PVD设备在国内市场份额第一，在Harmask、CuBS、Al pad等领域具备较强竞争优势；LPCVD/PECVD主要用于光伏领域，前道IC设备也在加速导入中；Thermal-ALD在28nm节点实现产业化应用，PE-ALD新品正在验证；

③中微公司：在全球GaN LED用MOCVD设备份额高达60%以上，2021年Mini LED MOCVD设备新签大规模订单，有望贡献2022全年收入增长。公司用于钨填充的LPCVD设备验证取得阶段性进展，同时组建EPI研发团队；

④盛美上海：全球少数实现前道电镀设备产业化的公司，逐步打破LAM垄断，前道铜互连电镀技术覆盖20-14nm节点。公司LPCVD实现稳定量产，其他CVD设备加速研发；

⑤微导纳米：以ALD技术为核心，Thermal-ALD实现了在高k栅氧化层工艺上的突破与产业化应用，面向FeRAM的Thermal-ALD和第三代化合物半导体的PE-ALD正在产业化验证。