半导体制造端PVD设备打破垄断 进口替代进行时

今天来了解下半导体晶圆制造流程之一的PVD工艺的产业链及设备供应商。这也是为什么 中微公司 (688012)从65元涨到200元， 北方华创 (002371)2019年从不到40元涨到129元。

薄膜沉积是晶圆加工中的关键流程之一，主要分为 物理气相沉积 PVD 和 化学气相沉积 CVD 。

物理气相沉积的过程中不发生化学反应，只发生物质的相变等物理变化，如蒸镀过程是将固态蒸镀源转换为气态，再在目标表面形成固态膜的过程。而化学气相沉积 CVD 则通过化学反应进行，将反应源以气体形式通入反应腔中，经过与其他外部反应物或与基板进行化学反应形成目标生成物沉积于基板上。以上工艺均使用特定的CVD设备以及PVD设备。

PVD工艺一般可分为三种真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀。

芯片制造过程中沉积不同薄膜所使用的PVD设备也不同，关键的PVD设备主要包括硬掩膜(Hard Mask )PVD设备、铜互联(CuBS)PVD 以及铝衬垫(Al PAD)PVD。

1、硬掩膜PVD:设备应用广泛国内技术成熟

硬掩膜工艺可以为金属互连线的形状提供精准控制，在集成电路制造中十分关键。低介电材料氮化钛(TiN)作为硬掩膜材料应用广泛。TiN 掩膜材料沉积对PVD设备的要求较高，其独特的甚高频技术，在中性应力和薄膜密度硬度之间达到了良好的平衡，从而提高产品良率，制造出高密度、低应力的薄膜。

国内企业方面， 北方华创 (002371) 的 exiTin H430 TiN 金属硬掩膜PVD是国内首台专门针对 40nm以下制程的12寸金属硬掩膜设备。该系统主要由大气平台、真空传输平台、两个去气腔室和两个工艺腔室组成，并可以实现自动生产。该设备系统的研发和量产 实现了我国高端集成电路PVD设备零的突破和技术跨越。该机台也成为国内首台28nm工艺后段金属布线硬掩膜标准制程机台，并进入国际供应链体系，同时通过了半导体行业SEMI S2及F47 认证。

2、铜互联(CuBS)PVD设备成功打破AMAT垄断逻辑产线订单空间巨大

铜互连是硅芯片制造中的关键工艺。金属铜由于具有更小的电阻率，可以有效地降低互连线的电阻，同时电迁移寿命比传统的 Al 互连高两个数量级，可以提升芯片可靠性，目前已经被广泛应用。在制作铜互连线时，常采用大马士革工艺。

沉积阻挡层和铜种籽层是大马士革工艺的关键步骤，且沉积过程中所需要的设备是CuBS PVD。

目前铜互连PVD设备约占整个PVD市场规模的70 %左右，是最为核心的设备之一，AMAT 技术领先垄断市场，但国内厂商 北方华创 (002371)目前已经取得重大突破，成功打破垄断。

AMAT在铜互连设备中十分领先，其Endura CuBS RFX PVD系统，是一款可用于32nm及22nm逻辑器件及闪存器件制程中铜沉积的设备。据中国国际招标网，截止到2019年12月，长江存储共采购铜互连设备约7台且均由AMAT提供。国内厂商 北方华创 (002371)在 2020年 1月10日成功中标3台长江存储设备订单，成功打破垄断。成为继AMAT之后第二家掌握铜互连PV设备技术的公司。

未来随着中芯国际、华虹系等持续扩产，国产CuBS设备潜在订单空间巨大。

3、Al Pad PVD:产线占比小国产化程度高

Al Pad(铝衬垫)，通常采用物理气相法进行沉积。Al Pad是晶片与外界连接的互连截面，同时也是集成电路的最后一道工序。其通常是采用物理气相沉积工艺在晶片的顶层金属层表面形成铝薄膜层，然后利用光刻和刻蚀工艺进行处理形成对外的接连线，作为测试电性和封装的引线端，从而形成铝衬垫。

Al Pad PVD主要应用于Bond pad和Al interconnect工艺，对设备的高产能、高效率、低成本、低缺陷提出了更高的要求。由于Al Pad制备只在晶圆制造流程中最后一步才会进行一层沉积，因此在产线中占据比例较小，但内资产线此类设备的国产化率较高。国内厂商 北方华创 (002371)的 Al PAD PVD 已进入60-28nm产线，且14nm产线正加速验证。

内资PVD需求空间达80亿

晶圆制造设备约占半导体设备投资额的80%，而成膜设备则占晶圆投资设备的20%，一般来说PVD设备与CVD设备占比接近，各10%。

在PVD设备领域，AMAT一家独大，约占全球市场份额的80%以上，但目前国内厂商也在不断突破。选取长江存储、华虹无锡、华力微三条产线统计，对PVD设备的国产化率情况进行预估 AMAT在内资产线中占比约81%， 北方华创 (002371)是内资产线中PVD设备的主要供应商，占比约10%，随着公司 CuBS PVD 设备成功出货打破垄断，未来PVD设备的国产化率有望进一步提升。

新突破的 CuBS PVD设备未来市场规模巨大，预计中芯国际、华虹系、合肥长鑫(一期)以及长江存储(一期)产线从现在到最终达产对该类设备市场需求规模可超过 40亿元。其中逻辑芯片代工产线是未来CuBS 的重要拉动力量，其对 CuBS PVD 需求量是同产能存储器产线的4-5 倍，逻辑代工产线达到月产能10万片预计需要超过40台 CuBS PVD 设备。

上市公司来说数量较少，主要集中在 中微公司 (688012)、 北方华创 (002371)。另外扩展一下，还可关注清洗设备龙头盛美半导体(ACMR.O)、 芯源 (688037)、沈阳拓荆、华海清科、北京屹唐及上海微电子。