本篇报告通过对逻辑、存储芯片的微观结构拆分展示了薄膜结构的种类多样性、工艺复杂性以及多款设备相互补充等特性，并从制程推进、多层趋势、工艺迭代等维度论述了薄膜沉积设备行业的成长性。薄膜沉积设备与光刻、刻蚀并列作为IC 前道制造三大主设备之一，全球市场空间超过200 亿美元，当前国产化率不足5%，国内相关设备公司加速差异化布局，具备较强成长属性。
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，沉积过程需要物理气相沉积（PVD，Physical Vapor Deposition）、化学气相沉积（CVD，Chemical Vapor Deposition）、原子层沉积（ALD，Atomic Layer Deposition）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（A04088.SH）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。
风险提示：1）下游晶圆厂扩产不及预期；2）薄膜沉积设备厂商增多导致竞争加剧；3）研发/验证进展不及预期；4）疫情影响设备交期的风险。
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