半导体专题篇七：薄膜沉积设备

在半导体制造设备中，光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备是三大主要的设备，根据 SEMI 测算数据，光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备分别约占半导体设备市场的24%、20%和20%。

薄膜沉积设备是半导体产线的三大核心设备之一，其市场规模也将随着工艺制程的进步不断增长。90nm制程的CMOS产线大约有40道薄膜沉积工序，对应的薄膜材料种类约6种，而在3nm制程的FinFET产线中，薄膜沉积工艺增加到100道，涉及的薄膜沉积材料近20种，薄膜层数增长对沉积设备带来大量需求。Flash存储芯片结构从2D Nand发展到3D Nand，结构越发复杂化，导致存储芯片的制造对薄膜沉积设备的需求量快速增长。

简单来说，薄膜沉积设备就是帮芯片“贴膜”的。越精密、层数越多的芯片，“贴膜”的需求就越大。

一、薄膜沉积设备分类：PVD、CVD、ALD

1、PVD物理气相沉积：金属膜层的沉积

PVD是通过溅射或蒸发待镀材料产生金属蒸汽，之后在晶圆表面冷凝成膜的薄膜沉积工艺。PVD工艺过程中，仅材料形态发生改变，不涉及化学反应，属于纯粹的物理变化。半导体制造全过程中，PVD是沉积超纯金属、过渡金属氮化物薄膜必不可少的关键工艺。

PVD主要分为三大类：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀。

（1）真空蒸镀：高真空条件下加热待镀材料至气化并在基板上沉积薄膜的过程，缺点是膜层附着力、致密性较低，是目前OLED面板主流工艺。

（2）溅射镀膜：气体放电产生的气体离子高速轰击靶材表面，靶材原子被击出并在基板表面成膜的过程，应用最广泛的PVD。

（3）离子镀：真空蒸镀和溅射镀膜的结合体，待镀材料气化后在放电空间部分电离，之后待镀离子被电极吸引至基板沉积成膜，较为复杂，应用范围不广。

主要厂商有：AMAT、日本Ulvac、瑞士Evatec。

国内主要厂商：北方华创。

2、CVD化学气相沉积：介质膜层和半导体膜层的沉积

CVD是通过气相化学反应在基体表面沉积固体薄膜的镀膜工艺，属于化学反应。CVD反应前体一般为硅烷、磷烷、硼烷、氨气、氧气等气体原料，生成物一般为氮化物、氧化物、氮氧化物、碳化物、多晶硅等固体薄膜，反应条件一般为高温、高压、等离子体等。

CVD成膜工艺一般包括八个步骤：1）反应气体传输至沉积区；2）膜先驱物形成；3）膜先驱物扩散至基体表面；4）膜先驱物粘附；5）膜先驱物向膜生长区域扩散；6）表面化学反应，膜沉淀并逐渐生长，最终形成连续膜，同时生成副产物；7）副产物从基体表面移除；8）副产物从反应腔移除。

随着工艺制程不断进步，沟槽、深孔填充等需求催生了新的CVD技术，目前主流应用的技术有LPCVD、PECVD，未来发展方向有HDPCVD、SACVD。

主要厂商有：AMAT、LAM、TEL。

国内厂商有：北方华创、拓荆科技、中微公司。

3、ALD原子层沉积：原子级别的精密膜沉积

ALD是一种以单原子膜形式逐层沉积在基底上的镀膜方法，是化学气相沉积的一种特殊形式。

ALD的原理为气相前驱体脉冲交替通入反应器并在基底表面以单原子层的模式逐层成膜，反应步骤包括：1）前驱体A进入反应室并吸附在基体表面；2）惰性气体冲洗反应室，将剩余的前驱体A清洗干净；3）前驱体B进入反应室并吸附在基体表面，与前驱体A发生化学反应，生成目标薄膜；4）惰性气体冲洗反应室，将化学反应生成的副产物清除出反应室，完成一次原子层薄膜沉积。如此循环往复，即可实现单位原子层级的薄膜沉积。

ALD具备精准的膜厚控制能力，沉积薄膜的厚度均匀性和一致性极为优秀，且其台阶覆盖能力非常强大，适合深槽结构中的薄膜生长。ALD在SADP、HKMG、金属铜互联扩散阻挡层等多道工艺中发挥重要作用。

主要厂商：ASM、TEL。

国内厂商：微导纳米、拓荆科技、北方华创。

总体而言，PVD、CVD、ALD三类薄膜沉积设备都会应用于芯片制造之中，国内薄膜沉积设备技术水平落后于国际。

二、国内薄膜沉积设备厂商产品一览

1、北方华创：国内领先的半导体厂商

2、拓荆科技：专注薄膜沉积设备

3、微导纳米：ALD领先

4、盛美上海：清洗设备起家，薄膜沉积新秀

资料来源：平安证券电子