半导体ALD
工艺原理和发展前景
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半导体制造设备是半导体产业的重要支撑，是解决国内产业“卡脖子”的关键环节。中原信托作为河南省属金融机构，近年来先后成功投资了中欣晶圆、中芯越州、晶存科技等多家半导体细分领域的龙头企业。结合日常投研工作，中原信托私募股权投资团队本次分享关于半导体设备的研究成果，主题为“半导体ALD工艺原理和发展前景”。
随着芯片晶体管的尺寸越来越小，传统物理气相沉积（PVD）及化学气相沉积（CVD）工艺已经无法满足相关技术要求，原子层沉积（ALD）作为一种高度精细的薄膜沉积技术，已经被越来越多的半导体制造企业采用。
什么是ALD？
ALD （Atomic Layer Deposition），也称为原子层沉积，是一种高精度的沉积技术。生产过程中，工程师通过交替地引入不同物质，使物质在晶圆表面逐层反应，每个反应周期只添加一个原子或分子，从而形成均匀且可控厚度的薄膜。通俗来说，工程师通过ALD薄膜沉积设备，将一层层亚纳米级厚的薄膜均匀地“涂”在物体表面。
ALD原子层沉积原理
ALD技术通过化学反应的方式，将多种物质固定在晶圆表面，这里面的物质有的是导电的、有的是不导电的，从而形成具备导电、绝缘等某种功能的薄膜。在沉积的过程中，会运用到沉积、清洗等工序，最终多次循环，形成所需要的一定功能和厚度的薄膜。
图片来源：微导纳米招股说明书ALD原子层沉积工艺优势
按工艺原理的不同，薄膜沉积工艺可分为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）三大类。相比于ALD技术，PVD技术简单，沉积速率高，但一般只适用于平面的膜层制备；CVD技术的重复性和覆盖质量比前者PVD略好，但是影响工艺质量的因素较多，成膜的均匀性较差且难以精确控制薄膜厚度。
相较于传统PVD及CVD工艺，ALD工艺沉积效率不高，但ALD的优势在于每个沉积周期中，只有一层物质被添加到薄膜中，因此ALD具有高度均匀精确的薄膜厚度控制以及对复杂形状的表面适用性高等优点。因此，预期在先进晶圆制程中，原子层沉积ALD的占比将越来越高。
ALD设备的市场规模情况
薄膜沉积设备作为晶圆制造的三大主设备之一，其投资规模约占晶圆制造设备总投资的25%。SEMI预测，2025年我国ALD设备市场规模将由2022年的63亿元增长至128亿元。
ALD设备竞争格局：国际巨头垄断市场，国产替代市场广阔
目前全球市场上，半导体ALD设备主要被先晶半导体（ASMI）、东京电子（TEL）、泛林半导体（Lam）、应用材料（AMAT）等国际巨头公司垄断。
国内部分厂商的原子层沉积设备在光伏等领域已基本实现国产替代，但先进制程的半导体领域，整体国产化率不足5%。在国产替代背景下，随着核心技术的不断突破以及不同环节工艺水平的提升，我国ALD设备企业具有广阔的发展空间。