真空镀膜与薄膜沉积设备：半导体制造的核心驱动力

在半导体制造的复杂工艺中，真空镀膜设备与薄膜沉积设备扮演着极为关键的角色，是推动行业发展的核心力量。这两类设备的技术水平，直接影响着芯片的性能、成本与生产效率，在当前半导体产业蓬勃发展的大背景下，其重要性愈发凸显。

一、技术原理与工艺特点

（一）真空镀膜设备

真空镀膜是在高真空环境下，通过物理或化学方法将材料沉积在基底表面形成薄膜的技术。常见的物理气相沉积（PVD）技术，如蒸发镀膜与溅射镀膜，各有独特之处。蒸发镀膜是将镀膜材料加热至蒸发温度，使其原子或分子逸出并沉积在基底上。这种方法设备简单、沉积速率快，适用于大面积、对薄膜均匀性要求相对不高的场景，如光学镜片的增透膜制备。

溅射镀膜则是利用高能离子轰击靶材，使靶材原子溅射出来并沉积在基底表面。它能实现对多种材料的镀膜，薄膜附着力强、成分可控，在半导体制造的金属化工艺中广泛应用，像芯片电极的制作。

磁控溅射技术

厦门毅睿科技-溅镀系统

化学气相沉积（CVD）作为化学镀膜的代表，通过气态反应物在基底表面发生化学反应，生成固态产物并沉积成膜。以二氧化硅绝缘层的制备为例，硅源气体（如硅烷）与氧源气体在高温、真空环境下反应，在硅片表面形成均匀、致密的二氧化硅薄膜。CVD 可精确控制薄膜成分与结构，能制备出高质量的半导体外延层和绝缘层，满足半导体制造对薄膜高质量、高精度的要求。

(CVD) 直流电弧等离子体喷射法装置示意图

厦门毅睿科技-化学气相沉积（cvd）

（二）薄膜沉积设备

薄膜沉积设备涵盖多种技术类型，原子层沉积（ALD）技术凭借原子级别的精确控制能力脱颖而出。ALD 基于自限制的表面化学反应，每次反应仅生长一层原子，能实现单原子层精度的薄膜厚度控制，薄膜均匀性和一致性极佳。在先进制程芯片制造中，高介电常数栅极氧化物等关键薄膜的沉积，ALD 设备发挥着不可替代的作用，确保了晶体管性能的稳定性与可靠性。物理气相沉积（PVD）设备在薄膜沉积领域同样占据重要地位，除了在半导体金属化工艺中的应用，还能通过控制沉积参数，精确调整薄膜的晶体结构和电学性能，满足不同芯片制造环节对薄膜性能的多样需求。

厦门毅睿科技-原子层沉积（ALD）系统

二、在半导体制造中的关键应用

（一）芯片制造环节

1. 晶体管制造：在晶体管栅极的制作过程中，真空镀膜与薄膜沉积设备发挥着至关重要的作用。利用 PVD 设备的溅射工艺，将金属靶材（如钛、铝、铜等）原子溅射沉积在硅片表面形成栅极金属层，实现纳米级的薄膜厚度控制和良好的台阶覆盖率，确保栅极与半导体衬底间的有效电连接。在 7nm 及以下先进制程中，栅极金属层厚度仅几纳米，设备的高精度沉积能力有效降低栅极电阻，减少信号传输延迟，大幅提升晶体管的开关速度与芯片的计算性能。
2. 绝缘层与互连结构构建：为防止芯片内部电路短路，高质量绝缘层必不可少。CVD 设备常用于沉积二氧化硅等绝缘层薄膜，其优异的介电性能和化学稳定性有效隔离不同导电层，减少漏电流，提高芯片可靠性与使用寿命。在多层互连结构构建方面，PVD 设备先溅射沉积阻挡层（如氮化钛）防止铜原子扩散，再沉积铜种子层为电镀铜工艺打基础，精确控制薄膜厚度与成分，降低互连电阻，提升信号传输速度，满足高性能芯片对数据处理速度和功耗的严苛要求。

（二）存储芯片制造

在 NAND Flash 芯片中，高质量的电荷捕获层和隧道氧化层薄膜是保证存储性能的关键，ALD 等薄膜沉积设备精确控制薄膜沉积过程，制备出具有出色电荷保持能力和耐久性的薄膜，提高芯片存储容量与使用寿命。DRAM 制造中，真空镀膜与薄膜沉积设备用于沉积电容电极和绝缘层薄膜，提升电容存储容量与稳定性，进而提高 DRAM 芯片的性能与存储密度，采用先进设备技术的存储芯片，读写速度可提升约 15%，存储容量显著增加。

三、市场现状与竞争格局

（一）市场规模

全球半导体产业的持续扩张带动了真空镀膜与薄膜沉积设备市场的稳步增长。2023 年全球半导体设备市场规模达 1063 亿美元，其中薄膜沉积设备市场规模约 211 亿美元。随着芯片制程不断向更小尺寸推进，以及存储芯片、新兴应用领域对设备需求的增加，预计未来几年薄膜沉积设备市场规模将保持良好的增长态势。真空镀膜设备在半导体及其他多个行业的广泛应用，也促使其市场规模不断扩大，2024 年全球真空镀膜市场规模已达 285.7 亿美元，且有望在汽车、半导体等行业需求的推动下持续增长。

（二）竞争格局

国际上，应用材料（Applied Materials）、泛林集团（Lam Research）、东京电子（Tokyo Electron）等企业凭借深厚的技术积累、持续的研发投入和广泛的市场布局，在全球真空镀膜与薄膜沉积设备市场占据主导地位，市场份额总和超过 80%。这些企业在高端设备领域技术领先，产品种类丰富，能为客户提供全面的解决方案。国内方面，随着国家对半导体产业的大力支持，北方华创、拓荆科技、中微公司、微导纳米等一批本土企业迅速崛起。它们在 PVD、CVD 等设备领域取得显著进展，部分产品已实现国产替代，逐步缩小与国际巨头的差距，但在整体市场份额和高端设备技术方面仍有提升空间，尤其在技术门槛极高的 ALD 设备领域，国产率相对较低。

四、技术创新趋势

（一）性能提升方向

1. 更高精度控制：随着芯片制程向 3nm、2nm 甚至更小尺寸迈进，对薄膜沉积精度的要求达到原子级别。ALD 设备不断优化反应机制与控制算法，进一步提高薄膜厚度和成分的控制精度，降低薄膜缺陷率。PVD 和 CVD 设备也在通过改进工艺参数控制、升级设备硬件等方式，实现更高精度的薄膜沉积，确保芯片内部结构的精确构建，提升芯片性能与稳定性。
2. 沉积效率提高：为满足半导体产业大规模生产需求，设备制造商致力于提高沉积效率。ALD 设备通过优化反应气体输送、改进反应腔室设计、开发新型前驱体等手段，在保证薄膜质量的前提下提升沉积速率。例如，采用脉冲式气体注入技术和高速旋转晶圆承载平台，使沉积速率提升约 20%，缩短芯片制造周期，降低生产成本。PVD 和 CVD 设备也在通过创新工艺，如开发高效溅射源、优化气体流量控制等，提高薄膜沉积速度，提升生产效率。

（二）新型工艺开发

1. 应对先进制程挑战：针对传统铜互连工艺在先进制程中面临的电阻和电容增大问题，研发新型互连工艺及相应的真空镀膜与薄膜沉积设备。如开发钌（Ru）互连工艺，要求设备具备更高工艺适应性，实现新材料的高质量沉积。为满足三维异构集成需求，设备需具备多层薄膜精确沉积和图案化能力，以实现芯片垂直方向的高效互连与集成。
2. 适应新材料应用：随着二维材料、量子材料等新型半导体材料的涌现，开发适用于这些材料的薄膜沉积工艺与设备。这些新材料具有独特物理化学性质，对设备的沉积环境、工艺参数控制提出新要求，通过创新设备技术，实现新型材料薄膜的高质量制备，推动半导体器件性能的飞跃，为未来半导体技术发展开辟新路径。

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