原子层沉积：芯片制造里最贵却最不可或缺的“纳米绣花针”
在当今半导体制造的世界里，有一种技术，它不像光刻机那样声名显赫，也不像刻蚀机那样频繁出现在新闻头条，但它却是先进芯片得以存在的幕后英雄——它就是原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）。
如果你听说过3纳米、2纳米甚至GAA（全环绕栅极）晶体管这些词，那你一定绕不开ALD。今天，我们就来深挖这项“贵得有道理”的尖端工艺，看看它到底凭什么在晶圆厂里占据一席之地，又为何被称为“纳米级绣花针”。
首先，什么是原子层沉积？
简单来说，ALD是一种通过逐层“搭积木”的方式，在基底表面沉积超薄薄膜的技术。它不是一次性喷上去一大层，而是通过一个又一个精确控制的化学循环，每次只“长”出一个原子层的厚度。
整个过程就像在微观世界里一针一线地绣花，每一针都精准无误，绝不重叠、绝不遗漏。
这种“自限性化学吸附”机制，是ALD最核心的原理——前驱体A进入反应腔，只与表面未被占据的位置发生反应，一旦表面饱和，再多的前驱体也无济于事；接着用惰性气体（比如氩气或氮气）把多余的气体和副产物吹走；然后前驱体B进来，与已经吸附的A反应，形成我们想要的固态薄膜；再吹一次气，完成一个循环。如此反复，一层又一层，直到达到目标厚度。
正因为这种“一次只长一层”的特性，ALD能实现无与伦比的膜厚控制精度——误差可以控制在单个原子级别。同时，它还能在极其复杂的三维结构上实现完美的保形覆盖（conformality），哪怕是在高深宽比的沟槽、孔洞或FinFET鳍片之间，也能均匀成膜。这是其他沉积技术，比如化学气相沉积（CVD）或等离子体增强化学气相沉积（PECVD）难以企及的。
说到CVD，就不得不提成本问题。ALD设备是目前所有沉积设备中最昂贵的，价格通常是CVD设备的数倍。
正因如此，在一座月产能3万片晶圆（30K wpm）的先进晶圆厂里，ALD设备在整个沉积设备中的占比通常只有“低两位数百分比”——也就是说，不到20%。但这并不意味着它不重要，恰恰相反，越是关键、越是精细的步骤，越离不开ALD。
那么，ALD到底能沉积哪些材料？范围非常广！
从基础的二氧化硅（SiO₂）和氮化硅（Si₃N₄），到化合物半导体如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）和氮化铟（InN），再到高介电常数（high-k）材料如氧化铝（Al₂O₃）、二氧化钛（TiO₂）、氧化锆（ZrO₂）、氧化铪（HfO₂）、五氧化二钽（Ta₂O₅）和氧化镧（La₂O₃），统统都能用ALD搞定。
更厉害的是，连金属氮化物——比如氮化钛（TiN）、氮化钽（TaN）、五氮化三钽（Ta₃N₅）、氮化铌（NbN）和氮化钼（MoN）——这些在MOSFET晶体管中用作栅极或阻挡层的关键材料，也能通过ALD精确沉积。
当然，ALD也不是没有缺点。最大的两个短板就是：沉积速度慢、气体利用率低。
典型的ALD沉积速率只有每分钟10纳米左右，而PECVD动辄能达到每分钟800纳米。这意味着，如果要沉积几十或上百纳米的厚膜，用ALD根本不现实。所以，ALD主要用在那些对厚度要求极薄（通常低于10纳米）、但对均匀性和保形性要求极高的场景。
比如，在DRAM存储电容中，high-k介质层必须又薄又均匀，否则电容性能会大打折扣；在FinFET或GAA晶体管中，high-k金属栅结构需要在纳米级的鳍片或纳米片表面完美覆盖；在3D NAND闪存中，那些层层堆叠的字线（word line）结构内部有成百上千个高深宽比的孔洞，只有ALD才能确保每一层介质或阻挡层都均匀无缺。可以说，没有ALD，就没有今天的3D NAND和GAA晶体管。
更前沿的是“选择性原子层沉积”（Selective ALD，简称SALD）。这可不是普通ALD，它能“认准”特定材料表面进行沉积，而对其他区域“视而不见”。根据材料组合的不同，SALD可分为四类：介质在金属上沉积、介质在介质上沉积、金属在介质上沉积、金属在金属上沉积。听起来有点绕？举个实际例子你就明白了。
在3D NAND制造中，有一道关键工艺叫“阶梯蚀刻”（staircase etch），用来形成字线的接触台阶。蚀刻和清洗之后，工程师会先用CVD沉积一层二氧化硅（SiOx），然后把台阶顶部的氧化层去掉，只留下侧壁上的。这时候，SALD就登场了——它能选择性地只在氮化硅（SiN）表面沉积新的SiN层，而不会在旁边的氧化物上生长。这样一来，后续沉积的钨（W）字线接触垫就能获得更宽的“着陆区”，不仅提升电连接可靠性，还能防止钨在高温下“钻”进不该去的地方，造成短路。
这种“指哪打哪”的能力，让SALD成为未来先进制程的关键技术。无论是GAA晶体管、4F²（即每个存储单元仅占4倍最小特征面积）的高密度内存，还是进一步缩小的线宽（pitch scaling），都离不开选择性沉积的加持。目前，全球各大半导体设备巨头都在疯狂投入SALD研发，试图抢占下一代技术制高点。
说到设备厂商，目前ALD市场的领头羊是荷兰的ASM国际（ASM International），紧随其后的是美国的应用材料（Applied Materials），再往后是泛林集团（Lam Research）和东京电子（Tokyo Electron，简称TEL）。这四家几乎垄断了高端ALD设备市场。
至于中国台湾地区，虽然像志圣（Skytech）这样的本土厂商已在ALD领域取得一定进展，但距离国际一线水平仍有不小差距，短期内还难以构成实质性竞争。
值得一提的是，台湾工业技术研究院（ITRI）近年来也在ALD技术上有所突破。他们开发了一种通过提高前驱体流速来提升吞吐量（throughput）的解决方案，试图缓解ALD沉积速度慢的痛点。虽然尚未大规模商用，但这代表了本地科研机构在高端设备国产化道路上的积极探索。
总结一下，ALD虽然贵、虽然慢，但它在纳米尺度下的精准控制能力，是其他技术无法替代的。随着芯片结构越来越复杂、特征尺寸越来越小，ALD的重要性只会越来越强。它或许不是晶圆厂里数量最多的设备，但绝对是决定芯片性能上限的关键一环。
未来，随着选择性ALD、等离子体增强ALD（PE-ALD）、空间式ALD（spatial ALD）等新技术的成熟，ALD的应用场景将进一步拓展。也许有一天，我们能在逻辑芯片、存储芯片甚至量子器件中，看到更多由ALD“绣”出来的纳米奇迹。
极客辣评
ALD相关概念a股：
目前A股市场中，尚无纯正的ALD（原子层沉积）设备整机制造商，但已有多家上市公司在ALD设备核心零部件、前驱体材料、薄膜沉积工艺或半导体设备平台集成方面进行布局，被市场视为“ALD相关概念股”。以下是主要A股标的及其与ALD技术的关联逻辑（截至2025年）：
1. 北方华创（002371.SZ）
关联点：国产PVD/CVD/ALD多工艺平台布局
北方华创是国内半导体设备龙头，其“立式炉”和“原子层沉积设备”已进入验证或小批量阶段。公司公开披露正在研发热ALD和等离子体增强ALD（PE-ALD）设备，目标用于high-k介质、金属栅及3D NAND等先进制程。虽尚未大规模量产，但已被视为A股最接近ALD整机设备的标的。
2. 拓荆科技（688072.SH）
关联点：薄膜沉积设备龙头，技术路线覆盖ALD
拓荆科技以PECVD和SACVD（次常压CVD）为主，但其招股书及年报明确提到正在开发ALD技术平台，尤其针对高深宽比结构的保形沉积需求。公司已具备ALD工艺研发能力，并与国内晶圆厂合作推进验证。市场普遍将其纳入ALD概念阵营。
3. 华海清科（688120.SH）
关联点：CMP设备龙头，延伸至薄膜与清洗集成
虽主营化学机械抛光（CMP）设备，但华海清科正拓展“多工艺集成”平台，部分先进封装和3D NAND产线中需ALD与CMP协同。公司虽未直接做ALD设备，但因深度绑定长江存储、长鑫存储等客户，在ALD相关产线中具备间接协同价值。
4. 安集科技（688019.SH）
关联点：抛光液+前驱体材料潜在布局
安集科技主营CMP抛光液，但近年来积极拓展半导体材料平台。有市场传闻其在探索ALD用金属有机前驱体（如Hf、Zr类化合物），但尚未有明确产品落地。目前属于材料端潜在ALD概念股，需持续跟踪研发进展。
5. 凯美特气（002549.SZ） & 华特气体（688268.SH）
关联点：电子特气供应商，提供ALD载气与反应气体
ALD工艺需高纯氩气、氮气作为吹扫气体，部分反应还需氨气、氧气等。这两家公司是国内电子特气主力供应商，产品已进入中芯国际、长江存储等产线，为ALD工艺提供基础气体支持，属上游配套环节。
6. 江丰电子（300666.SZ）
关联点：靶材+前驱体协同可能
主营高纯溅射靶材，用于PVD工艺。虽非直接ALD材料，但其在金属薄膜领域的技术积累，使其具备向ALD金属前驱体（如Ti、Ta化合物）延伸的潜力，目前尚处早期探索阶段。
市场提示：
- A股ALD产业链仍处早期发展阶段，多数公司处于技术验证或小批量导入阶段，尚未形成稳定营收贡献。
- 真正具备ALD设备量产能力的仍是ASM、应用材料等国际巨头，国产替代空间巨大但需时间。
- 投资者应重点关注北方华创、拓荆科技的技术突破与客户验证进展，这两家是当前A股ALD逻辑最清晰的标的。
总结：A股ALD概念股以设备平台型公司（北方华创、拓荆科技）为核心，辅以特气（华特气体、凯美特气）和材料（安集科技）等配套企业，整体处于“主题投资+长期成长”阶段，需结合技术进展与订单落地动态评估。