中金：未來半導體真空零部件國產替代有望加速
真空系統爲半導體設備中核心的零部件，尤其在等離子體設備運行時對真空環境的要求尤爲嚴苛。目前真空系統中核心部件（真空泵、閥門、腔體、測量儀器）等皆主要由美、日、歐洲企業供應。隨着半導體供應鏈安全重要性日趨增加，中金研究認爲未來真空零部件國產替代有望加速。
摘要
真空系統爲幹法（等離子體）設備中核心的組成部分之一。真空系統通常由真空泵（低溫泵、幹泵、分子泵等）、真空閥門（隔離閥、傳輸閥、調壓閥、插板閥等）、真空測量儀器（薄膜真空規、壓力开關等）、真空腔體、真空管路及法蘭等核心零部件構成。在半導體幹法設備中通常需要在真空條件下利用高頻高壓使電極周圍的氣體電離形成等離子體，並對晶圓進行加工，因此真空系統在幹法設備中起到至關重要的作用。
2023年全球真空零部件市場約55.9-83.8億美元。中金研究從半導體設備零部件兩大下遊市場出發，根據SEMI，2023年全球前道設備市場規模906億美元，真空系統在設備採購中佔比約20-30%，2023年全球設備廠採購真空零部件約35.9~53.8億美元；根據全球晶圓廠零部件採購金額在100~150億美元推算出晶圓廠端每年採購真空類備件約20~30億美元。
國產化率較低，看好真空零部件加速實現替代。半導體真空零部件目前主要供應商仍爲美、日、歐洲企業，國內企業基本仍處於研發、認證階段，如半導體真空泵主要供應商爲Atlas（瑞典）、Ebara（日）、普發真空（德），半導體真空閥門主要供應商爲VAT（瑞士），半導體真空測量儀器主要供應商爲MKS（美）、Inficon（德），中金研究認爲未來隨着供應鏈安全考量，半導體真空零部件有望加速實現國產替代。
風險
國產半導體設備出貨不及預期、半導體設備零部件廠商技術研發進展不及預期、中美貿易摩擦加劇。
正文
真空零部件介紹
真空系統是半導體幹法設備的重要組成系統
半導體制造過程中，需經過光刻、刻蝕、薄膜沉積等多種工藝，中金研究通常根據其主要使用氣體加工還是液體加工，將前道制造設備分爲幹法設備及溼法設備，其中幹法設備主要包含：等離子體刻蝕設備、薄膜沉積設備、去膠/熱處理設備等；溼法設備主要包含：清洗設備、電鍍設備、CMP設備等。由於幹法設備通常需要在真空條件下，利用高頻高壓使電極周圍的氣體電離形成等離子體，再對晶圓進行加工，因此真空系統在幹法（等離子體）設備中起到至關重要的作用。
半導體真空系統通常由真空泵（低溫泵、幹泵、分子泵等）、真空閥門（隔離閥、傳輸閥、調壓閥、插板閥等）、真空測量儀器（薄膜真空規、壓力开關等）、真空腔體、真空管路及法蘭等核心零部件構成。其中真空泵是真空系統中的重要組成部分，用來獲得及維持真空環境；真空閥門主要用來調節流量、切斷或接通管路的元件；真空管路及法蘭用於系統的可拆卸部位及安裝需要的連接部位；真空測量儀器則通常需在反應腔體、傳送模組等安裝完畢後的漏氣檢查。
圖表1：半導體真空系統示意圖
資料來源：MKS官網，中金公司研究部
真空系統在設備及晶圓廠備件採購佔比約20%~30%
半導體設備零部件通常分爲機械類、氣體輸送系列類、電氣類、機電一體類、真空系統類、氣動系統類、儀器儀表類、傳感器類共8類：
1）機械類：反應腔體、運輸腔體、設備支撐架、鈑金外殼、碳化硅淋浴頭上電極、陶瓷鍍膜上電極、靜電吸盤下電極、石墨圖盤、殼體外箱等；2）氣體輸送系列類：氣櫃、焊接件等；3）電氣類：可編程控制器、I/O模塊、AC模塊、DC模塊、工業電腦、可編程控制電源、加熱器、配電櫃、线束等；4）機電一體類：機械手、陶瓷轉輪、消防報警滅火裝置、溫控測量系統、進出口風閥；5）真空系統類：幹泵、分子泵、真空閥、傳輸閥門等；6）氣動系統類：電磁閥、接頭等；7）儀器儀表類：氣體流量計、壓力控制器等；8）傳感器類：光電傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等。
根據中微公司及拓荊科技招股說明書，2018年真空系統（泵、閥門、管道等）在刻蝕設備、薄膜沉積設備中的採購分別爲9.31%及5.65%，其中拓荊科技將泵劃分入附屬設備，故導致真空系統採購佔比偏低，中金研究認爲實際成本佔比約在10%左右。此外反應腔體、運輸腔體等真空腔體在採購時劃分在機械類中，因此中金研究認爲真空系統的整體採購比例應在設備成本佔比的20~30%。
圖表2：幹法設備公司各大類零部件佔比（2018年）
資料來源：中微公司、拓荊科技招股說明書，中金公司研究部
晶圓廠在長期使用半導體設備的過程中，設備不可避免地會產生磨損，需要對零部件進行替換。一部分設備零部件晶圓廠需要向設備原廠進行採購，這部分通常是定制化的零件或是較爲復雜的模組、系統。另外一部分標准化的零件或是較爲簡單的模組、系統晶圓廠直接向零部件廠商進行採購。
根據芯謀研究，2020年中國大陸晶圓廠直接採購零部件金額超過10億美元，如果剔除Samsung、SK Hynix、台積電等境外廠商在中國大陸的產线，中國本土晶圓廠（中芯國際、華虹集團、長江存儲、合肥長鑫等）直接採購零部件金額約4.3億美元，主要包括石英件、射頻發生器、泵、閥、靜電吸盤、噴淋頭、邊緣環、流量計、MFC、陶瓷件、密封圈。其中，真空類零部件（泵、閥門、密封圈）採購佔比合計達20%。
圖表3：2020年中國大陸晶圓廠採購零部件比例
資料來源：芯謀研究，中金公司研究部
市場規模：2023年全球真空零部件市場約55.9-83.8億美元
中金研究從半導體設備零部件兩大下遊市場出發推導出全球真空類半導體零部件市場規模約55.9~83.8億美元：
►下遊市場#1：設備廠商。根據SEMI測算，2023年全球前道設備市場規模906億美元，其中刻蝕設備、薄膜設備、去膠設備等幹法設備佔比約45%，參考半導體設備上市公司的財務數據，且半導體設備企業的毛利率普遍在40%-50%之間，其中半導體設備零部件佔營業成本比例80%左右，真空系統設備採購佔比約20%~30%，由此推測，2023年全球設備廠採購真空零部件35.9~53.8億美元；
►下遊市場#2：晶圓廠。根據芯謀研究，2020年中國大陸晶圓廠零部件採購金額超過10億美元。我國晶圓廠制造產能佔全球的比例在12-15%左右，考慮到先進工藝帶來的高附加值零部件採購需求，全球晶圓廠零部件採購金額在100~150億美元左右，真空備件（泵、閥門）採購佔比約20%，中金研究測算晶圓廠端每年採購真空類備件約20~30億美元。
真空類零部件拆分
真空泵：獲取真空環境的核心部件
真空泵是用以產生、改善和維持真空的裝置，爲半導體真空工藝系統中的核心零部件，可爲晶圓制造的核心工藝設備提供所必需的超潔淨真空環境，在PVD、CVD、刻蝕、離子注入等對真空環境要求較高的幹法工藝中應用廣泛。
圖表4：各類真空泵運作原理
資料來源：Ulvac官網，中金公司研究部
按半導體工藝來分類，對於半導體真空泵通常分爲清潔工藝、中等工藝和苛刻工藝制程，制程的分類原由真空泵的安裝位置和工藝反應產生的制程物特點決定，不同工藝制程對真空泵的需求不同，因此需要不同技術特性的幹式真空泵來滿足不同工藝制程的應用。
►清潔工藝：包括量測、光刻工藝，也包括中等工藝、苛刻工藝設備的裝載腔室 和傳輸腔室，對於真空泵的要求通常爲高可靠性、低成本、能夠實現快速抽氣、體積小等特點；
►中等工藝：包括PVD、幹法去膠、介電刻蝕、硅刻蝕、離子注入等，其對於真空泵的要求通常爲快速抽真空、低功耗、高性能等特點。
►苛刻工藝：包括各類CVD工藝、幹法導體刻蝕、退火、ALD工藝，對於真空泵要求通常爲耐腐蝕、耐粉塵、避免冷凝等特點。
圖表5：不同工藝對真空泵的要求
資料來源：中科儀招股說明書，中金公司研究部
根據中科儀招股說明書，在12英寸晶圓生產线中，平均每3.5萬片/月產能需要約2,000台真空泵，根據Semi統計數據，2023年全球晶圓在運產能折合12英寸約1,269萬片/月，假設存量幹式真空泵每年更換20%（晶圓制造企業對真空泵的折舊年限一般爲5年），按單台真空泵均價10~20萬元，中金研究測算得2023年全球半導體真空泵存量替換市場規模約145~290億元。
目前全球半導體幹式真空泵制造企業主要由海外供應商所主導，歐美日企業佔據整個市場90%以上的份額，國產化率目前較低，海外主要生產企業包括Atlas、Ebara、普發真空等。其中，Atlas成立於1873年，公司主要業務爲工業幹泵、化學幹泵、渦輪分子泵、液體閥門等，2014年公司收購Edwards，2016年公司收購Leybold及CSK，成爲全球真空泵龍頭企業；普發真空成立於1890年，是全球真空技術和泄漏檢測解決方案龍頭供應商之一，其高性能產品組合涵蓋了從真空泵到測量分析設備再到整套真空系統，普發真空在半導體制造領域提供多種真空泵解決方案，包含羅茨真空泵、旋片泵、渦輪泵等；Ebara主要產品爲幹式真空泵、CMP 設備、電鍍設備、廢氣處理設備。
真空閥門：氣體流量調節的核心开關
閥門爲半導體真空系統中的核心零部件，起到开閉、控制流量、調節壓力等作用，真空閥指的是用在真空系統中的閥門，其作用通常爲隔離真空區域（如工藝腔室）或控制氣體進出量。由於處於不同位置的閥門功能各不相同，因此種類衆多，可以分爲隔離閥、控制閥、傳輸閥其中，隔離閥起隔絕/接通作用，營造真空環境；控制閥主要起到控制氣體流量和壓力的作用；傳輸閥則可用於晶圓在腔體之間或腔體和 Load Lock之間的傳輸，根據閥門的工作方式劃分，隔離閥和控制閥又包括閘閥、角閥、蝶閥、球閥、鐘擺閥等。
圖表6：半導體真空閥門示意圖
資料來源：VAT官網，中金公司研究部
隔離閥主要爲閘閥和角閥，閘閥的啓閉件爲閘板，閘板運動方向與介質流動方向垂直，通過閘板的升降可以起到隔絕/接通作用，通常只作全开/全閉狀態，是隔離閥的理想選擇，而較少用作控制作用，閘閥可用於腔體和真空泵之間來保護真空泵，也可用於兩個相連腔體之間的隔離；角閥氣體通路通常呈直角，主要可用於真空系統中的排氣管路和抽氣系統等的連接，如用於主泵（通常爲分子泵）和前級泵（通常爲幹泵）之間（即前級管路），或者是工藝腔和前級泵之間（即粗抽或預真空管路），角閥適用於嚴苛的環境下，具有出色的可靠性，也可具備控制作用。
圖表7：閘閥示意圖
資料來源：新萊應材官網，中金公司研究部
圖表8：角閥示意圖
資料來源：新萊應材官網，中金公司研究部
控制閥主要通過縮小或加寬氣門通道來控制氣液體的體積流量，主要包含鐘擺閥、蝶閥及球閥，其中：1）鐘擺閥基於鐘擺運動原理來控制流體的流動，當閥門處於开啓狀態時，氣體可以自由流動，當閥門沒有外力作用時，受到重力影響會向下擺動處於關閉狀態，阻止氣體自由流動，具有設計緊湊、振動小、啓閉平穩、能有效避免產生顆粒的特點，被廣泛用作控制閥，多用於真空泵和工藝腔之間；2）蝶閥閥體呈圓筒形，軸向長度短，內置蝶板，利用圓盤的啓閉件往復回轉90°來开啓、關閉或調節氣體流量的一種閥門，具有結構簡單、體積小、重量輕、开關迅速、力矩較小的特點；3）球閥的啓閉件是中間帶有圓形通道的球體，可以繞垂直於通道的軸线旋轉，而達到啓閉通道的目的。球閥適用於高真空到低真空等壓力範圍，同時在帶有腐蝕性介質的系統中也均可適用。傳輸閥是用於連接腔室之間的閥門，通常用於工藝腔與Load lock之間，需要保證兩邊腔體的密封性。
圖表9：蝶閥示意圖
資料來源：VAT官網，中金公司研究部
圖表10：擺閥示意圖
資料來源：VAT官網，中金公司研究部
圖表11：傳輸閥示意圖
資料來源：新萊應材官網，中金公司研究部
圖表12：球閥示意圖
資料來源：新萊應材官網，中金公司研究部
根據VAT官網，2022年VAT在半導體真空閥門領域佔比約75%，公司認爲其市場佔有率未來有望超過85%，中金研究根據VAT 2022年半導體真空閥門收入爲7.7億瑞士法郎測算，測算2022年全球半導體真空閥門市場約10.3億瑞士法郎，約11.3億美元。VAT作爲全球領先的真空閥門企業，其產品涵蓋控制閥、隔膜閥、角閥、球閥、傳輸閥等各類型閥門，下遊廣泛應用於半導體、光伏、LED、醫療等領域，除VAT外全球領先的閥門供應商爲MKS、VTEX、ULVAC等企業。
圖表13：VAT全球市場份額
資料來源：VAT官網，中金公司研究部
真空腔體：提供工藝反應場景的核心容器
腔體是半導體設備中參與晶圓制備反應工序的關鍵部件，爲晶圓生產提供耐腐蝕、潔淨和高真空環境，腔體通常由高純度、耐腐蝕的材料制成，如不鏽鋼或鋁合金，以確保工藝的純淨行和腔體的耐用性。
►過度腔：過渡腔是設備中晶圓真空環境入口，晶圓從外部運輸至設備入口，經過前端模塊（EFEM）後進入過渡腔，方從大氣環境轉換爲真空環境，後續晶圓從過渡腔再進入真空環境的傳輸腔、反應腔進行工藝反應。過渡腔需要保證真空度、密封性以及晶圓經過不能發生污染，需要公司的高精密多工位復雜型面制造技術和耐腐蝕陽極氧化技術等核心技術，通常也稱爲真空鎖（Load lock）。
►傳輸腔：傳輸腔是晶圓在過渡腔和反應腔之間進行轉移的中間平台。若是傳輸腔密封區域加工不良，腔體無法保證真空，將會影響晶圓生產。公司通過高精密多工位復雜型面制造技術來保證傳輸腔的密封性和真空度。同時因傳輸腔需要與不同工藝的反應腔連接，公司採用不同的表面處理特種工藝來保證傳輸腔的潔淨度和耐腐蝕性，以延長其使用壽命並保證晶圓流轉環境不受污染。
►反應腔：反應腔是晶圓加工和生產的工作空間。在晶圓加工過程中，會有多種工藝氣體流入反應腔內，發生化學反應，從而其對潔淨度和耐腐蝕性要求較高。尤其是先進制程對於反應腔的潔淨度要求更高，公司需要通過高潔淨度精密清洗技術來確保反應腔的潔淨度，避免化學粒子產生，爲晶圓生產創造潔淨環境。此外，爲保證設備的使用壽命、提高生產效率，公司需要通過耐腐蝕陽極氧化技術等表面處理特種工藝技術來增強其耐腐蝕及耐擊穿電壓性能。
由於不同公司不同型號設備的腔體大小、潔淨度等要求均有所差異，因此腔體生產通常具有小批量、多品種、定制化的特點，全球參與腔體加工的企業通常也負責對工藝零部件（內襯、加熱器、勻氣盤）及結構零部件（基板、冷卻版、蓋板等）進行加工，其核心壁壘在於陽極氧化、電解拋光、化學清洗等表面處理特種工藝以保持精密零部件的高潔淨、超腐蝕、耐擊穿電壓等性能，以及精密機械的制造和焊接技術。全球參與精密機械制造的公司主要爲Ferrotec、京鼎精密、UCT等，目前國內新萊應材、富創精密、靖江先鋒、托倫斯等企業均有參與真空腔體的制造。
真空規：用於測量真空度的核心儀器
真空規是用於探測低壓空間稀薄氣體壓力的儀器，由真空管、指針、尺度盤、密封杆等部分組成。根據原理不同，主要分爲三類：一是絕對壓力的真空規，如波登式真空規和電容式真空規；二是熱傳導式真空規，如皮拉尼真空規（熱電阻）；三是電離式真空規，如冷陰極真空規和熱陰極真空規，此外還包括質譜分析儀、磁懸浮轉子真空規。在低真空度中，薄膜真空規、壓阻式真空規應用較多；在中真空度中，多選用電離真空規、皮拉尼真空規；在高真空度中，以電離真空規爲主；在超高真空度中，熱陰極真空規應用較廣泛。
圖表14：真空規示意圖
資料來源：MKS官網，中金公司研究部
在半導體工藝中，真空規主要應用於粗真空環境及工藝過程中，在刻蝕、CVD、外延等等離子體工藝所需要的真空環境以及氣體通入腔體時都需要對腔體內的真空度進行實時監控，皮拉尼真空規和電容薄膜真空規在半導體領域應用較多。目前全球半導體主要供應商爲美國MKS及瑞士Inficon，國內目前國產化率仍較低，主要研發企業爲上海振太。
產業鏈圖譜
中金研究對半導體設備零部件產業鏈按照八大類型（即機械類、氣體輸送系列類、電氣類、機電一體類、真空系統類、氣動系統類、儀器儀表類、傳感器類）進行了梳理，產業鏈內具體國內外布局公司情況如下：
圖表15：半導體零部件產業鏈圖譜
資料來源：各公司官網，中金公司研究部
風險
►國產半導體設備出貨不及預期：中金研究認爲國產半導體設備是國產半導體設備零部件的重要下遊，如果國產半導體設備出貨量受到晶圓廠資本开支、或是出貨受限等原因出貨不及預期，則可能會直接影響到國產半導體設備零部件的出貨。
►半導體設備零部件廠商技術研發進展不及預期：目前晶圓制造和半導體設備已向更先進的工藝制程演進，對零部件企業的研發能力不斷提出更高要求。目前國內真空零部件廠商已經取得了突破，如果這些企業技術研發進展不及預期，公司將難以獲得超出行業的增速。
►中美貿易摩擦加劇：部分國內半導體設備零部件廠商產品發往海外，也有部分國內半導體設備零部件廠商原材料來自海外，若中美貿易摩擦加劇，將會給這些企業帶來不確定性。
注：本文摘自中金研究2024年5月29日已經發布的《“芯機遇”系列：見微知著，半導體真空零部件砥礪前行》，分析師：江磊 S0080523070007 ；彭虎 S0080521020001；石曉彬 S0080521030001；張怡康 S0080522110007；胡炯益 S0080522080012
標題：中金：未來半導體真空零部件國產替代有望加速
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