中金公司：半导体真空零部件国产替代有望加速

　　摘要

　　真空系统为干法（等离子体）设备中核心的组成部分之一。真空系统通常由真空泵（低温泵、干泵、分子泵等）、真空阀门（隔离阀、传输阀、调压阀、插板阀等）、真空测量仪器（薄膜真空规、压力开关等）、真空腔体、真空管路及法兰等核心零部件构成。在半导体干法设备中通常需要在真空条件下利用高频高压使电极周围的气体电离形成等离子体，并对晶圆进行加工，因此真空系统在干法设备中起到至关重要的作用。

　　2023年全球真空零部件市场约55.9-83.8亿美元。我们从半导体设备零部件两大下游市场出发，根据SEMI，2023年全球前道设备市场规模906亿美元，真空系统在设备采购中占比约20-30%，2023年全球设备厂采购真空零部件约35.9~53.8亿美元；根据全球晶圆厂零部件采购金额在100~150亿美元推算出晶圆厂端每年采购真空类备件约20~30亿美元。

　　国产化率较低，看好真空零部件加速实现替代。半导体真空零部件目前主要供应商仍为美、日、欧洲企业，国内企业基本仍处于研发、认证阶段，如半导体真空泵主要供应商为Atlas（瑞典）、Ebara（日）、普发真空（德），半导体真空阀门主要供应商为VAT（瑞士），半导体真空测量仪器主要供应商为MKS（美）、Inficon（德），我们认为未来随着供应链安全考量，半导体真空零部件有望加速实现国产替代。

　　风险：国产半导体设备出货不及预期、半导体设备零部件厂商技术研发进展不及预期、中美贸易摩擦加剧。

　　正文

　　真空零部件介绍

　　真空系统是半导体干法设备的重要组成系统

　　半导体制造过程中，需经过光刻、刻蚀、薄膜沉积等多种工艺，我们通常根据其主要使用气体加工还是液体加工，将前道制造设备分为干法设备及湿法设备，其中干法设备主要包含：等离子体刻蚀设备、薄膜沉积设备、去胶/热处理设备等；湿法设备主要包含：清洗设备、电镀设备、CMP设备等。由于干法设备通常需要在真空条件下，利用高频高压使电极周围的气体电离形成等离子体，再对晶圆进行加工，因此真空系统在干法（等离子体）设备中起到至关重要的作用。

　　半导体真空系统通常由真空泵（低温泵、干泵、分子泵等）、真空阀门（隔离阀、传输阀、调压阀、插板阀等）、真空测量仪器（薄膜真空规、压力开关等）、真空腔体、真空管路及法兰等核心零部件构成。其中真空泵是真空系统中的重要组成部分，用来获得及维持真空环境；真空阀门主要用来调节流量、切断或接通管路的元件；真空管路及法兰用于系统的可拆卸部位及安装需要的连接部位；真空测量仪器则通常需在反应腔体、传送模组等安装完毕后的漏气检查。

　　图表1：半导体真空系统示意图

　　资料来源：MKS官网，中金公司研究部

　　真空系统在设备及晶圆厂备件采购占比约20%~30%

　　半导体设备零部件通常分为机械类、气体输送系列类、电气类、机电一体类、真空系统类、气动系统类、仪器仪表类、传感器类共8类：

　　1）机械类：反应腔体、运输腔体、设备支撑架、钣金外壳、碳化硅淋浴头上电极、陶瓷镀膜上电极、静电吸盘下电极、石墨图盘、壳体外箱等；2）气体输送系列类：气柜、焊接件等；3）电气类：可编程控制器、I/O模块、AC模块、DC模块、工业电脑、可编程控制电源、加热器、配电柜、线束等；4）机电一体类：机械手、陶瓷转轮、消防报警灭火装置、温控测量系统、进出口风阀；5）真空系统类：干泵、分子泵、真空阀、传输阀门等；6）气动系统类：电磁阀、接头等；7）仪器仪表类：气体流量计、压力控制器等；8）传感器类：光电传感器、压力传感器、温度传感器等。

　　根据中微公司及拓荆科技招股说明书，2018年真空系统（泵、阀门、管道等）在刻蚀设备、薄膜沉积设备中的采购分别为9.31%及5.65%，其中拓荆科技将泵划分入附属设备，故导致真空系统采购占比偏低，我们认为实际成本占比约在10%左右。此外反应腔体、运输腔体等真空腔体在采购时划分在机械类中，因此我们认为真空系统的整体采购比例应在设备成本占比的20~30%。

　　图表2：干法设备公司各大类零部件占比（2018年）

　　资料来源：中微公司、拓荆科技招股说明书，中金公司研究部

　　晶圆厂在长期使用半导体设备的过程中，设备不可避免地会产生磨损，需要对零部件进行替换。一部分设备零部件晶圆厂需要向设备原厂进行采购，这部分通常是定制化的零件或是较为复杂的模组、系统。另外一部分标准化的零件或是较为简单的模组、系统晶圆厂直接向零部件厂商进行采购。

　　根据芯谋研究，2020年中国大陆晶圆厂直接采购零部件金额超过10亿美元，如果剔除Samsung、SK Hynix、台积电等境外厂商在中国大陆的产线，中国本土晶圆厂（中芯国际、华虹集团、长江存储、合肥长鑫等）直接采购零部件金额约4.3亿美元，主要包括石英件、射频发生器、泵、阀、静电吸盘、喷淋头、边缘环、流量计、MFC、陶瓷件、密封圈。其中，真空类零部件（泵、阀门、密封圈）采购占比合计达20%。

　　图表3：2020年中国大陆晶圆厂采购零部件比例

　　资料来源：芯谋研究，中金公司研究部

　　市场规模：2023年全球真空零部件市场约55.9-83.8亿美元

　　我们从半导体设备零部件两大下游市场出发推导出全球真空类半导体零部件市场规模约55.9~83.8亿美元：

　　下游市场#1：设备厂商。根据SEMI测算，2023年全球前道设备市场规模906亿美元，其中刻蚀设备、薄膜设备、去胶设备等干法设备占比约45%，参考半导体设备上市公司的财务数据，且半导体设备企业的毛利率普遍在40%-50%之间，其中半导体设备零部件占营业成本比例80%左右，真空系统设备采购占比约20%~30%，由此我们推测，2023年全球设备厂采购真空零部件35.9~53.8亿美元；

　　下游市场#2：晶圆厂。根据芯谋研究，2020年中国大陆晶圆厂零部件采购金额超过10亿美元。我国晶圆厂制造产能占全球的比例在12-15%左右，考虑到先进工艺带来的高附加值零部件采购需求，全球晶圆厂零部件采购金额在100~150亿美元左右，真空备件（泵、阀门）采购占比约20%，我们测算晶圆厂端每年采购真空类备件约20~30亿美元。

　　真空类零部件拆分

　　真空泵：获取真空环境的核心部件

　　真空泵是用以产生、改善和维持真空的装置，为半导体真空工艺系统中的核心零部件，可为晶圆制造的核心工艺设备提供所必需的超洁净真空环境，在PVD、CVD、刻蚀、离子注入等对真空环境要求较高的干法工艺中应用广泛。

　　图表4：各类真空泵运作原理

　　资料来源：Ulvac官网，中金公司研究部

　　按半导体工艺来分类，对于半导体真空泵通常分为清洁工艺、中等工艺和苛刻工艺制程，制程的分类原由真空泵的安装位置和工艺反应产生的制程物特点决定，不同工艺制程对真空泵的需求不同，因此需要不同技术特性的干式真空泵来满足不同工艺制程的应用。

　　清洁工艺：包括量测、光刻工艺，也包括中等工艺、苛刻工艺设备的装载腔室和传输腔室，对于真空泵的要求通常为高可靠性、低成本、能够实现快速抽气、体积小等特点；

　　中等工艺：包括PVD、干法去胶、介电刻蚀、硅刻蚀、离子注入等，其对于真空泵的要求通常为快速抽真空、低功耗、高性能等特点。

　　苛刻工艺：包括各类CVD工艺、干法导体刻蚀、退火、ALD工艺，对于真空泵要求通常为耐腐蚀、耐粉尘、避免冷凝等特点。

　　图表5：不同工艺对真空泵的要求

　　资料来源：中科仪招股说明书，中金公司研究部

　　根据中科仪招股说明书，在12英寸晶圆生产线中，平均每3.5万片/月产能需要约2,000台真空泵，根据Semi统计数据，2023年全球晶圆在运产能折合12英寸约1,269万片/月，假设存量干式真空泵每年更换20%（晶圆制造企业对真空泵的折旧年限一般为5年），按单台真空泵均价10~20万元，我们测算得2023年全球半导体真空泵存量替换市场规模约145~290亿元。

　　目前全球半导体干式真空泵制造企业主要由海外供应商所主导，欧美日企业占据整个市场90%以上的份额，国产化率目前较低，海外主要生产企业包括Atlas、Ebara、普发真空等。其中，Atlas成立于1873年，公司主要业务为工业干泵、化学干泵、涡轮分子泵、液体阀门等，2014年公司收购Edwards，2016年公司收购Leybold及CSK，成为全球真空泵龙头企业；普发真空成立于1890年，是全球真空技术和泄漏检测解决方案龙头供应商之一，其高性能产品组合涵盖了从真空泵到测量分析设备再到整套真空系统，普发真空在半导体制造领域提供多种真空泵解决方案，包含罗茨真空泵、旋片泵、涡轮泵等；Ebara主要产品为干式真空泵、CMP 设备、电镀设备、废气处理设备。

　　真空阀门：气体流量调节的核心开关

　　阀门为半导体真空系统中的核心零部件，起到开闭、控制流量、调节压力等作用，真空阀指的是用在真空系统中的阀门，其作用通常为隔离真空区域（如工艺腔室）或控制气体进出量。由于处于不同位置的阀门功能各不相同，因此种类众多，可以分为隔离阀、控制阀、传输阀其中，隔离阀起隔绝/接通作用，营造真空环境；控制阀主要起到控制气体流量和压力的作用；传输阀则可用于晶圆在腔体之间或腔体和 Load Lock之间的传输，根据阀门的工作方式划分，隔离阀和控制阀又包括闸阀、角阀、蝶阀、球阀、钟摆阀等。

　　图表6：半导体真空阀门示意图

　　资料来源：VAT官网，中金公司研究部

　　隔离阀主要为闸阀和角阀，闸阀的启闭件为闸板，闸板运动方向与介质流动方向垂直，通过闸板的升降可以起到隔绝/接通作用，通常只作全开/全闭状态，是隔离阀的理想选择，而较少用作控制作用，闸阀可用于腔体和真空泵之间来保护真空泵，也可用于两个相连腔体之间的隔离；角阀气体通路通常呈直角，主要可用于真空系统中的排气管路和抽气系统等的连接，如用于主泵（通常为分子泵）和前级泵（通常为干泵）之间（即前级管路），或者是工艺腔和前级泵之间（即粗抽或预真空管路），角阀适用于严苛的环境下，具有出色的可靠性，也可具备控制作用。

　　图表7：闸阀示意图

　　控制阀主要通过缩小或加宽气门通道来控制气液体的体积流量，主要包含钟摆阀、蝶阀及球阀，其中：1）钟摆阀基于钟摆运动原理来控制流体的流动，当阀门处于开启状态时，气体可以自由流动，当阀门没有外力作用时，受到重力影响会向下摆动处于关闭状态，阻止气体自由流动，具有设计紧凑、振动小、启闭平稳、能有效避免产生颗粒的特点，被广泛用作控制阀，多用于真空泵和工艺腔之间；2）蝶阀阀体呈圆筒形，轴向长度短，内置蝶板，利用圆盘的启闭件往复回转90°来开启、关闭或调节气体流量的一种阀门，具有结构简单、体积小、重量轻、开关迅速、力矩较小的特点；3）球阀的启闭件是中间带有圆形通道的球体，可以绕垂直于通道的轴线旋转，而达到启闭通道的目的。球阀适用于高真空到低真空等压力范围，同时在带有腐蚀性介质的系统中也均可适用。传输阀是用于连接腔室之间的阀门，通常用于工艺腔与Load lock之间，需要保证两边腔体的密封性。

　　图表9：蝶阀示意图

　　资料来源：VAT官网，中金公司研究部图表10：摆阀示意图

　　资料来源：VAT官网，中金公司研究部图表11：传输阀示意图

　　资料来源：新莱应材官网，中金公司研究部图表12：球阀示意图

　　资料来源：新莱应材官网，中金公司研究部

　　根据VAT官网，2022年VAT在半导体真空阀门领域占比约75%，公司认为其市场占有率未来有望超过85%，我们根据VAT 2022年半导体真空阀门收入为7.7亿瑞士法郎测算，测算2022年全球半导体真空阀门市场约10.3亿瑞士法郎，约11.3亿美元。VAT作为全球领先的真空阀门企业，其产品涵盖控制阀、隔膜阀、角阀、球阀、传输阀等各类型阀门，下游广泛应用于半导体、光伏、LED、医疗等领域，除VAT外全球领先的阀门供应商为MKS、VTEX、ULVAC等企业。

　　图表13：VAT全球市场份额

　　资料来源：VAT官网，中金公司研究部

　　真空腔体：提供工艺反应场景的核心容器

　　腔体是半导体设备中参与晶圆制备反应工序的关键部件，为晶圆生产提供耐腐蚀、洁净和高真空环境，腔体通常由高纯度、耐腐蚀的材料制成，如不锈钢或铝合金，以确保工艺的纯净行和腔体的耐用性。

　　过度腔：过渡腔是设备中晶圆真空环境入口，晶圆从外部运输至设备入口，经过前端模块（EFEM）后进入过渡腔，方从大气环境转换为真空环境，后续晶圆从过渡腔再进入真空环境的传输腔、反应腔进行工艺反应。过渡腔需要保证真空度、密封性以及晶圆经过不能发生污染，需要公司的高精密多工位复杂型面制造技术和耐腐蚀阳极氧化技术等核心技术，通常也称为真空锁（Load lock）。

　　传输腔：传输腔是晶圆在过渡腔和反应腔之间进行转移的中间平台。若是传输腔密封区域加工不良，腔体无法保证真空，将会影响晶圆生产。公司通过高精密多工位复杂型面制造技术来保证传输腔的密封性和真空度。同时因传输腔需要与不同工艺的反应腔连接，公司采用不同的表面处理特种工艺来保证传输腔的洁净度和耐腐蚀性，以延长其使用寿命并保证晶圆流转环境不受污染。

　　反应腔：反应腔是晶圆加工和生产的工作空间。在晶圆加工过程中，会有多种工艺气体流入反应腔内，发生化学反应，从而其对洁净度和耐腐蚀性要求较高。尤其是先进制程对于反应腔的洁净度要求更高，公司需要通过高洁净度精密清洗技术来确保反应腔的洁净度，避免化学粒子产生，为晶圆生产创造洁净环境。此外，为保证设备的使用寿命、提高生产效率，公司需要通过耐腐蚀阳极氧化技术等表面处理特种工艺技术来增强其耐腐蚀及耐击穿电压性能。

　　由于不同公司不同型号设备的腔体大小、洁净度等要求均有所差异，因此腔体生产通常具有小批量、多品种、定制化的特点，全球参与腔体加工的企业通常也负责对工艺零部件（内衬、加热器、匀气盘）及结构零部件（基板、冷却版、盖板等）进行加工，其核心壁垒在于阳极氧化、电解抛光、化学清洗等表面处理特种工艺以保持精密零部件的高洁净、超腐蚀、耐击穿电压等性能，以及精密机械的制造和焊接技术。全球参与精密机械制造的公司主要为Ferrotec、京鼎精密、UCT等，目前国内新莱应材、富创精密、靖江先锋、托伦斯等企业均有参与真空腔体的制造。

　　真空规：用于测量真空度的核心仪器

　　真空规是用于探测低压空间稀薄气体压力的仪器，由真空管、指针、尺度盘、密封杆等部分组成。根据原理不同，主要分为三类：一是绝对压力的真空规，如波登式真空规和电容式真空规；二是热传导式真空规，如皮拉尼真空规（热电阻）；三是电离式真空规，如冷阴极真空规和热阴极真空规，此外还包括质谱分析仪、磁悬浮转子真空规。在低真空度中，薄膜真空规、压阻式真空规应用较多；在中真空度中，多选用电离真空规、皮拉尼真空规；在高真空度中，以电离真空规为主；在超高真空度中，热阴极真空规应用较广泛。

　　图表14：真空规示意图

　　资料来源：MKS官网，中金公司研究部

　　在半导体工艺中，真空规主要应用于粗真空环境及工艺过程中，在刻蚀、CVD、外延等等离子体工艺所需要的真空环境以及气体通入腔体时都需要对腔体内的真空度进行实时监控，皮拉尼真空规和电容薄膜真空规在半导体领域应用较多。目前全球半导体主要供应商为美国MKS及瑞士Inficon，国内目前国产化率仍较低，主要研发企业为上海振太。

　　产业链图谱

　　我们对半导体设备零部件产业链按照八大类型（即机械类、气体输送系列类、电气类、机电一体类、真空系统类、气动系统类、仪器仪表类、传感器类）进行了梳理，产业链内具体国内外布局公司情况如下：

　　图表15：半导体零部件产业链图谱

　　资料来源：各公司官网，中金公司研究部

　　风险

　　国产半导体设备出货不及预期：我们认为国产半导体设备是国产半导体设备零部件的重要下游，如果国产半导体设备出货量受到晶圆厂资本开支、或是出货受限等原因出货不及预期，则可能会直接影响到国产半导体设备零部件的出货。

　　半导体设备零部件厂商技术研发进展不及预期：目前晶圆制造和半导体设备已向更先进的工艺制程演进，对零部件企业的研发能力不断提出更高要求。目前国内真空零部件厂商已经取得了突破，如果这些企业技术研发进展不及预期，公司将难以获得超出行业的增速。

　　中美贸易摩擦加剧：部分国内半导体设备零部件厂商产品发往海外，也有部分国内半导体设备零部件厂商原材料来自海外，若中美贸易摩擦加剧，将会给这些企业带来不确定性。

（文章来源：财联社）