半導體閥的國產(chǎn)替代

• 柯壯賓 2023年5月10日 來源：中研網(wǎng) 1142 73
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閥門為真空和流體系統(tǒng)核心零部件之一，要求極為嚴苛。閥門是半導體真空系統(tǒng)和流體系統(tǒng)中的核心元件，起到開閉、控制流量/流向、調(diào)節(jié)壓力等作用。閥門種類眾多，如真空閥按作用可分為隔離閥、控制閥、傳輸閥等，按工作方式則包括閘閥、角閥、蝶閥、擺閥、球閥等；流體系

閥門作為一種常見機械裝置，除工業(yè)生產(chǎn)、生活等應用領域外，也普遍應用于各種半導體設備之中，是其真空系統(tǒng)和流體系統(tǒng)中核心的系統(tǒng)元件之一。閥門作為隔斷/接通管路、控制流體流量/壓力/流向的裝置，可以起到啟閉作用、調(diào)節(jié)作用、節(jié)流作用等。

根據(jù)我國國家標準，閥門類型主要有閘閥、截止閥、節(jié)流閥、蝶閥、球閥、止回閥、控制閥（調(diào)節(jié)閥）、隔膜閥、旋塞閥、排污閥、柱塞閥、減壓閥、蒸汽疏水閥、排氣閥、安全閥等。

閥門按公稱壓力可分為真空閥、低壓閥、中壓閥、高壓閥、超高壓閥等，真空還可以進一步劃分為低真空、中真空、高真空、超高真空、極高真空等。按介質(zhì)溫度可分為普通閥門、高溫閥門、超高溫閥門、低溫閥門、超低溫閥門等，具體數(shù)值界限視不同國家或情景下標準不同可能會有所差異。

表：真空的壓力范圍劃分

真空的通俗定義指的是空間中的壓力低于標準大氣壓力時的狀態(tài)。真空閥指的是用在真空系統(tǒng)中的閥門，其作用通常為隔離真空區(qū)域（如工藝腔室）或控制氣體進出量。由于真空環(huán)境基本貫穿半導體制造過程始終，因此真空閥在半導體設備中也有著普遍而廣泛的應用。

真空閥和普通閥門在類型上沒有本質(zhì)區(qū)別，按作用劃分主要有隔離閥、控制閥（調(diào)節(jié)閥）、傳輸閥、泄壓閥/排氣閥、氣體計量閥、止回閥等，在半導體設備的真空系統(tǒng)中尤其是隔離閥、控制閥、傳輸閥應用較多；其中，隔離閥和控制閥根據(jù)工作方式又包括閘閥、角閥、蝶閥、球閥、擺閥等。

具體來看，隔離閥起隔絕/接通作用，如可用于連接真空泵，在其運作與否時起到禁止/允許氣體進入真空泵系統(tǒng)的作用；控制閥主要起到控制氣體流量和壓力的作用；傳輸閥則可用于晶圓在腔體之間或腔體和LoadLock之間的傳輸。

從實際應用來看，隔離閥采用最多的主要為角閥和閘閥。閘閥的啟閉件為閘板，閘板運動方向與介質(zhì)流動方向垂直，通過閘板的升降可以起到隔絕/接通作用，通常只作全開/全閉狀態(tài)，是隔離閥的理想選擇，而較少用作控制作用。閘閥可用于腔體和真空泵之間。

角閥的氣體通路通常呈直角，主要可用于真空系統(tǒng)中的排氣管路和抽氣系統(tǒng)等的連接，如用于主泵（通常為分子泵）和前級泵（通常為干泵）之間（即前級管路）或腔體和前級泵之間（即粗抽或預真空管路）。角閥常作為隔離閥，尤其適用于嚴苛的環(huán)境下，并具有出色的可靠性，也可具備控制作用。

控制閥用在真空腔體和分子泵之間，起到調(diào)節(jié)流量和壓力的作用?？刂崎y采用最多的主要為擺閥（鐘擺閥），而蝶閥等也可以起到控制作用。

擺閥的啟閉件通過如鐘擺般的旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)隔離和控制作用，具有設計緊湊、振動小、啟閉平穩(wěn)、能有效避免產(chǎn)生顆粒的特點，被廣泛用作控制閥。

此外，球閥的啟閉件是帶有圓形通道的球體，繞垂直于通道的軸線旋轉(zhuǎn)，球體隨閥桿轉(zhuǎn)動從而達到啟閉通道的目的。球閥適用的壓力范圍廣，從高真空到低真空等均可使用，同時在帶有腐蝕性介質(zhì)的或者高溫的系統(tǒng)中也均可適用。

傳輸閥是用于連接真空腔室的長方形截面的閥門，可將物體（如晶圓）從一個腔室傳送到另一個腔室，尤其是在傳輸腔和工藝腔之間需要用到，因此傳輸閥是多腔室系統(tǒng)的理想選擇。

真空系統(tǒng)包括各種不同的零部件，如腔體、泵、閥等等，基本都有著嚴苛的參數(shù)指標要求和較高的研發(fā)生產(chǎn)難度，僅在材料選擇上便需要結(jié)合應用、環(huán)境條件及要實現(xiàn)的真空度而考慮諸多因素。且還需要進行復雜而精密的焊接、表面處理、清潔等工藝，都需要行業(yè)中較長時間的積累。

而具體到真空閥產(chǎn)品來看，優(yōu)異的密封性、精確的流量控制、最小的顆粒產(chǎn)生、最小的振動和沖擊、穩(wěn)定性和可重復性等也都是至關重要的特性，尤其是在半導體制造這種對于工藝環(huán)境的純度、化學和物理穩(wěn)定性有極高要求的領域，其要求會比標準真空閥更高。

表：半導體真空閥需滿足的要求

據(jù)瑞士VAT公司整理，2021年VAT公司占全球半導體真空閥的份額約75%，假設2022年其市占率保持穩(wěn)定，結(jié)合公司2022年半導體真空閥7.165億瑞士法郎（按1.05匯率假設約為7.5億美元），則全球半導體真空閥市場規(guī)模約10億美元；類似地，可測算出全球泛半導體真空閥市場規(guī)模約12.7億美元。

真空閥市場格局集中，除了瑞士VAT占據(jù)主導地位以外，MKS公司（美國）、V-TEX（日本）、CKD（日本）、SMC（日本）、Ulvac（日本）等廠商也都占據(jù)一定的市場份額。

圖：全球真空閥主要廠商與市場份額情況

瑞士VAT作為全球真空閥龍頭，2022年實現(xiàn)收入11.45億瑞士法郎，其中閥門產(chǎn)品收入9.33億瑞士法郎，服務收入2.13億瑞士法郎。閥門產(chǎn)品收入進一步劃分，則半導體為最大下游應用，收入為7.17億瑞士法郎，其余則為先進工業(yè)、顯示&太陽能應用。

VAT公司擁有全面的隔離閥、控制閥、傳輸閥、快速關閉閥等產(chǎn)品組合，可為各種應用領域提供最佳解決方案，其真空閘閥、角閥、蝶閥、擺閥等產(chǎn)品為各領域的真空閥解決方案設定了標準。公司在隔離閥、控制閥、傳輸閥都有較高的行業(yè)地位，尤其是控制閥和傳輸閥領域占據(jù)行業(yè)領先份額。

除在真空系統(tǒng)中大量應用外，閥門同樣是半導體行業(yè)高純流體系統(tǒng)中核心的系統(tǒng)元件，主要起著流體的開關截止、流體的流量調(diào)節(jié)、流體的流向改變等三大作用。在半導體制造工藝設備內(nèi)部的氣體管路系統(tǒng)中和半導體工藝設備的供氣系統(tǒng)中，均需要大量的高純閥門參與控制。

其中，供氣系統(tǒng)指的是電子氣體由氣源送往工藝設備端的系統(tǒng)，具體來看，電子氣體先由氣柜（GasCabinets）出來經(jīng)過分配，然后通過多功能閥箱/閥盤（ValveManifoldBoxes/Panels）及二次配閥盤（Hookup），通往工藝設備端，在這個過程中的幾個主要環(huán)節(jié)基本都需要用到閥門產(chǎn)品。

存儲廠短期擴產(chǎn)部分受限，中長期產(chǎn)能提升空間巨大。美國在2022年10月公布了對我國半導體產(chǎn)業(yè)的進一步制裁，其中重點新增限制了存儲先進制程的制造能力。長江存儲和長鑫存儲是國內(nèi)在存儲芯片3DNAND、DRAM領域各自的代表廠商，經(jīng)過多年的技術積累后，長江存儲已經(jīng)實現(xiàn)232L3DNAND工藝的量產(chǎn)，長鑫存儲已經(jīng)實現(xiàn)19nmDRAM工藝的量產(chǎn)，其中，尤其主要是長江存儲在被限制后短期擴產(chǎn)確實受到一定影響。但國內(nèi)存儲廠商產(chǎn)能在全球占比依然極小，和國內(nèi)市場需求嚴重不匹配，中長期來看產(chǎn)能提升空間十分巨大。

邏輯先進制程擴產(chǎn)受限，成熟制程擴產(chǎn)確定性依然較強。中芯國際自2020年被美國加入實體清單后，戰(zhàn)略方向逐漸向成熟制程擴產(chǎn)傾斜，本次限制節(jié)點對其并無進一步影響。中芯國際2021年以來先后發(fā)布公告將分別在北京、深圳、上海、天津加大投資進行成熟制程擴產(chǎn)，且2022年業(yè)績說明會上重申了擴產(chǎn)的意志和決心，對2023年資本開支也給出了和2022年高基數(shù)相當?shù)闹敢?，因此預計中芯國際未來2-3年擴產(chǎn)節(jié)奏和資本開支依然會較為樂觀。

自主可控持續(xù)推進，國產(chǎn)化比例有望快速提升。美國不斷加深對國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)的限制，并拉攏日本和荷蘭也跟進限制，但從目前限制的實際范圍和力度來看不必過于悲觀。以尤為關鍵的光刻機環(huán)節(jié)為例，據(jù)ASML官網(wǎng)公布，在具體細則出臺之前，公司自己將會受到出口管制的“最先進工具”定義為TWINSCANNXT：2000i及之后的浸沒式光刻機，而不被限制的1980Di已經(jīng)可以滿足邏輯成熟制程和3DNAND先進制程需求。

而且，限制的不斷加深進一步凸顯了自主可控的重要性和緊迫性，國內(nèi)晶圓廠存儲廠近年在擴產(chǎn)過程中正逐漸提升產(chǎn)線中設備的國產(chǎn)化比例，預計未來會進一步較快提升。因此，國產(chǎn)設備廠商國產(chǎn)化空間依然較大，在國產(chǎn)化加速下仍有望保持較快增長。

當前趨勢下美國不斷加大對我國半導體產(chǎn)業(yè)的限制，尤其是半導體設備進口受到明顯影響，而作為半導體設備上游的零部件環(huán)節(jié)，其供應穩(wěn)定性也在逐漸面臨越來越大的風險，因此設備廠商對于零部件自主可控的緊迫性也愈發(fā)凸顯。

而從當前的國產(chǎn)化情況來看，目前國內(nèi)晶圓廠產(chǎn)線中半導體閥門的采購仍較大程度上依賴于海外廠商。具體來看，真空閥市場主要由瑞士VAT主導，流體閥主要由美國Swagelok、美國ParkerHannifin、日本Fujikin等廠商主導，相對來說流體閥要求更為嚴苛、且美廠主導格局下國產(chǎn)替代緊迫性尤為明顯。而國內(nèi)已有廠商具備良好國產(chǎn)替代基礎，如新萊應材已在閘閥等多種真空閥產(chǎn)品對國內(nèi)主流客戶實現(xiàn)國產(chǎn)化供應，在隔膜閥等氣體閥也已實現(xiàn)銷售突破并迎來快速放量。

表：半導體閥的國內(nèi)外供應商梳理

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