半導體閥的國產替代

• 柯壯賓 2023年5月10日 來源：中研網 359 16
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閥門為真空和流體系統核心零部件之一，要求極為嚴苛。閥門是半導體真空系統和流體系統中的核心元件，起到開閉、控制流量/流向、調節壓力等作用。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，除工業生產、生活等應用領域外，也普遍應用于各種半導體設備之中，是其真空系統和流體系統中核心的系統元件之一。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、調節作用、節流作用等。

根據我國國家標準，閥門類型主要有閘閥、截止閥、節流閥、蝶閥、球閥、止回閥、控制閥（調節閥）、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。真空閥指的是用在真空系統中的閥門，其作用通常為隔離真空區域（如工藝腔室）或控制氣體進出量。由于真空環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區別，按作用劃分主要有隔離閥、控制閥（調節閥）、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，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中的排氣管路和抽氣系統等的連接，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，起到調節流量和壓力的作用。控制閥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運動來實現隔離和控制作用，具有設計緊湊、振動小、啟閉平穩、能有效避免產生顆粒的特點，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，球體隨閥桿轉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的或者高溫的系統中也均可適用。

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的理想選擇。

真空系統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指標要求和較高的研發生產難度，僅在材料選擇上便需要結合應用、環境條件及要實現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，都需要行業中較長時間的積累。

而具體到真空閥產品來看，優異的密封性、精確的流量控制、最小的顆粒產生、最小的振動和沖擊、穩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境的純度、化學和物理穩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年其市占率保持穩定，結合公司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模約12.7億美元。

真空閥市場格局集中，除了瑞士VAT占據主導地位以外，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年實現收入11.45億瑞士法郎，其中閥門產品收入9.33億瑞士法郎，服務收入2.13億瑞士法郎。閥門產品收入進一步劃分，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、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地位，尤其是控制閥和傳輸閥領域占據行業領先份額。

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

其中，供氣系統指的是電子氣體由氣源送往工藝設備端的系統，具體來看，電子氣體先由氣柜（GasCabinets）出來經過分配，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節基本都需要用到閥門產品。

存儲廠短期擴產部分受限，中長期產能提升空間巨大。美國在2022年10月公布了對我國半導體產業的進一步制裁，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在存儲芯片3DNAND、DRAM領域各自的代表廠商，經過多年的技術積累后，長江存儲已經實現232L3DNAND工藝的量產，長鑫存儲已經實現19nmDRAM工藝的量產，其中，尤其主要是長江存儲在被限制后短期擴產確實受到一定影響。但國內存儲廠商產能在全球占比依然極小，和國內市場需求嚴重不匹配，中長期來看產能提升空間十分巨大。

邏輯先進制程擴產受限，成熟制程擴產確定性依然較強。中芯國際自2020年被美國加入實體清單后，戰略方向逐漸向成熟制程擴產傾斜，本次限制節點對其并無進一步影響。中芯國際2021年以來先后發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，且2022年業績說明會上重申了擴產的意志和決心，對2023年資本開支也給出了和2022年高基數相當的指引，因此預計中芯國際未來2-3年擴產節奏和資本開支依然會較為樂觀。

自主可控持續推進，國產化比例有望快速提升。美國不斷加深對國內半導體產業的限制，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節為例，據ASML官網公布，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，國內晶圓廠存儲廠近年在擴產過程中正逐漸提升產線中設備的國產化比例，預計未來會進一步較快提升。因此，國產設備廠商國產化空間依然較大，在國產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業的限制，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節，其供應穩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凸顯。

而從當前的國產化情況來看，目前國內晶圓廠產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替代緊迫性尤為明顯。而國內已有廠商具備良好國產替代基礎，如新萊應材已在閘閥等多種真空閥產品對國內主流客戶實現國產化供應，在隔膜閥等氣體閥也已實現銷售突破并迎來快速放量。

表：半導體閥的國內外供應商梳理

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