半导体最大细分子系统—真空系统各部件研究报告

半导体最大细分子系统—真空系统各部件研究报告

半导体制造是一个高度精密的工艺过程，其中真空系统扮演着至关重要的角色。本文将深入探讨半导体制造中真空系统的各个关键组成部分，包括阀门、O-ring密封圈和真空泵等核心部件的功能、分类和市场现状。

真空系统的重要性

真空是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。真空技术是建立低于大气压力的物理环境，以及在此环境中进行工艺制作、物理测量和科学试验等所需的技术。

制造半导体芯片必须在真空环境下进行，这样可以避免氧化和污染，保证芯片品质和性能。在常温和常压下，环境中包含着大量不纯净的物质，在半导体制造过程中，芯片容易受到氧化和污染，严重影响芯片品质和生产效率。在真空技术中，常用真空度来衡量真空状态下空间气体的稀薄程度，通常真空度用气体的压力值来表示。压力值越高，真空度越低；压力值越低，真空度越高。

真空系统由真空泵、控制系统、储气罐、管路安装等组件构成，包含分子泵、冷泵、干泵、隔离阀、控制阀、传输阀、O-Ring 密封圈等众多核心半导体零部件。

真空系统中的阀门

阀门是半导体设备的真空系统与流体系统中的重要零部件，发挥着开闭、控制流量/流向、调节压力等作用，广泛应用于刻蚀机、离子注入机、CMP抛光设备等。由于半导体设备的特殊性，半导体用阀门对洁净度、密封性、耐压性和耐腐蚀性有着极高的要求。

按照应用环境，阀门可分为真空阀与流体系统阀。

• 真空阀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。
• 流体系统阀是应用于流体系统中的阀门，主要起着流体的开关截止、流体的流量调节、流体的流向改变等三大作用。

市场规模方面，受益于韩国芯片制造能力扩大和中国大陆大规模新建晶圆厂，2019年以来全球半导体阀门及管接头市场规模快速增长。据 YH Research 数据，2022年全球市场规模达33.44亿美元，预计2023-2029年 CAGR 为4.21%，至2029年市场规模将达45.08亿美元。

在竞争格局上，全球主要半导体阀门生产企业包括VAT、富士金、派克、世伟洛克等。2022年，VAT是全球最大的半导体阀门及管接头生产企业，营业额7.79亿美元，主要从事真空阀业务；排名第二的是富士金，营业额4.28亿美元，主要从事流体控制阀业务。目前，国内半导体阀门市场的主要参与者包括新莱应材、北京中科艾尔、四川九天真空等，初步打破海外厂商垄断。

2018-2029全球半导体阀门和管接头市场规模及增速

2022全球半导体阀门和管接头市场份额

O-ring密封圈

O-ring，中文名O型密封圈，是一种截面是圆的橡胶密封圈，其主要作用是密封，如气密封、水密封、油密封等。一般橡胶 O-ring 较易磨损、耐化学腐蚀性和抗气体渗透性能差。因为价格便宜，制造简单，功能可靠，并且安装要求简单，是最常见的密封件。O-ring 承受几十兆的压力，可用于静态的应用中，也可以用在部件之间有相对运动的动态应用中。

O形圈的优势：

• 适合多种密封形式：静态密封、动态密封。适合各种用途材料，尺寸和沟槽都已标准化，互换性强。
• 适合多种运动方式：旋转运动、轴向往复运动或组合运动（例如旋转往复组合运动）。
• 适合多种不同的密封介质：油、水、气、化学介质或其它混合介质。通过选用合适的橡胶材料和适当的配方设计，实现对油、水、空气、煤气及各种化学介质有效的密封作用。工作温度范围广（－60 ℃～220 ℃），固定使用时压力可达 1500Kg/cm2 ( 与补强环并用 )。
• 设计简单，结构小巧，装拆方便：O形圈断面结构极其简单，且有自密封作用，密封性能可靠。由于O形圈本身及安装部位结构都极其简单，且已形成标准化，因此安装更换都非常容易。
• 成本低廉：动摩擦阻力比较小。

不同材质 O-ring 的优缺点

在半导体设备中，FFKM全氟醚橡胶圈因其卓越的性能而被广泛应用。FFKM全氟醚O型圈的耐高温、耐腐蚀和耐化学品性能使其成为半导体设备中的理想选择。它们确保了设备的可靠性和稳定性，同时满足严苛的半导体工艺要求，是目前所有弹性密封材料中耐高温、耐强酸碱、耐有机溶剂性能最好的橡胶材料。全氟醚橡胶可耐强酸、强碱、有机溶剂、超高温蒸汽、醚类、酮类、酷类、含氮化合物、碳化氢类、醇类、醒类、味喃、胺基化合物等 1600 多种化学溶剂的腐蚀，可耐320°C高温，FFKM 全氟醚零部件已在众多行业拥有近40年以上实际应用经验。FFKM常应用于半导体行业的等离子体腐蚀、气体腐蚀、酸碱腐蚀、高温腐蚀、橡胶密封高洁净度要求环节中。

FFKM半导体设备应用：

• 气体密封：在半导体制造过程中，各种气体的处理输送是必不可少的。FFKM全氟醚O型圈用于气体管道、阀门和接头等部位的密封，确保气体不泄漏并保持工艺的稳定性。
• 蚀刻和清洗：半导体工艺中的蚀刻和清洗步骤通常涉及使用强酸或强碱等腐蚀性介质。FFKM全氟醚O型圈因其出色的耐腐蚀性能，被广泛应用于与这些介质接触的设备部件，如蚀刻室、清洗槽等。
• 液体和化学品输送：在半导体制造中，需要输送各种液体和化学品，如溶液、溶剂、清洗液等。FFKM全氟醚O型圈可用于管道、阀门和泵等设备部件的密封，以确保介质的安全输送。
• 高温环境：半导体工艺中的某些步骤需要在高温环境下进行，如热处理、退火等。FFKM全氟醚O型圈具有优异的高温耐受性，能够在高温下保持其弹性和密封性能。
• 超纯水处理：在半导体制造中，超纯水用于清洗和纯化设备和材料。FFKM全氟醚O型圈被广泛应用于超纯水处理设备的密封，以防止杂质和污染物的进入。

左：FFKM橡胶圈；右：使用FFKM橡胶圈的单晶/多品硅清洗设备

真空泵

真空泵是利用机械、物理或化学方法在某一封闭空间中产生真空环境的装置。按照真空度和气压范围划分，可分为低真空、中真空、高真空及超高真空四类，按照真空原理划分，可分为气体传输泵和气体捕集泵两类，其中气体传输泵占市场规模65%左右。真空泵下游应用：真空泵目前主要应用于泛半导体产业，包括集成电路、光伏、LED、平板显示、锂电池等领域。

随着我国经济的持续快速发展，真空泵的应用领域不断扩大，真空泵下游相关行业保持增长势头，我国真空泵行业实现了持续、稳定、快速的发展，在诸多种类的真空泵中，分子泵、冷泵及干泵尤为重要，他们分别应用于不同的环境。

• 分子泵：是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。原理：通过采用变频电源驱动电机，使分子泵在电机的带动下高速旋转，在分子流区域内，气体分子与高速转到的叶片表面碰撞，动量传递给气体分子，使部分气体分子在刚体表面的运动方向上，产生定向流动而被排出泵外，从而达到抽气的目的。工作条件：转子转速达到20000r/min；需要配备前级泵，一般使用旋片泵作为前级泵。
• 冷泵：是一种通过低温表面冷凝和吸附气体来获得真空的真空泵，又称冷凝泵或低温泵。冷泵的冷源一般为低温制冷机或低温液体，通常冷泵分为闭路循环气氦制冷机冷泵和注入式液氦冷泵两种类型。特点：洁净无污染(无油)、效率高、抽速大、可靠性好、极限真空度高。应用：应用于半导体集成电路制造工艺中的蒸发、溅射、 离子注入、分子束外廷等工艺，同时也广泛应用于真空镀膜设备、电真空器件、高能粒子加速器、受控热核反应、表面分析仪器和材料科学等领城。
• 干泵：能在大气压到10-2Pa的压力范围内工作，在泵的抽气流道中，不能使用任何油类和液体、排气口与大气相通，能连续向大气中排气的泵。冷却方式：干泵多用夹套冷却水对转子进行冷却，部分真空泵在泵内增加螺杆内部冷却剂冷却，始终维持在一个合适的温度。特点：清洁环保、真空度高、防腐设计、可抽除可凝性气体及少量粉尘气体、杜绝污染、防过载设计、运转平稳、高标准配置、附件配置齐全。

分子泵结构

低温泵结构示意图

螺杆干式真空泵结构示意图

市场规模方面，根据华经产业研究院数据，2021年全球半导体真空泵的市场规模为179.7亿元，2022年全球半导体真空泵市场规模192.84亿元，同比增长7.3%，至此该行业规模连续三年实现正增长，增速分别为14.8%、14.4%、7.3%。

市场格局方面，2021年全球半导体真空泵市场由海外厂商占据95%的市场份额，其中 Atlas、Edwards 占据48.54%的市场份额；德国 Pfeiffer 公司占据12.74%的市场份额。国内厂商市场份额不到5%，目前汉钟精机、中科仪、沈科仪等国产厂商已取得突破，未来有较大的国产替代空间。

行业发展机遇：

• 下游市场需求快速增长，我国本土集成电路产业发展虽起步较晚，但近年来发展迅速，行业增速领先全球。
• 国家产业政策大力支持，国家在产业、财税、金融等方面出台多项政策支持集成电路产业发展。
• 全球半导体产能向我国转移，经过前两轮产业转移之后，目前半导体产业正在经历向中国大陆的第三次转移。

行业发展挑战：

• 国内企业综合竞争力与国外仍存在一定差距，国外厂商在真空技术领域拥有数十年的研发、制造经验，积累了大量产品设计和技术工艺，而我国相关产业起步较晚，产业基础相对薄弱。
• 人才储备相对不足，由于我国相关产业发展历程较短，且人才的培养不仅需要扎实的理论学习更要求大量的实践经验，现有半导体产业及其设备制造业的人才难以满足行业快速发展的需要。

2017-2022全球半导体真空泵市场规模情况

本文内容来源于华福证劵研究所。