半导体阀的国产替代

• 柯壮宾 2023年5月10日 来源：中研网 359 16
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阀门为真空和流体系统核心零部件之一，要求极为严苛。阀门是半导体真空系统和流体系统中的核心元件，起到开闭、控制流量/流向、调节压力等作用。阀门种类众多，如真空阀按作用可分为隔离阀、控制阀、传输阀等，按工作方式则包括闸阀、角阀、蝶阀、摆阀、球阀等；流体系

阀门作为一种常见机械装置，除工业生产、生活等应用领域外，也普遍应用于各种半导体设备之中，是其真空系统和流体系统中核心的系统元件之一。阀门作为隔断/接通管路、控制流体流量/压力/流向的装置，可以起到启闭作用、调节作用、节流作用等。

根据我国国家标准，阀门类型主要有闸阀、截止阀、节流阀、蝶阀、球阀、止回阀、控制阀（调节阀）、隔膜阀、旋塞阀、排污阀、柱塞阀、减压阀、蒸汽疏水阀、排气阀、安全阀等。

阀门按公称压力可分为真空阀、低压阀、中压阀、高压阀、超高压阀等，真空还可以进一步划分为低真空、中真空、高真空、超高真空、极高真空等。按介质温度可分为普通阀门、高温阀门、超高温阀门、低温阀门、超低温阀门等，具体数值界限视不同国家或情景下标准不同可能会有所差异。

表：真空的压力范围划分

真空的通俗定义指的是空间中的压力低于标准大气压力时的状态。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。由于真空环境基本贯穿半导体制造过程始终，因此真空阀在半导体设备中也有着普遍而广泛的应用。

真空阀和普通阀门在类型上没有本质区别，按作用划分主要有隔离阀、控制阀（调节阀）、传输阀、泄压阀/排气阀、气体计量阀、止回阀等，在半导体设备的真空系统中尤其是隔离阀、控制阀、传输阀应用较多；其中，隔离阀和控制阀根据工作方式又包括闸阀、角阀、蝶阀、球阀、摆阀等。

具体来看，隔离阀起隔绝/接通作用，如可用于连接真空泵，在其运作与否时起到禁止/允许气体进入真空泵系统的作用；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LoadLock之间的传输。

从实际应用来看，隔离阀采用最多的主要为角阀和闸阀。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。

角阀的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）或腔体和前级泵之间（即粗抽或预真空管路）。角阀常作为隔离阀，尤其适用于严苛的环境下，并具有出色的可靠性，也可具备控制作用。

控制阀用在真空腔体和分子泵之间，起到调节流量和压力的作用。控制阀采用最多的主要为摆阀（钟摆阀），而蝶阀等也可以起到控制作用。

摆阀的启闭件通过如钟摆般的旋转运动来实现隔离和控制作用，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。

此外，球阀的启闭件是带有圆形通道的球体，绕垂直于通道的轴线旋转，球体随阀杆转动从而达到启闭通道的目的。球阀适用的压力范围广，从高真空到低真空等均可使用，同时在带有腐蚀性介质的或者高温的系统中也均可适用。

传输阀是用于连接真空腔室的长方形截面的阀门，可将物体（如晶圆）从一个腔室传送到另一个腔室，尤其是在传输腔和工艺腔之间需要用到，因此传输阀是多腔室系统的理想选择。

真空系统包括各种不同的零部件，如腔体、泵、阀等等，基本都有着严苛的参数指标要求和较高的研发生产难度，仅在材料选择上便需要结合应用、环境条件及要实现的真空度而考虑诸多因素。且还需要进行复杂而精密的焊接、表面处理、清洁等工艺，都需要行业中较长时间的积累。

而具体到真空阀产品来看，优异的密封性、精确的流量控制、最小的颗粒产生、最小的振动和冲击、稳定性和可重复性等也都是至关重要的特性，尤其是在半导体制造这种对于工艺环境的纯度、化学和物理稳定性有极高要求的领域，其要求会比标准真空阀更高。

表：半导体真空阀需满足的要求

据瑞士VAT公司整理，2021年VAT公司占全球半导体真空阀的份额约75%，假设2022年其市占率保持稳定，结合公司2022年半导体真空阀7.165亿瑞士法郎（按1.05汇率假设约为7.5亿美元），则全球半导体真空阀市场规模约10亿美元；类似地，可测算出全球泛半导体真空阀市场规模约12.7亿美元。

真空阀市场格局集中，除了瑞士VAT占据主导地位以外，MKS公司（美国）、V-TEX（日本）、CKD（日本）、SMC（日本）、Ulvac（日本）等厂商也都占据一定的市场份额。

图：全球真空阀主要厂商与市场份额情况

瑞士VAT作为全球真空阀龙头，2022年实现收入11.45亿瑞士法郎，其中阀门产品收入9.33亿瑞士法郎，服务收入2.13亿瑞士法郎。阀门产品收入进一步划分，则半导体为最大下游应用，收入为7.17亿瑞士法郎，其余则为先进工业、显示&太阳能应用。

VAT公司拥有全面的隔离阀、控制阀、传输阀、快速关闭阀等产品组合，可为各种应用领域提供最佳解决方案，其真空闸阀、角阀、蝶阀、摆阀等产品为各领域的真空阀解决方案设定了标准。公司在隔离阀、控制阀、传输阀都有较高的行业地位，尤其是控制阀和传输阀领域占据行业领先份额。

除在真空系统中大量应用外，阀门同样是半导体行业高纯流体系统中核心的系统元件，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。在半导体制造工艺设备内部的气体管路系统中和半导体工艺设备的供气系统中，均需要大量的高纯阀门参与控制。

其中，供气系统指的是电子气体由气源送往工艺设备端的系统，具体来看，电子气体先由气柜（GasCabinets）出来经过分配，然后通过多功能阀箱/阀盘（ValveManifoldBoxes/Panels）及二次配阀盘（Hookup），通往工艺设备端，在这个过程中的几个主要环节基本都需要用到阀门产品。

存储厂短期扩产部分受限，中长期产能提升空间巨大。美国在2022年10月公布了对我国半导体产业的进一步制裁，其中重点新增限制了存储先进制程的制造能力。长江存储和长鑫存储是国内在存储芯片3DNAND、DRAM领域各自的代表厂商，经过多年的技术积累后，长江存储已经实现232L3DNAND工艺的量产，长鑫存储已经实现19nmDRAM工艺的量产，其中，尤其主要是长江存储在被限制后短期扩产确实受到一定影响。但国内存储厂商产能在全球占比依然极小，和国内市场需求严重不匹配，中长期来看产能提升空间十分巨大。

逻辑先进制程扩产受限，成熟制程扩产确定性依然较强。中芯国际自2020年被美国加入实体清单后，战略方向逐渐向成熟制程扩产倾斜，本次限制节点对其并无进一步影响。中芯国际2021年以来先后发布公告将分别在北京、深圳、上海、天津加大投资进行成熟制程扩产，且2022年业绩说明会上重申了扩产的意志和决心，对2023年资本开支也给出了和2022年高基数相当的指引，因此预计中芯国际未来2-3年扩产节奏和资本开支依然会较为乐观。

自主可控持续推进，国产化比例有望快速提升。美国不断加深对国内半导体产业的限制，并拉拢日本和荷兰也跟进限制，但从目前限制的实际范围和力度来看不必过于悲观。以尤为关键的光刻机环节为例，据ASML官网公布，在具体细则出台之前，公司自己将会受到出口管制的“最先进工具”定义为TWINSCANNXT：2000i及之后的浸没式光刻机，而不被限制的1980Di已经可以满足逻辑成熟制程和3DNAND先进制程需求。

而且，限制的不断加深进一步凸显了自主可控的重要性和紧迫性，国内晶圆厂存储厂近年在扩产过程中正逐渐提升产线中设备的国产化比例，预计未来会进一步较快提升。因此，国产设备厂商国产化空间依然较大，在国产化加速下仍有望保持较快增长。

当前趋势下美国不断加大对我国半导体产业的限制，尤其是半导体设备进口受到明显影响，而作为半导体设备上游的零部件环节，其供应稳定性也在逐渐面临越来越大的风险，因此设备厂商对于零部件自主可控的紧迫性也愈发凸显。

而从当前的国产化情况来看，目前国内晶圆厂产线中半导体阀门的采购仍较大程度上依赖于海外厂商。具体来看，真空阀市场主要由瑞士VAT主导，流体阀主要由美国Swagelok、美国ParkerHannifin、日本Fujikin等厂商主导，相对来说流体阀要求更为严苛、且美厂主导格局下国产替代紧迫性尤为明显。而国内已有厂商具备良好国产替代基础，如新莱应材已在闸阀等多种真空阀产品对国内主流客户实现国产化供应，在隔膜阀等气体阀也已实现销售突破并迎来快速放量。

表：半导体阀的国内外供应商梳理

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