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半导体零部件之阀门行业研究:国产替代方兴未艾

发布时间:2023-12-22 09:30:14 点击次数:4687 次

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(报告出品方/作者:兴业证券,李双亮、王佩麟)

1.1、真空阀:真空系统核心零部件,主要起隔离/控制/传输作用

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 Load Lock 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。




蝶阀的阀瓣呈圆盘形,围绕其中轴旋转,旋角大小便是阀门的开闭度,既可作为 隔离阀,提供与闸阀同样可靠的真空隔离的同时对占用空间要求较低,适用于紧 凑空间的隔离;又可作为控制阀,实现快速精确的调节。

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。

1.2、真空阀要求严苛,瑞士 VAT 主导市场

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。

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)、VTEX(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。




1.3、国际龙头梳理

1.3.1、瑞士 VAT 公司

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。

2.1、半导体工艺设备供气和气路系统中广泛应用的关键元件

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(Gas Cabinets)出来经过分配,然后通过多功能阀箱/阀盘(Valve Manifold Boxes/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。




在这里面,气柜(Gas Cabinets)为特气源提供压力控制和流量监测、并具备更 换气瓶能力,多功能阀箱则是将特气分配到不同工艺设备的装置,均需用到隔膜 阀、单向阀、调压阀等阀门。此外,Fab 厂中的大宗气体系统(Bulk Gas)、二次 配阀盘/盒等也均用到阀门。

而气体经过阀箱/阀盘后,则通过工艺设备端内的气路系统通入工艺腔内,然后 参与各种晶圆工艺反应。具体来看,半导体工艺设备内部的气路系统主要由 Gas Box、Gas Box 至反应腔的气路,以及最终进入反应腔之前的阀门构成,这一气 路系统内同样会用到高纯阀门产品。 在这里面,Gas Box 作为半导体设备内的核心组成部分之一,其功能是将各路工 艺气体集成在一个空间环境内,并按工艺需求对不同气体进行传输、分配和混合, 对个别关键工艺气体进行精确的流量控制,根据工艺不同步骤的设定实现对工艺 气体进行开关控制等功能。因此,Gas Box 的功能决定了其内部集成了阀门,包 括隔膜阀、单向阀等。

具体产品来看,流体系统中常用的阀门主要有: 隔膜阀,是用橡胶、PTFE 等软质材料制成的隔膜作为启闭件,把阀体内腔和阀 盖内腔隔开的阀门,通过操作机构控制隔膜的移动便可以达到隔绝和调节作用。 隔膜阀的优点在于,阀盖、阀杆等零件与介质通路隔开,因此零件不会受到介质 侵蚀和冲击,且不会发生介质内漏;同时,隔膜阀结构简单,易于维修和更换; 且隔膜和阀体均可以采用不同材料,能理想控制多种工作介质,尤其适合带化学 腐蚀性或悬浮颗粒的介质。




调压阀(Regulators)可以把从钢瓶等来源排出的气体或液体的压力降低到设备 所需的较低值。调压阀有一个传感元件(如活塞或隔膜),一侧承受由弹簧或气 压施加的力,另一侧承受流体系统承受的力。 其中,减压调压阀通过转动阀杆/手柄,对可调弹簧进行调整来设定所需的出口 压力;背压调压阀则可设定所需的进口压力。

单向阀,也称止回阀,是一种使流体保持恒定方向流动并防止反向流动的阀门。 流体正向流动时,单向阀的阀瓣被流体压力推开,但反向流动时阀瓣在背压的作 用下与阀座紧密接触以防止回流。

波纹管阀,是以波纹管作为阀杆密封元件的阀门,波纹管和阀杆焊在一起,随阀 杆而带动阀头升降,起到启闭作用。采用波纹管密封结构后,可以将介质和大气 隔离开来,因此有着极佳的密封性,可避免介质从阀杆处泄露。 虽然,随着晶体管的不断微缩,制造过程中避免受到污染显得至关重要,流体系 统元件逐渐从波纹管阀向结构更简单、活动部件更少、零件与介质隔开的隔膜阀 发展,但波纹管阀凭借绝佳的密封性也仍有用武之地。




2.2、流体系统阀门要求更显严苛,美国厂商占据重要地位

流体系统对阀门有着极为严苛的要求,包括洁净度要求高、材质纯度要求高、应 对腐蚀和快速吹扫无残留要求高、流体控制精度要求高等。比如,由于半导体工 艺设备需要大量工艺气体参与反应,其中氯化氢、三氯化硼、溴化氢等均具有强 腐蚀性,管路和阀门很容易腐蚀并进而导致泄露等情况,因此对材料的选择和其 表面电化学的处理都有严格要求。

再比如,Gas Box 作为气路系统的核心部件之一,内部包含各种介质的控制气路, 其内工艺气体的响应时间、流量控制对工艺都起到至关重要的作用,因此内部需 要可靠稳定的流体系统元件,高纯阀门需要满足体积紧凑、满足 SEMI 标准的泄 露率和洁净度要求等,部分应用下还需要能耐环境高温。且,制程演进带来的变 化是需要使用更多新材料、特殊气体,对 Gas Box 提出了小型化(尺寸不变情况 下具备更多气路)、灵活性(气体管路进出口位置有更多选择)的要求,这其中 也离不开对阀门的更高要求。

再比如,ALD(Atomic Layer Deposition,原子层沉积)作为当下及未来制程节 点微缩及复杂器件几何形状上沉积薄层材料的关键技术,对流体系统元件也提出 了新的挑战。部分龙头厂商如 Swagelok 甚至专门推出了 ALD 阀门系列,以应对 ALD 对寿命、耐高温等方面的要求。 且随着越来越多的 High k 材料的引入,ALD 工艺需要系统更低的压力,更高的 温度,未来需要更大的流量(例如阀门 CV 要求普遍在目前流量的 2-3 倍),也会 需要高纯特殊合金材料来应用于阀体。

细分市场规模方面,据 LP information 统计,2022 年全球半导体阀门(含真空阀, 但不含调压阀 regulators)市场规模约 20.9 亿美元,其中隔膜阀市场占比较大, 规模约 5.2 亿美元,而如前所述各类真空阀市场规模约 10 亿美元,其余则为单向 阀等产品。若在加上流体系统中应用较多的调压阀的市场,则全球半导体阀(含 调压阀)会比 20.9 亿美元要再高出不少。 而在行业的主要参与者方面,除了 VAT、MKS 等厂商在真空阀市占率较高外, Swagelok(美国)、Fujikin(日本)、Parker Hannifin(美国)等厂商在流体系统 中的隔膜阀、调压阀等产品有着较高的市场地位。

2.3、全球龙头厂商梳理

2.3.1、Swagelok

美国 Swagelok(世伟洛克)公司成立于 1947 年,目前是一家年销售额约 20 亿美 元的私营企业,致力于为油气、化工、半导体、清洁能源等各个行业提供流体系 统产品、组装和服务。公司提供阀门、调压阀、接头、软管、卡套管及卡套管附 件、压力表和其他测量装置、过滤器、焊接系统、检漏液、润滑剂、密封剂、快 速接头、机械密封支持系统、取样系统、分析子系统以及微型模块化系统等产品。




针对半导体行业,Swagelok可提供阀门、调压阀、接头、软管和柔性卡套管、过 滤器、焊接系统、弯管器等产品和服务。尤其是在半导体制造所需的超高纯 (UHP)阀门方面,Swagelok具备多种型号的隔膜阀、波纹管密封阀、单向阀、 调压阀、ALD 阀等产品,为半导体流体系统提供全面高质量的解决方案,是半 导体流体系统阀门的全球领先供应商之一。

2.3.2、Fujikin

日本 Fujikin(富士金)公司成立于 1930 年,在以阀门为核心的超精密流体控制 系统方面处于行业领先地位,涵盖半导体、太空开发、氢能利用、制药和食品、 锂电池等多个领域。公司截至 2022 年 3 月 31 日的财年收入约为 1707 亿日元(约 合人民币 80+亿元)。

在半导体领域,Fujikin 可提供的产品主要包括: 阀门产品,如隔膜阀、单向阀、波纹管阀等各种阀门;接头产品;流体系统,包 括 IGS(Integrated Gas System,集成气体系统)、FCS(Flow Control System,流 量控制系统)等。




3.1、国产设备厂商成长空间巨大,零部件国产替代正当时

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 3D NAND、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 232L 3D NAND 工艺的量产, 长鑫存储已经实现 19nm DRAM 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 TWINSCAN NXT: 2000i 及之后的浸没式光刻机,而不被限制的 1980 Di 已经可以满足逻辑成熟制程 和 3D NAND 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。

2021 年全球千亿美元的半导体设备市场中,中国大陆地区市场规模约为 296 亿美 元,但其中有较多来自于外资企业。我们预计,随着大陆本土晶圆厂持续快速扩 产,以及外资晶圆厂由于各种因素导致在大陆扩产投资趋于萎缩,中长期来看大 陆地区的设备市场规模将主要由本土晶圆厂采购形成,且自主可控大势所趋下设 备整体国产化率有望达到显著较高级别,对应设备国产化空间巨大。




更为重要的是,国内设备厂商在快速成长的同时,也在积极寻求上游供应链的自 主可控,零部件国产替代浪潮已然掀起。目前半导体零部件供应格局以海外厂商 为主,国内自给率较低,既因产业壁垒高、市场碎片化,也因为国内下游半导体 设备产业不发达,国内零部件厂商缺乏技术基础、发展性价比不高。

3.2、半导体阀门国产替代方兴未艾,尤其流体阀门国产化空间极大

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 Parker Hannifin、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。

3.3、优质国产厂商梳理

3.3.1、新莱应材

新莱应材于 1991 年成立于中国台湾,于 2000 年总部迁至昆山,2011 年深交所上 市。公司最初主营业务为应用于食品、生物医药、泛半导体领域的洁净应用材料 和高纯及超高纯应用材料业务,其后通过外延并购方式拓展了应用于食品饮料领 域的无菌包材及灌装机业务。

公司业务按下游可以划分为三个主要领域: 泛半导体领域,产品为高纯及超高纯应用材料,主要包括真空系统(高/超高真 空的法兰、管件、阀、腔体等)和气体系统(超高纯管道管件、阀等); 生物医药领域,产品包含管路系统、无菌阀门、无菌泵、管式换热器、过滤器等; 食品安全领域,产品分为无菌包材、无菌纸盒灌装机、洁净材料(如管路系统、 卫生级阀门、卫生级泵)等。




目前公司下游应用中食品类占比最高,2022H1高达50.5%,其中无菌包材和食品 设备分别占 38.7%和 6.3%,其余产品则主要为洁净应用材料;而医药类(产品主 要为洁净应用材料)占比 23.6%;泛半导体业务(产品为高纯及超高纯应用材料) 占比 25.9%。

新莱应材在半导体领域的业务主要包括真空产品(真空法兰、管件、阀、腔体等) 和气体产品(管道管件、接头、阀等),具体来看: 公司真空系列的品牌名为“AdvanTorr”,产品主要包括高真空和超高真空的法兰、 管件、钢瓶、传输阀、铝合金闸阀、闸阀、角阀、腔体、加热带、视窗、无氧铜 垫片等。公司产品选用优质不锈钢材料,可用于半导体、显示、LED、薄膜太阳 能电池、氢能源、锂电、科研机构等领域,主要应用于薄膜技术(蒸发、溅射、PECVD、MOCVD、ALD 等),并覆盖表面分析技术和离子注入系统。

而在气体产品,公司“NanoPure”品牌产品主要包括超高纯管道&管件、面密封 接头(VCR)、微型管道、卡套接头、减压阀、超高纯隔膜阀、卸荷阀、微粒过 滤器、止回阀、针阀、球阀等,并在积极拓展新产品。

半导体真空系统和气体系统均是国产化率较低、竞争格局较好的细分行业,新莱 应材作为国内在两个行业都处于领先地位的优质厂商,在行业有着多年的积累和 经验,产品品类齐全,客户方面更是和 AMAT、Lam Research、北方华创等海内 外设备龙头以及长江存储、长鑫存储等海内外知名 fab 厂都有多年的良好合作关 系。公司在真空阀领域已实现较好的国产替代基础,而对部分气体阀等产品的供 应属国内稀缺,,预计将是细分领域国产替代的排头兵,未来成长空间巨大。 此外,新莱应材还积极拓展开发新产品,在真空系统方面开拓真空泵产品,在气 体系统方面开发 MFC、过滤器等产品,完善公司业务布局,可为下游客户提供 更为全面完整的服务,有望增强公司竞争力,并进一步打开公司成长天花板,成为公司未来新的增长驱动点。

3.3.2、晶盛机电

晶盛机电主营业务产品为应用于光伏和半导体集成电路产业上游晶体生长及加工 设备,并基于多年来对硬脆晶体材料生长及加工技术和工艺的理解,延伸布局至 蓝宝石材料、碳化硅材料以及相关产业链核心的辅材耗材,如石英坩埚、金刚线、 精密零部件等领域。公司业务涉及半导体、光伏设备领域以及半导体材料细分领 域的蓝宝石材料和碳化硅材料等。 精密零部件领域,晶盛机电建立了以半导体阀门、管件、磁流体等精密零部件产 品体系,以配套半导体和光伏设备所需关键零部件及需求,保障供应链的稳定和 安全。其中在阀门产品方面,晶盛机电子公司与日本 Primet 合作,于 2022 年 4 月实现首批隔膜阀产品的认证通过及量产,客户包括中芯集成、七星流量计、 AMAT、TEL 等。




3.3.3、九天真空

九天真空成立于 2002 年,是国家高新技术企业,中国真空行业重点企业。公司 主要业务以真空阀、薄膜规、真空部件、真空系统集成为主的四大核心业务,自 主研发真空系列产品数千余种,是国内产品线齐全的真空技术企业。九天真空的 产品广泛应用于科研院所、半导体、电子通讯、新材料、新能源、人工智能、生 物医疗等各国家战略性支柱行业,累计服务客户上万家。 九天真空承担了科技部、工信部、发改委重大扶持项目 5 个,承担国家集成电路 02 重大专项 3 个,其中包括“高真空变通导摆动插板阀”等项目。在真空阀产品方面,九天真空可提供插板阀(闸阀)、翻板阀(蝶阀)、调节阀、挡板阀(角 阀)、充气阀等产品。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。




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