芯片制造的核心設(shè)備之一：真空泵（含其主要廠家）

一、什么是真空泵

真空泵，是指利用機(jī)械、物理或化學(xué)方法，在某一封閉空間中改善、產(chǎn)生和維持真空環(huán)境的裝置，是真空設(shè)備的核心零組件。按照真空度和氣壓范圍來(lái)劃分，真空泵可分為低真空、中真空、高真空及超高真空四類，應(yīng)用于不同的真空要求環(huán)境。

按照工作原理來(lái)劃分，真空泵可分為氣體傳輸泵和氣體捕集泵兩大類。氣體傳輸泵是指，能使氣體不斷的吸入和排出，從而達(dá)到抽氣目的的一種真空泵，主要包括變?nèi)菡婵毡煤蛣?dòng)量真空泵兩類：1）變?nèi)菡婵毡玫墓ぷ髟硎潜们怀錆M氣體，其入口被周期性的隔離，然后將氣體輸送到出口，氣體在排出前一般被壓縮；2）動(dòng)量真空泵的工作原理是將動(dòng)量傳遞給氣體分子，使氣體由入口不斷地輸送到出口。氣體捕集泵是指氣體分子被吸附或冷凝而保留在泵內(nèi)表面上的一種真空泵，主要包括吸附泵、吸氣劑泵、吸氣劑離子泵、低溫泵等類型。

二、產(chǎn)品分類：真空泵品類多樣，且技術(shù)路徑差距大

泛半導(dǎo)體領(lǐng)域真空泵產(chǎn)品主要有三大類：干泵、分子泵、低溫泵。

1、干泵

干泵是指通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，將氣體由一個(gè)排放口排出，以實(shí)現(xiàn)抽氣功能的一種真空泵，其主要包括爪式真空泵、渦旋式真空泵、羅茨式真空泵和螺桿式真空泵。主要應(yīng)用在集成電路、光伏產(chǎn)業(yè)、平板顯示和LED等領(lǐng)域中，市場(chǎng)規(guī)模最大，約占半導(dǎo)體真空泵的60%-70%。

目前真空泵的發(fā)展越來(lái)越受到真空應(yīng)用環(huán)境要求的影響，很多新興產(chǎn)業(yè)及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的制造過(guò)程中所需的真空系統(tǒng)，需要具備抽除腐蝕性氣體、粉塵顆粒物、有毒氣體、無(wú)油污染等功能，因此由油封泵組成的真空抽氣系統(tǒng)無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝要求。

而干式真空泵是一種理想的泵種，以其抽速范圍寬、抽氣腔內(nèi)無(wú)油及元件無(wú)摩擦、能耗低、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛推廣應(yīng)用，如今已經(jīng)成為微電子、半導(dǎo)體、精密加工、新能源裝備等行業(yè)首選的真空獲得設(shè)備。

因此近年來(lái)干式真空泵市場(chǎng)需求量越來(lái)越大，真空獲得產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)更新?lián)Q代的趨勢(shì)，大量的有油真空系統(tǒng)被無(wú)油真空系統(tǒng)所替代。目前，國(guó)內(nèi)外較大的真空泵公司幾乎都在生產(chǎn)各種不同型式的干式真空泵。

干式真空泵的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，幾個(gè)主要與真空技術(shù)和設(shè)備有關(guān)的重點(diǎn)發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

1）石墨烯材料與應(yīng)用技術(shù)；

2）高性能碳纖維及其復(fù)合材料；

3）全固態(tài)激光技術(shù)；

4）高溫合金及其制造技術(shù)；

5）半導(dǎo)體芯片及高效能量轉(zhuǎn)換與存貯；

6）太陽(yáng)能利用及應(yīng)用技術(shù)與材料；

7）新型功能與智能材料（真空鍍膜技術(shù)）。

以上領(lǐng)域均需要大量的真空獲得設(shè)備，尤其是相對(duì)清潔無(wú)油的干式真空泵。

半導(dǎo)體產(chǎn)品的整個(gè)制造過(guò)程可分為：晶圓加工 - 氧化 - 光刻 - 刻蝕 - 薄膜沉積 - 互連 - 測(cè)試 - 封裝等步驟，其中包括了上百個(gè)具體的工藝環(huán)節(jié)，大部分工藝環(huán)節(jié)需要在無(wú)油真空環(huán)境下進(jìn)行，圖1為半導(dǎo)體芯片制造的主要工藝流程圖。

半導(dǎo)體芯片的制造工藝流程

干式真空泵在半導(dǎo)體生產(chǎn)線上的應(yīng)用主要分為進(jìn)出樣品腔（L/L腔）和工藝處理腔抽真空兩部分。

在L/L腔抽真空過(guò)程中，真空泵面臨的主要挑戰(zhàn)是耐受高頻大氣沖擊，以及要滿足大規(guī)模制造對(duì)節(jié)省水/電/氣以及安裝空間提出的要求，因多級(jí)羅茨泵在控制體積，成本和節(jié)電方面表現(xiàn)優(yōu)異，所以目前應(yīng)用多以多級(jí)羅茨泵為主，對(duì)于較大型L/L腔抽真空則以羅茨+螺桿泵機(jī)組為宜。

工藝處理腔在預(yù)抽真空階段要求從高壓到低壓的大抽速，對(duì)處理工藝介質(zhì)要求一般，節(jié)能要求更高，可以靠變頻泵及泵的多級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如果單純從節(jié)能角度上看，多級(jí)羅茨泵更具優(yōu)勢(shì)，但主要不利之處為多級(jí)泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易獲得大抽速，所以目前在大腔體抽空中羅茨+螺桿泵機(jī)組或螺桿泵的應(yīng)用更具普遍性。

在工藝腔工藝處理抽真空過(guò)程中，工藝腔中可能會(huì)產(chǎn)生粉塵及腐蝕性氣體（如刻蝕工藝），抽真空對(duì)泵的要求是耐腐蝕（取決于工藝氣體），耐制程產(chǎn)物（不僅要考慮物理特性，更要考慮其化學(xué)特性），工藝相對(duì)復(fù)雜，要求真空泵熱穩(wěn)定性高，處理粉塵能力強(qiáng)，能耗則為次要考慮因素，目前多通過(guò)精確控制泵體溫度方式保證泵的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

由于爪式干泵在處理粉塵、高軸扭矩以及整體泵溫運(yùn)行時(shí)相對(duì)穩(wěn)定而更適合工藝腔工藝處理時(shí)抽氣，例如在半導(dǎo)體線刻蝕處理工藝中，使用爪式干泵的適應(yīng)性更高。

另外，由于工藝腔一般要求低壓下具有高抽速，所以如果采用羅茨+干泵機(jī)組，則機(jī)組中的羅茨泵與前級(jí)干泵的配比會(huì)很大。

所以目前主流大多是采用羅茨+多級(jí)爪式干泵或羅茨+多級(jí)羅茨干泵的多級(jí)泵結(jié)構(gòu)。雖然在半導(dǎo)體線領(lǐng)域采用多級(jí)爪泵結(jié)構(gòu)較多，但是在大腔體粗抽空階段，也較多使用羅茨干泵機(jī)組。

螺桿泵在粗低真空段抽氣效率要高于爪式泵和多級(jí)泵，對(duì)于大工藝腔體在預(yù)抽階段抽氣可采用螺桿泵或羅茨+螺桿泵機(jī)組；在半導(dǎo)體線工藝處理階段抽氣則以爪式泵、多級(jí)羅茨泵應(yīng)用為多。

下面介紹在幾個(gè)主要制造工藝環(huán)節(jié)中干泵的應(yīng)用。

①硅片制造

見圖1，硅片制造環(huán)節(jié)主要包括：拉單晶（單晶硅爐）、硅片精加工（研磨機(jī)）。

在硅片制造環(huán)節(jié)，真空泵遇到的工藝挑戰(zhàn)主要是抽真空時(shí)氣流中的巨量超細(xì)硅粉及氬氣處理。

工藝流程及產(chǎn)品（單晶硅棒價(jià)值很高）真空泵的要求是可以穩(wěn)定運(yùn)行，便于維護(hù)保養(yǎng)，且維護(hù)成本可控。

目前以螺桿泵+羅茨泵應(yīng)用為主。

②刻蝕工藝

半導(dǎo)體刻蝕工藝基本工況與CVD 工藝類似，但工藝反應(yīng)相較CVD 略輕，對(duì)泵的要求以粉塵為主要考量因素，工藝氣體為次要因素（因工藝氣體比較單一，無(wú)劇烈化學(xué)反應(yīng)）。

真空泵同樣被應(yīng)用于L/L腔及工藝腔。L/L段抽真空泵的考量因素與CVD工藝一致，目前以多級(jí)羅茨泵為主。

工藝腔真空泵應(yīng)用以爪式或多級(jí)羅茨泵為主，目前主流大多是采用羅茨+多級(jí)爪式干泵這種多級(jí)結(jié)構(gòu)，但是因多級(jí)羅茨泵相對(duì)爪式+羅茨轉(zhuǎn)子多級(jí)泵制造和維護(hù)成本更簡(jiǎn)單，目前市場(chǎng)應(yīng)用有逐漸向多級(jí)羅茨泵轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)。

螺桿泵與多級(jí)羅茨泵各有應(yīng)用特點(diǎn)，多級(jí)羅茨泵的真空度高一些，螺桿泵在粗低真空段抽氣效率高，適合大工藝腔體粗抽真空，還可以與羅茨泵配合抽低真空大腔體。

目前，干式真空泵的防腐防塵主要靠抽氣工藝來(lái)調(diào)整和解決；如采用盡量控制泵腔內(nèi)溫度和降低粉塵濃度（吹掃工藝）來(lái)防腐及防塵泵腔內(nèi)沉積。

另外，在泵抽含粉塵氣體時(shí)，用干燥氣體吹軸封處（使軸封與軸之間產(chǎn)生間隙減少摩擦），使其形成氣體密封保護(hù)。

目前在半導(dǎo)體領(lǐng)域推廣的干泵主要為：多級(jí)羅茨泵、爪式泵和螺桿泵。

2、分子泵

分子泵是指利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，把動(dòng)量傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度，從而被壓縮至排氣口，后被前級(jí)抽走的一種真空泵，主要包括渦輪分子泵和磁懸浮分子泵。其中渦輪分子泵主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，而磁懸浮分子泵則在半導(dǎo)體領(lǐng)域的規(guī)模較大，也可用于光伏產(chǎn)業(yè)和面板等領(lǐng)域，分子泵約占半導(dǎo)體真空泵的市場(chǎng)規(guī)模的20%-30%。

3、低溫泵

低溫泵是指利用低溫表面冷凝、吸附氣體而達(dá)到抽氣目的的一種真空泵，可以獲得超真空，但由于是存儲(chǔ)型泵，必須定期釋放和再生，因此市場(chǎng)規(guī)模僅約占半導(dǎo)體真空泵的10%。

制冷機(jī)制冷低溫泵的整個(gè)組成如下圖所示，它包含壓縮機(jī)裝置(1)，該裝置通過(guò)柔性氦管(2)連接至低溫泵(3)，因此無(wú)振動(dòng)。低溫泵本身由泵殼和內(nèi)部的冷頭組成，用作制冷劑的氦氣在壓縮機(jī)的幫助下進(jìn)行閉環(huán)循環(huán)。

低溫泵由兩級(jí)冷頭冷卻。帶擋板(6)的隔熱罩(5)與第一級(jí)冷頭(9)緊密地連在一起，使冷板的溫度可達(dá)到50~80K；連接至第二級(jí)冷頭(7)的冷板(8)的內(nèi)部涂有活性炭，以便能夠抽取不易冷凝而只能通過(guò)低溫吸附方式抽氣的氣體，可達(dá)到約10K的溫度。

三、市場(chǎng)規(guī)模：受益于半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化+光伏高景氣，中國(guó)真空泵市場(chǎng)規(guī)模近百億元

真空泵下游主要為泛半導(dǎo)體領(lǐng)域，包括集成電路、光伏、LED、平板顯示、鋰電池等，在2019年時(shí)，泛半導(dǎo)體領(lǐng)域占比約46%，且隨著半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)行和光伏行業(yè)景氣向上，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模占比將持續(xù)上升，因此本文主要估算半導(dǎo)體和光伏領(lǐng)域真空泵市場(chǎng)規(guī)模。

1、半導(dǎo)體真空泵：核心零部件國(guó)產(chǎn)化加速，成長(zhǎng)空間穩(wěn)步提升

真空泵通常用于半導(dǎo)體單晶拉晶、刻蝕、薄膜沉積、離子注入等工藝流程。

我們測(cè)算，2022-2025年，中國(guó)大陸半導(dǎo)體真空泵市場(chǎng)規(guī)模45/51/58/67億元。核心假設(shè)如下：

（1）根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，2021-2025年，全球晶圓廠產(chǎn)能將從約916萬(wàn)片提升至約1226萬(wàn)片（12寸等效），帶來(lái)真空泵的新增和替換需求。其中，中國(guó)大陸12寸晶圓廠全球產(chǎn)能占比將從19%提升至23%，8寸晶圓廠產(chǎn)能提升66%。

（2）根據(jù)中科儀招股書，12寸晶圓產(chǎn)線每3.5萬(wàn)片/產(chǎn)能需要2000臺(tái)真空泵，存量真空泵每年更換約20%，真空泵單價(jià)約10萬(wàn)元。

2、光伏真空泵：電池片迭代持續(xù)推進(jìn)，光伏設(shè)備零部件需求旺盛

真空泵為光伏拉晶、光伏電池片設(shè)備的核心零部件之一，主要應(yīng)用于拉晶和電池片環(huán)節(jié)。

我們測(cè)算，2022-2025年，中國(guó)大陸光伏真空泵市場(chǎng)規(guī)模11.9/13.2/14.5/15.8億元。核心假設(shè)：

（1）我們以CPIA預(yù)計(jì)2022-2025全球光伏裝機(jī)容量為估算條件，進(jìn)行保守估算；

（2）考慮光伏產(chǎn)線3年全部更新，存量產(chǎn)能每年更新1/3，假設(shè)產(chǎn)能利用率為80%，當(dāng)年存量產(chǎn)能按上一年全球新增裝機(jī)量/80%估算；

（3）單晶拉晶環(huán)節(jié)真空泵價(jià)格7萬(wàn)元/臺(tái)，單GW需求100臺(tái)，電池片環(huán)節(jié)真空泵價(jià)格8-10萬(wàn)元/臺(tái)，假設(shè)9萬(wàn)元/臺(tái)，單GW需求60臺(tái)。

綜上，2022年，中國(guó)半導(dǎo)體和光伏領(lǐng)域真空泵測(cè)算市場(chǎng)規(guī)模為56.9億元，此外，我們通過(guò)查找海關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2022年，真空泵進(jìn)口額度為72億元，因此估算真空泵市場(chǎng)近百億元。

四、競(jìng)爭(zhēng)格局：光伏領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，半導(dǎo)體仍由國(guó)外廠商主導(dǎo)

目前光伏領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，半導(dǎo)體仍由國(guó)外廠商主導(dǎo)。海外廠商主要包括Atlas（收購(gòu)了英國(guó)Edwards，全球龍頭）、Pfeiffer Vacuum（德國(guó)）、Ebara（日本）、Kashiyama（日本）等，而國(guó)內(nèi)廠商：1）干泵在半導(dǎo)體領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化率6%，僅有漢鐘精機(jī)和中科儀分別占有1%和5%的市場(chǎng)規(guī)模；2）分子泵國(guó)產(chǎn)化率約1%；3）低溫泵國(guó)產(chǎn)化率也非常低。