真空泵從業(yè)者必看！真空泵在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用及市場(chǎng)情況
真空技術(shù)是建立低于大氣壓力的物理環(huán)境，以及在此環(huán)境中進(jìn)行工藝制作、物理測(cè)量和科學(xué)試驗(yàn)等所需的技術(shù)。
真空技術(shù)主要包括真空獲得、真空測(cè)量、真空檢漏和真空應(yīng)用四個(gè)方面。
真空獲得設(shè)備，即獲得、改善和（或）維持真空環(huán)境的裝置，主要指真空泵，是真空技術(shù)中最關(guān)鍵的設(shè)備種類。
?真空相關(guān)知識(shí)
真空是指在指定空間內(nèi)低于環(huán)境大氣壓力的氣體狀態(tài)，也就是該空間內(nèi)氣體分子數(shù)密度低于該地區(qū)大氣壓的氣體分子數(shù)密度。
完全沒(méi)有氣體的空間狀態(tài)稱為絕對(duì)真空，實(shí)際上是不存在的。
在真空技術(shù)中，常用真空度來(lái)衡量真空狀態(tài)下空間氣體的稀薄程度，通常真空度用氣體的壓力值來(lái)表示。壓力值越高，真空度越低；壓力值越低，真空度越高。
常用的壓力單位為Pa，1Pa壓力是在1平方米的面積上作用1N的力；此外還有標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm、托Torr、巴Bar等壓力單位。
一般認(rèn)為在標(biāo)準(zhǔn)情況下760mm高的汞柱產(chǎn)生的壓力為1atm，即1atm=760mmHg=101325Pa；1Torr=1/760 atm；1Pa=10ubar（微巴）=10^-2 mbar （毫巴）。
通?？梢园颜婵斩葎澐譃橐韵聟^(qū)段：低真空，10^5 Pa-10^2 Pa；中真空，10^2 Pa-10^-1 Pa；高真空，10^-1 Pa-10^-5 Pa；超高真空，＜10^-5 Pa。
表1：真空度劃分范圍及應(yīng)用領(lǐng)域
圖源：中科儀招股說(shuō)明書
真空泵分類及作用機(jī)理
按照工作原理的不同，真空泵分為氣體傳輸泵和氣體捕集泵兩大類。氣體傳輸泵可以被進(jìn)一步分為變?nèi)菡婵毡煤蛣?dòng)量真空泵兩類。
變?nèi)菡婵毡?/strong>是利用泵腔容積的周期變化來(lái)完成吸氣和排氣的裝置，氣體在排出前被壓縮?？煞譃橥鶑?fù)式和旋轉(zhuǎn)式兩種。
動(dòng)量真空泵是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的葉片或射流，把動(dòng)量傳輸給氣體或者氣體分子，使氣體連續(xù)不斷的從入口傳輸?shù)匠隹诘恼婵毡谩?/p>
氣體捕集泵是使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、升華（蒸發(fā)）泵、吸氣劑離子泵、低溫泵等類型。
表2：氣體傳輸泵的分類及應(yīng)用
圖源：中科儀招股說(shuō)明書
半導(dǎo)體真空泵應(yīng)用及市場(chǎng)
根據(jù)國(guó)際真空技術(shù)統(tǒng)計(jì)工作組（International Statisticsfor Vacuum Technology，后文簡(jiǎn)稱ISVT）的分類，將真空行業(yè)分為8個(gè)類別，包括粗真空、工藝真空、工業(yè)真空、半導(dǎo)體工藝真空、半導(dǎo)體外薄膜沉積、太陽(yáng)能、儀器制造以及科學(xué)研究。
圖1：ISVT根據(jù)真空度的不同要求和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒄婵招袠I(yè)分為8個(gè)類別
圖源：ISVT, ?廣發(fā)證券
真空泵是制造業(yè)重要的通用設(shè)備，半導(dǎo)體應(yīng)用占據(jù)最大份額，光伏高增長(zhǎng)。根據(jù) ISVT，2019 年全球真空設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模約 350 億元，其中半導(dǎo)體用真空設(shè)備約 135 億元，占比約 38%，是最大的應(yīng)用領(lǐng)域，此外光伏領(lǐng)域的真空泵需求正快速增長(zhǎng)。
真空泵在半導(dǎo)體領(lǐng)域用途廣泛，在半導(dǎo)體大硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)的單晶爐，在晶圓制造環(huán)節(jié)的光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備、離子注入機(jī)等，在封測(cè)環(huán)節(jié)的模塑設(shè)備領(lǐng)域，真空泵均有廣泛的運(yùn)用。
真空泵應(yīng)用于單晶硅制造、晶圓加工等多個(gè)環(huán)節(jié)。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)剛起步的時(shí)候，僅有兩種處理工藝需要用到真空腔。
一種是只有一層金屬的蒸鋁工藝，另一種是在硅 片背面蒸金以便將電路芯片固定在它的管殼上，那時(shí)的真空工藝是在類似鐘罩的腔內(nèi)進(jìn)行的。
當(dāng)前，半導(dǎo)體制造過(guò)程中的許多化學(xué)反應(yīng)都是在真空條件下進(jìn)行的，使用工藝腔來(lái)實(shí)現(xiàn)受控的真空環(huán)境。
從20世紀(jì)80年代后期，工藝腔被構(gòu)造為多腔集成設(shè)備。硅片在真空環(huán)境下從一個(gè)工藝腔傳送至另一個(gè)工藝腔，避免了硅片的原始氧化并減少了污染。
半導(dǎo)體工業(yè)是真空泵非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，是當(dāng)前主要的增長(zhǎng)動(dòng)力。目前真空泵已經(jīng)廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體制造的多個(gè)工藝環(huán)節(jié)中，包括刻蝕、鍍膜、擴(kuò)散等等。
為了將制造過(guò)程控制在更小的尺寸上，越來(lái)越需要以更高的精度和均勻性執(zhí)行更多的半導(dǎo)體制造過(guò)程步驟。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，半導(dǎo)體工藝必須在極度受控的真空環(huán)境中運(yùn)行。
隨著功能和電路尺寸的減小，半導(dǎo)體制造中的工藝步驟數(shù)量將繼續(xù)增加，從而導(dǎo)致真空設(shè)備需求的增加。
此外，小型化還需要新的制造技術(shù)，如多模和EUV光刻技術(shù)， 這將進(jìn)一步推動(dòng)半導(dǎo)體制造商采用真空系統(tǒng)。
半導(dǎo)體制造中主要應(yīng)用的真空泵類型包括干式真空泵以及渦輪分子泵。較早時(shí)，油式真空泵是半導(dǎo)體行業(yè)中常用的真空泵種類，目前干泵成為了半導(dǎo)體行業(yè)最主要的真空泵類型。
與基于液體的水環(huán)泵、油封泵和蒸汽噴射系統(tǒng)相比，干泵設(shè)備除了能提高速度、工藝可重復(fù)性、靈活性和生產(chǎn)率之外，還能夠顯著節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本、維護(hù)成本和安裝空間。
干泵設(shè)備的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，不使用水或油來(lái)進(jìn)行真空階段的密封或者潤(rùn)滑，因?yàn)樵O(shè)備的運(yùn)行成本非常經(jīng)濟(jì)，可讓用戶優(yōu)化真空工藝。
另外，干泵消除了工藝過(guò)程污染油或油搭載進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，他們不會(huì)產(chǎn)生廢物、或者污染寶貴的溶劑、產(chǎn)品或環(huán)境。
干式泵是一種無(wú)油的泵送機(jī)構(gòu)，用于創(chuàng)造真空環(huán)境。它們?cè)谡婵粘闅鈾C(jī)構(gòu)內(nèi)不使用潤(rùn)滑劑，并有一系列的監(jiān)測(cè)和控制選項(xiàng)。
干泵廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，也應(yīng)用于冶金、涂料、干燥、太陽(yáng)能等工業(yè)過(guò)程。它們也用于科學(xué)儀器，如掃描電子顯微鏡。
根據(jù)SEMI（國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料協(xié)會(huì)），2017-2020年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)銷售額566/645/598/689億美 元，結(jié)合半導(dǎo)體真空市場(chǎng)規(guī)模（2017-2019年約19/20/21億美元），真空泵占同期半導(dǎo)體設(shè)備銷售額的3%~4%。
真空泵還需要定期維護(hù)，服務(wù)市場(chǎng)也是重要的一部分，例如Altas真空部門每年服務(wù)收入占到該部門收入的25%。根據(jù)Edwards， 公司的大多數(shù)真空泵的使用壽命在10年到20年之間，并在這段時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷4到10次 預(yù)定的再制造過(guò)程。
對(duì)于某些客戶，真空泵和減排系統(tǒng)每天24小時(shí)、每周7天運(yùn)行， 因此除了再制造外，還需要定期維護(hù)。
我們估計(jì)，用于超清潔環(huán)境的干泵通常需要每4至5年維修一次，但建議在更嚴(yán)格的工藝下運(yùn)行的泵每三個(gè)月進(jìn)行一次維修。
進(jìn)一步地，我們按照每年新增晶圓產(chǎn)能和目前裝機(jī)產(chǎn)能測(cè)算了全球半導(dǎo)體真空泵每年增量需求與更新需求。
參考Edward的數(shù)據(jù)，我們的測(cè)算包含了以下關(guān)鍵假設(shè)：
1）假設(shè)每月4萬(wàn)片產(chǎn)能的12寸晶圓產(chǎn)線需要干式真空泵2000臺(tái)，渦輪分子泵500 臺(tái)；
2）平均更新年限假定為10年（每年更換存量真空泵的10%）；
3）半導(dǎo)體用干式真空泵價(jià)格假定15萬(wàn)元/臺(tái)，分子泵假定12萬(wàn)元/臺(tái)；
4）服務(wù)市場(chǎng)為總需求規(guī)模的25%，即為設(shè)備需求1/3。（2019年Altas真空部門服務(wù)收入占總收入的25%）。
5）2025年的裝機(jī)預(yù)測(cè)取IC Insights的估計(jì)值，2021-2025年我們根據(jù)2025年的裝機(jī)預(yù)測(cè)做了平滑處理。
測(cè)算結(jié)果如下：
1）存量需求占據(jù)主導(dǎo)，支撐需求穩(wěn)中向上。根據(jù)測(cè)算，存量真空泵的更新與服務(wù)市場(chǎng)占整個(gè)設(shè)備市場(chǎng)的60%~70%左右，龐大的存量市場(chǎng)保證了半導(dǎo)體真空泵的穩(wěn)定需求。
2）預(yù)計(jì)2025年全球半導(dǎo)體領(lǐng)域真空泵市場(chǎng)需求超過(guò)200億。根據(jù)IC Insights，2020 年全球裝機(jī)產(chǎn)能合計(jì)923.11萬(wàn)片/月（折算成12寸晶圓，下同），預(yù)計(jì)到2025年全球 裝機(jī)產(chǎn)能1252萬(wàn)片。
據(jù)此測(cè)算，2019年半導(dǎo)體真空泵的設(shè)備與服務(wù)需求約130億元， 與ISVT的估計(jì)相近。預(yù)計(jì)到2025年全球半導(dǎo)體真空泵的設(shè)備與服務(wù)需求達(dá)到217億 元，其中設(shè)備需求約162億元，服務(wù)需求約54億元。
遵循同樣的思路，并對(duì)國(guó)內(nèi)裝機(jī)的全球占比作出假設(shè)，我們可以對(duì)國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體真空泵市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)行測(cè)算，并假設(shè)國(guó)內(nèi)裝機(jī)占全球裝機(jī)的比例逐漸上升。
根據(jù)測(cè)算，2021-2025年國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體真空泵設(shè)備的市場(chǎng)空間分別為33/32/35/39/43億 元；加上服務(wù)的需求，則同時(shí)期設(shè)備及服務(wù)的總需求為44/43/47/52/57億元，未來(lái)5 年復(fù)合增長(zhǎng)率為7.5%，保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。
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