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西藏半導體零部件之閥門行業研究：國產替代方興未艾
發布時間：2023-12-22 09:30:14 點擊次數：30260 次
（報告出品方/作者：興業證券，李雙亮、王佩麟）
1.1、真空閥：真空系統核心零部件，主要起隔離/控制/傳輸作用
真空的通俗定義指的是空間中的壓力低于標準大氣壓力時的狀態。 真空閥指的是用在真空系統中的閥門，其作用通常為隔離真空區域（如工藝腔室） 或控制氣體進出量。由于真空環境基本貫穿半導體制造過程始終，因此真空閥在 半導體設備中也有著普遍而廣泛的應用。 真空閥和普通閥門在類型上沒有本質區別，按作用劃分主要有隔離閥、控制閥 （調節閥）、傳輸閥、泄壓閥/排氣閥、氣體計量閥、止回閥等，在半導體設備的 真空系統中尤其是隔離閥、控制閥、傳輸閥應用較多；其中，隔離閥和控制閥根 據工作方式又包括閘閥、角閥、蝶閥、球閥、擺閥等。
具體來看，隔離閥起隔絕/接通作用，如可用于連接真空泵，在其運作與否時起 到禁止/允許氣體進入真空泵系統的作用；控制閥主要起到控制氣體流量和壓力 的作用；傳輸閥則可用于晶圓在腔體之間或腔體和 Load Lock 之間的傳輸。
從實際應用來看，隔離閥采用最多的主要為角閥和閘閥。 閘閥的啟閉件為閘板，閘板運動方向與介質流動方向垂直，通過閘板的升降可以 起到隔絕/接通作用，通常只作全開/全閉狀態，是隔離閥的理想選擇，而較少用 作控制作用。閘閥可用于腔體和真空泵之間。
角閥的氣體通路通常呈直角，主要可用于真空系統中的排氣管路和抽氣系統等的 連接，如用于主泵（通常為分子泵）和前級泵（通常為干泵）之間（即前級管路） 或腔體和前級泵之間（即粗抽或預真空管路）。角閥常作為隔離閥，尤其適用于 嚴苛的環境下，并具有出色的可靠性，也可具備控制作用。
控制閥用在西藏真空腔體和分子泵之間，起到調節流量和壓力的作用。控制閥采用最 多的主要為擺閥（鐘擺閥），而蝶閥等也可以起到控制作用。 擺閥的啟閉件通過如鐘擺般的旋轉運動來實現隔離和控制作用，具有設計緊湊、 振動小、啟閉平穩、能有效避免產生顆粒的特點，被廣泛用作控制閥。
蝶閥的閥瓣呈圓盤形，圍繞其中軸旋轉，旋角大小便是閥門的開閉度，既可作為 隔離閥，提供與閘閥同樣可靠的真空隔離的同時對占用空間要求較低，適用于緊 湊空間的隔離；又可作為控制閥，實現快速精確的調節。
此外，球閥的啟閉件是帶有圓形通道的球體，繞垂直于通道的軸線旋轉，球體隨 閥桿轉動從而達到啟閉通道的目的。球閥適用的壓力范圍廣，從高真空到西藏低真空 等均可使用，同時在帶有腐蝕性介質的或者高溫的系統中也均可適用。
傳輸閥是用于連接西藏真空腔室的長方形截面的閥門，可將物體（如晶圓）從一個腔 室傳送到另一個腔室，尤其是在傳輸腔和工藝腔之間需要用到，因此傳輸閥是多 腔室系統的理想選擇。
1.2、真空閥要求嚴苛，瑞士 VAT 主導市場
真空系統包括各種不同的零部件，如腔體、泵、閥等等，基本都有著嚴苛的參數 指標要求和較高的研發生產難度，僅在材料選擇上便需要結合應用、環境條件及 要實現的真空度而考慮諸多因素。且還需要進行復雜而精密的焊接、表面處理、 清潔等工藝，都需要行業中較長時間的積累。
而具體到真空閥產品來看，優異的密封性、精確的流量控制、最小的顆粒產生、 最小的振動和沖擊、穩定性和可重復性等也都是至關重要的特性，尤其是在半導 體制造這種對于工藝環境的純度、化學和物理穩定性有極高要求的領域，其要求 會比標準真空閥更高。
據瑞士 VAT 公司整理，2021 年 VAT 公司占全球半導體真空閥的份額約 75%，假 設 2022 年其市占率保持穩定，結合公司 2022 年半導體真空閥 7.165 億瑞士法郎 （按 1.05 匯率假設約為 7.5 億美元），則全球半導體真空閥市場規模約 10 億美元； 類似地，可測算出全球泛半導體真空閥市場規模約 12.7 億美元。 真空閥市場格局集中，除了瑞士 VAT 占據主導地位以外，MKS 公司（美國）、VTEX（日本）、CKD（日本）、SMC（日本）、Ulvac（日本）等廠商也都占據一定 的市場份額。
1.3、國際龍頭梳理
1.3.1、瑞士 VAT 公司
瑞士 VAT 作為全球真空閥龍頭，2022 年實現收入 11.45 億瑞士法郎，其中閥門產 品收入9.33億瑞士法郎，服務收入2.13億瑞士法郎。閥門產品收入進一步劃分， 則半導體為最大下游應用，收入為 7.17 億瑞士法郎，其余則為先進工業、顯示& 太陽能應用。
VAT 公司擁有全面的隔離閥、控制閥、傳輸閥、快速關閉閥等產品組合，可為各 種應用領域提供最佳解決方案，其真空閘閥、角閥、蝶閥、擺閥等產品為各領域 的真空閥解決方案設定了標準。公司在隔離閥、控制閥、傳輸閥都有較高的行業 地位，尤其是控制閥和傳輸閥領域占據行業領先份額。
2.1、半導體工藝設備供氣和氣路系統中廣泛應用的關鍵元件
除在真空系統中大量應用外，閥門同樣是半導體行業高純流體系統中核心的系統 元件，主要起著流體的開關截止、流體的流量調節、流體的流向改變等三大作用。 在半導體制造工藝設備內部的氣體管路系統中和半導體工藝設備的供氣系統中， 均需要大量的高純閥門參與控制。 其中，供氣系統指的是電子氣體由氣源送往工藝設備端的系統，具體來看，電子 氣體先由氣柜（Gas Cabinets）出來經過分配，然后通過多功能閥箱/閥盤（Valve Manifold Boxes/Panels）及二次配閥盤（Hookup），通往工藝設備端，在這個過程 中的幾個主要環節基本都需要用到閥門產品。
在這里面，氣柜（Gas Cabinets）為特氣源提供壓力控制和流量監測、并具備更 換氣瓶能力，多功能閥箱則是將特氣分配到不同工藝設備的裝置，均需用到隔膜 閥、單向閥、調壓閥等閥門。此外，Fab 廠中的大宗氣體系統（Bulk Gas）、二次 配閥盤/盒等也均用到閥門。
而氣體經過閥箱/閥盤后，則通過工藝設備端內的氣路系統通入工藝腔內，然后 參與各種晶圓工藝反應。具體來看，半導體工藝設備內部的氣路系統主要由 Gas Box、Gas Box 至反應腔的氣路，以及最終進入反應腔之前的閥門構成，這一氣 路系統內同樣會用到高純閥門產品。 在這里面，Gas Box 作為半導體設備內的核心組成部分之一，其功能是將各路工 藝氣體集成在一個空間環境內，并按工藝需求對不同氣體進行傳輸、分配和混合， 對個別關鍵工藝氣體進行精確的流量控制，根據工藝不同步驟的設定實現對工藝 氣體進行開關控制等功能。因此，Gas Box 的功能決定了其內部集成了閥門，包 括隔膜閥、單向閥等。
具體產品來看，流體系統中常用的閥門主要有： 隔膜閥，是用橡膠、PTFE 等軟質材料制成的隔膜作為啟閉件，把閥體內腔和閥 蓋內腔隔開的閥門，通過操作機構控制隔膜的移動便可以達到隔絕和調節作用。 隔膜閥的優點在于，閥蓋、閥桿等零件與介質通路隔開，因此零件不會受到介質 侵蝕和沖擊，且不會發生介質內漏；同時，隔膜閥結構簡單，易于維修和更換； 且隔膜和閥體均可以采用不同材料，能理想控制多種工作介質，尤其適合帶化學 腐蝕性或懸浮顆粒的介質。
調壓閥（Regulators）可以把從鋼瓶等來源排出的氣體或液體的壓力降低到設備 所需的較低值。調壓閥有一個傳感元件（如活塞或隔膜），一側承受由彈簧或氣 壓施加的力，另一側承受流體系統承受的力。 其中，減壓調壓閥通過轉動閥桿/手柄，對可調彈簧進行調整來設定所需的出口 壓力；背壓調壓閥則可設定所需的進口壓力。
單向閥，也稱止回閥，是一種使流體保持恒定方向流動并防止反向流動的閥門。 流體正向流動時，單向閥的閥瓣被流體壓力推開，但反向流動時閥瓣在背壓的作 用下與閥座緊密接觸以防止回流。
波紋管閥，是以波紋管作為閥桿密封元件的閥門，波紋管和閥桿焊在一起，隨閥 桿而帶動閥頭升降，起到啟閉作用。采用波紋管密封結構后，可以將介質和大氣 隔離開來，因此有著極佳的密封性，可避免介質從閥桿處泄露。 雖然，隨著晶體管的不斷微縮，制造過程中避免受到污染顯得至關重要，流體系 統元件逐漸從波紋管閥向結構更簡單、活動部件更少、零件與介質隔開的隔膜閥 發展，但波紋管閥憑借絕佳的密封性也仍有用武之地。
2.2、流體系統閥門要求更顯嚴苛，美國廠商占據重要地位
流體系統對閥門有著極為嚴苛的要求，包括潔凈度要求高、材質純度要求高、應 對腐蝕和快速吹掃無殘留要求高、流體控制精度要求高等。比如，由于半導體工 藝設備需要大量工藝氣體參與反應，其中氯化氫、三氯化硼、溴化氫等均具有強 腐蝕性，管路和閥門很容易腐蝕并進而導致泄露等情況，因此對材料的選擇和其 表面電化學的處理都有嚴格要求。
再比如，Gas Box 作為氣路系統的核心部件之一，內部包含各種介質的控制氣路， 其內工藝氣體的響應時間、流量控制對工藝都起到至關重要的作用，因此內部需 要可靠穩定的流體系統元件，高純閥門需要滿足體積緊湊、滿足 SEMI 標準的泄 露率和潔凈度要求等，部分應用下還需要能耐環境高溫。且，制程演進帶來的變 化是需要使用更多新材料、特殊氣體，對 Gas Box 提出了小型化（尺寸不變情況 下具備更多氣路）、靈活性（氣體管路進出口位置有更多選擇）的要求，這其中 也離不開對閥門的更高要求。
再比如，ALD（Atomic Layer Deposition，原子層沉積）作為當下及未來制程節 點微縮及復雜器件幾何形狀上沉積薄層材料的關鍵技術，對流體系統元件也提出 了新的挑戰。部分龍頭廠商如 Swagelok 甚至專門推出了 ALD 閥門系列，以應對 ALD 對壽命、耐高溫等方面的要求。 且隨著越來越多的 High k 材料的引入，ALD 工藝需要系統更低的壓力，更高的 溫度，未來需要更大的流量（例如閥門 CV 要求普遍在目前流量的 2-3 倍），也會 需要高純特殊合金材料來應用于閥體。
細分市場規模方面，據 LP information 統計，2022 年全球半導體閥門（含真空閥， 但不含調壓閥 regulators）市場規模約 20.9 億美元，其中隔膜閥市場占比較大， 規模約 5.2 億美元，而如前所述各類真空閥市場規模約 10 億美元，其余則為單向 閥等產品。若在加上流體系統中應用較多的調壓閥的市場，則全球半導體閥（含 調壓閥）會比 20.9 億美元要再高出不少。 而在行業的主要參與者方面，除了 VAT、MKS 等廠商在真空閥市占率較高外， Swagelok（美國）、Fujikin（日本）、Parker Hannifin（美國）等廠商在流體系統 中的隔膜閥、調壓閥等產品有著較高的市場地位。
2.3、全球龍頭廠商梳理
2.3.1、Swagelok
美國 Swagelok（世偉洛克）公司成立于 1947 年，目前是一家年銷售額約 20 億美 元的私營企業，致力于為油氣、化工、半導體、清潔能源等各個行業提供流體系 統產品、組裝和服務。公司提供閥門、調壓閥、接頭、軟管、卡套管及卡套管附 件、壓力表和其他測量裝置、過濾器、焊接系統、檢漏液、潤滑劑、密封劑、快 速接頭、機械密封支持系統、取樣系統、分析子系統以及微型模塊化系統等產品。
針對半導體行業，Swagelok可提供閥門、調壓閥、接頭、軟管和柔性卡套管、過 濾器、焊接系統、彎管器等產品和服務。尤其是在半導體制造所需的超高純 （UHP）閥門方面，Swagelok具備多種型號的隔膜閥、波紋管密封閥、單向閥、 調壓閥、ALD 閥等產品，為半導體流體系統提供全面高質量的解決方案，是半 導體流體系統閥門的全球領先供應商之一。
2.3.2、Fujikin
日本 Fujikin（富士金）公司成立于 1930 年，在以閥門為核心的超精密流體控制 系統方面處于行業領先地位，涵蓋半導體、太空開發、氫能利用、制藥和食品、 鋰電池等多個領域。公司截至 2022 年 3 月 31 日的財年收入約為 1707 億日元（約 合人民幣 80+億元）。
在半導體領域，Fujikin 可提供的產品主要包括： 閥門產品，如隔膜閥、單向閥、波紋管閥等各種閥門；接頭產品；流體系統，包 括 IGS（Integrated Gas System，集成氣體系統）、FCS（Flow Control System，流 量控制系統）等。
3.1、國產設備廠商成長空間巨大，零部件國產替代正當時
存儲廠短期擴產部分受限，中長期產能提升空間巨大。美國在 2022 年 10 月公布 了對我國半導體產業的進一步制裁，其中重點新增限制了存儲先進制程的制造能 力。長江存儲和長鑫存儲是國內在存儲芯片 3D NAND、DRAM 領域各自的代表 廠商，經過多年的技術積累后，長江存儲已經實現 232L 3D NAND 工藝的量產， 長鑫存儲已經實現 19nm DRAM 工藝的量產，其中，尤其主要是長江存儲在被限 制后短期擴產確實受到一定影響。但國內存儲廠商產能在全球占比依然極小，和 國內市場需求嚴重不匹配，中長期來看產能提升空間十分巨大。
邏輯先進制程擴產受限，成熟制程擴產確定性依然較強。中芯國際自 2020 年被 美國加入實體清單后，戰略方向逐漸向成熟制程擴產傾斜，本次限制節點對其并 無進一步影響。中芯國際 2021 年以來先后發布公告將分別在北京、深圳、上海、 天津加大投資進行成熟制程擴產，且 2022 年業績說明會上重申了擴產的意志和 決心，對 2023 年資本開支也給出了和 2022 年高基數相當的指引，因此預計中芯 國際未來 2-3 年擴產節奏和資本開支依然會較為樂觀。
自主可控持續推進，國產化比例有望快速提升。美國不斷加深對國內半導體產業 的限制，并拉攏日本和荷蘭也跟進限制，但從目前限制的實際范圍和力度來看不 必過于悲觀。以尤為關鍵的光刻機環節為例，據 ASML官網公布，在具體細則出 臺之前，公司自己將會受到出口管制的“最先進工具”定義為 TWINSCAN NXT： 2000i 及之后的浸沒式光刻機，而不被限制的 1980 Di 已經可以滿足邏輯成熟制程 和 3D NAND 先進制程需求。 而且，限制的不斷加深進一步凸顯了自主可控的重要性和緊迫性，國內晶圓廠存 儲廠近年在擴產過程中正逐漸提升產線中設備的國產化比例，預計未來會進一步 較快提升。因此，國產設備廠商國產化空間依然較大，在國產化加速下仍有望保 持較快增長。
2021 年全球千億美元的半導體設備市場中，中國大陸地區市場規模約為 296 億美 元，但其中有較多來自于外資企業。我們預計，隨著大陸本土晶圓廠持續快速擴 產，以及外資晶圓廠由于各種因素導致在大陸擴產投資趨于萎縮，中長期來看大 陸地區的設備市場規模將主要由本土晶圓廠采購形成，且自主可控大勢所趨下設 備整體國產化率有望達到顯著較高級別，對應設備國產化空間巨大。
更為重要的是，國內設備廠商在快速成長的同時，也在積極尋求上游供應鏈的自 主可控，零部件國產替代浪潮已然掀起。目前半導體零部件供應格局以海外廠商 為主，國內自給率較低，既因產業壁壘高、市場碎片化，也因為國內下游半導體 設備產業不發達，國內零部件廠商缺乏技術基礎、發展性價比不高。
3.2、半導體閥門國產替代方興未艾，尤其流體閥門國產化空間極大
當前趨勢下美國不斷加大對我國半導體產業的限制，尤其是半導體設備進口受到明顯影響，而作為半導體設備上游的零部件環節，其供應穩定性也在逐漸面臨越 來越大的風險，因此設備廠商對于零部件自主可控的緊迫性也愈發凸顯。 而從當前的國產化情況來看，目前國內晶圓廠產線中半導體閥門的采購仍較大程 度上依賴于海外廠商。具體來看，真空閥市場主要由瑞士VAT主導，流體閥主要 由美國 Swagelok、美國 Parker Hannifin、日本 Fujikin 等廠商主導，相對來說流體 閥要求更為嚴苛、且美廠主導格局下國產替代緊迫性尤為明顯。而國內已有廠商 具備良好國產替代基礎，如新萊應材已在閘閥等多種真空閥產品對國內主流客戶 實現國產化供應，在隔膜閥等氣體閥也已實現銷售突破并迎來快速放量。
3.3、優質國產廠商梳理
3.3.1、新萊應材
新萊應材于 1991 年成立于中國臺灣，于 2000 年總部遷至昆山，2011 年深交所上 市。公司最初主營業務為應用于食品、生物醫藥、泛半導體領域的潔凈應用材料 和高純及超高純應用材料業務，其后通過外延并購方式拓展了應用于食品飲料領 域的無菌包材及灌裝機業務。
公司業務按下游可以劃分為三個主要領域： 泛半導體領域，產品為高純及超高純應用材料，主要包括真空系統（高/超高真 空的法蘭、管件、閥、腔體等）和氣體系統（超高純管道管件、閥等）； 生物醫藥領域，產品包含管路系統、無菌閥門、無菌泵、管式換熱器、過濾器等； 食品安全領域，產品分為無菌包材、無菌紙盒灌裝機、潔凈材料（如管路系統、 衛生級閥門、衛生級泵）等。
目前公司下游應用中食品類占比最高，2022H1高達50.5%，其中無菌包材和食品 設備分別占 38.7%和 6.3%，其余產品則主要為潔凈應用材料；而醫藥類（產品主 要為潔凈應用材料）占比 23.6%；泛半導體業務（產品為高純及超高純應用材料） 占比 25.9%。
新萊應材在半導體領域的業務主要包括真空產品（真空法蘭、管件、閥、腔體等） 和氣體產品（管道管件、接頭、閥等），具體來看： 公司真空系列的品牌名為“AdvanTorr”，產品主要包括高真空和西藏超高真空的法蘭、 管件、鋼瓶、傳輸閥、鋁合金閘閥、閘閥、角閥、腔體、加熱帶、視窗、無氧銅 墊片等。公司產品選用優質不銹鋼材料，可用于半導體、顯示、LED、薄膜太陽 能電池、氫能源、鋰電、科研機構等領域，主要應用于薄膜技術（蒸發、濺射、PECVD、MOCVD、ALD 等），并覆蓋表面分析技術和離子注入系統。
而在氣體產品，公司“NanoPure”品牌產品主要包括超高純管道＆管件、面密封 接頭（VCR）、微型管道、卡套接頭、減壓閥、超高純隔膜閥、卸荷閥、微粒過 濾器、止回閥、針閥、球閥等，并在積極拓展新產品。
半導體真空系統和氣體系統均是國產化率較低、競爭格局較好的細分行業，新萊 應材作為國內在兩個行業都處于領先地位的優質廠商，在行業有著多年的積累和 經驗，產品品類齊全，客戶方面更是和 AMAT、Lam Research、北方華創等海內 外設備龍頭以及長江存儲、長鑫存儲等海內外知名 fab 廠都有多年的良好合作關 系。公司在真空閥領域已實現較好的國產替代基礎，而對部分氣體閥等產品的供 應屬國內稀缺，，預計將是細分領域國產替代的排頭兵，未來成長空間巨大。 此外，新萊應材還積極拓展開發新產品，在真空系統方面開拓真空泵產品，在氣 體系統方面開發 MFC、過濾器等產品，完善公司業務布局，可為下游客戶提供 更為全面完整的服務，有望增強公司競爭力，并進一步打開公司成長天花板，成為公司未來新的增長驅動點。
3.3.2、晶盛機電
晶盛機電主營業務產品為應用于光伏和半導體集成電路產業上游晶體生長及加工 設備，并基于多年來對硬脆晶體材料生長及加工技術和工藝的理解，延伸布局至 藍寶石材料、碳化硅材料以及相關產業鏈核心的輔材耗材，如石英坩堝、金剛線、 精密零部件等領域。公司業務涉及半導體、光伏設備領域以及半導體材料細分領 域的藍寶石材料和碳化硅材料等。 精密零部件領域，晶盛機電建立了以半導體閥門、管件、磁流體等精密零部件產 品體系，以配套半導體和光伏設備所需關鍵零部件及需求，保障供應鏈的穩定和 安全。其中在閥門產品方面，晶盛機電子公司與日本 Primet 合作，于 2022 年 4 月實現首批隔膜閥產品的認證通過及量產，客戶包括中芯集成、七星流量計、 AMAT、TEL 等。
3.3.3、九天真空
九天真空成立于 2002 年，是國家高新技術企業，中國真空行業重點企業。公司 主要業務以真空閥、薄膜規、真空部件、真空系統集成為主的四大核心業務，自 主研發真空系列產品數千余種，是國內產品線齊全的真空技術企業。九天真空的 產品廣泛應用于科研院所、半導體、電子通訊、新材料、新能源、人工智能、生 物醫療等各國家戰略性支柱行業，累計服務客戶上萬家。 九天真空承擔了科技部、工信部、發改委重大扶持項目 5 個，承擔國家集成電路 02 重大專項 3 個，其中包括“高真空變通導擺動插板閥”等項目。在真空閥產品方面，九天真空可提供插板閥（閘閥）、翻板閥（蝶閥）、調節閥、擋板閥（角 閥）、充氣閥等產品。
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精選報告來源：【未來智庫】。
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