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半导体真空泵:百亿级产业,需求稳中向上

  【康沃真空网】半导体真空:百亿级产业,需求稳中向上

  (一)应用在半导体制造多个工艺环节

  真空泵应用于单晶硅制造、晶圆加工等多个环节。在半导体产业刚起步的时候,仅 有两种处理工艺需要用到真空腔。一种是只有一层金属的蒸铝工艺,另一种是在硅 片背面蒸金以便将电路芯片固定在它的管壳上,那时的真空工艺是在类似钟罩的腔 内进行的。当前,半导体制造过程中的许多化学反应都是在真空条件下进行的,使 用工艺腔来实现受控的真空环境。从20世纪80年代后期,工艺腔被构造为多腔集成设备。硅片在真空环境下从一个工艺腔传送至另一个工艺腔,避免了硅片的原始氧 化并减少了污染。

  半导体工业是真空泵非常重要的应用领域,是当前主要的增长动力。目前真空泵已 经广泛应用在半导体制造的多个工艺环节中,包括刻蚀、镀膜、扩散等等。为了将制 造过程控制在更小的尺寸上,越来越需要以更高的精度和均匀性执行更多的半导体 制造过程步骤。为了实现这一点,半导体工艺必须在极度受控的真空环境中运行。随着功能和电路尺寸的减小,半导体制造中的工艺步骤数量将继续增加,从而导致 真空设备需求的增加。此外,小型化还需要新的制造技术,如多模和EUV光刻技术, 这将进一步推动半导体制造商采用真空系统。

  半导体制造中主要应用的真空泵类型包括干式真空泵以及涡轮分子泵。较早时,油式真空泵是半导体行业中常用的真空泵种类,目前干泵成为了半导体行业最主要的 真空泵类型。与基于液体的水环泵、油封泵和蒸汽喷射系统相比,干泵设备除了能 提高速度、工艺可重复性、灵活性和生产率之外,还能够显著节省运营成本、维护成 本和安装空间。干泵设备的关键优势,不使用水或油来进行真空阶段的密封或者润 滑,因为设备的运行成本非常经济,可让用户优化真空工艺。另外,干泵消除了工艺 过程污染油或油搭载进入尾气处理系统的风险,他们不会产生废物、或者污染宝贵 的溶剂、产品或环境。

  干式泵是一种无油的泵送机构,用于创造真空环境。它们在真空抽气机构内不使用 润滑剂,并有一系列的监测和控制选项。干泵广泛应用于半导体领域,也应用于冶 金、涂料、干燥、太阳能等工业过程。它们也用于科学仪器,如扫描电子显微镜。

  在涡轮分子泵涡轮泵中,涡轮转子快速旋转产生真空。涡轮泵的主要特点是转速 高。涡轮泵通常与主湿泵或干泵一起使用。它们通常用于半导体应用和研发、工业 应用和高能物理。

  在刻蚀和薄膜沉积设备中通常使用干泵+涡轮分子泵,将大气抽至一定真空使得符合 工艺的需求。由于干泵抽真空的能力有限,需要配上涡轮分子泵将环境抽至高真空。根据Edwards官网,一个月产4万片的晶圆厂,需要1000个减排系统,2000个干泵, 以及至少500个涡轮分子泵。其中干泵和减排系统直接出售给铸造厂和集成设备制造 商,供其在制造过程中使用,涡轮分子泵直接出售给设备制造商,以便集成到其工 艺工具中。

  (二)百亿级产业,存量市场奠定需求稳中向上

  半导体真空市场规模占同期半导体设备销售额的3%~4%。根据SEMI(国际半导体 设备与材料协会),2017-2020年全球半导体设备市场销售额566/645/598/689亿美 元,结合前文提到的半导体真空市场规模(2017-2019年约19/20/21亿美元),真空 泵占同期半导体设备销售额的3%~4%。真空泵还需要定期维护,服务市场也是重要 的一部分,例如Altas真空部门每年服务收入占到该部门收入的25%。根据Edwards, 公司的大多数真空泵的使用寿命在10年到20年之间,并在这段时间内经历4到10次 预定的再制造过程。对于某些客户,真空泵和减排系统每天24小时、每周7天运行, 因此除了再制造外,还需要定期维护。我们估计,用于超清洁环境的干泵通常需要 每4至5年维修一次,但建议在更严格的工艺下运行的泵每三个月进行一次维修。

  进一步地,我们按照每年新增晶圆产能和目前装机产能测算了全球半导体真空泵每 年增量需求与更新需求。

  参考Edward的数据,我们的测算包含了以下关键假设:

  (1)假设每月4万片产能的12寸晶圆产线需要干式真空泵2000台,涡轮分子泵500 台;(2)平均更新年限假定为10年(每年更换存量真空泵的10%);(3)半导体 用干式真空泵价格假定15万元/台,分子泵假定12万元/台;(4)服务市场为总需求 规模的25%,即为设备需求1/3。(2019年Altas真空部门服务收入占总收入的25%)。(5)2025年的装机预测取IC Insights的估计值,2021-2025年我们根据2025年的装 机预测做了平滑处理。

  测算结果如下:

  (1)存量需求占据主导,支撑需求稳中向上。根据测算,存量真空泵的更新与服务 市场占整个设备市场的60%~70%左右,庞大的存量市场保证了半导体真空泵的稳定 需求。

  (2)预计2025年全球半导体领域真空泵市场需求超过200亿。根据IC Insights,2020 年全球装机产能合计923.11万片/月(折算成12寸晶圆,下同),预计到2025年全球 装机产能1252万片。据此测算,2019年半导体真空泵的设备与服务需求约130亿元, 与ISVT的估计相近。预计到2025年全球半导体真空泵的设备与服务需求达到217亿 元,其中设备需求约162亿元,服务需求约54亿元。

  遵循同样的思路,并对国内装机的全球占比作出假设,我们可以对国内的半导体真 空泵市场规模进行测算,并假设国内装机占全球装机的比例逐渐上升。

  根据测算,2021-2025年国内半导体真空泵设备的市场空间分别为33/32/35/39/43亿 元;加上服务的需求,则同时期设备及服务的总需求为44/43/47/52/57亿元,未来5 年复合增长率为7.5%,保持稳定增长。


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