前 言
集成电路是电子信息产业的基石，是大国博弈的战略制高点。目前，我国已将集成电路产业上升到了国家战略的高度。干式真空泵是半导体制造工艺设备的关键核心零部件，可以为集成电路生产设备提供所必需的高度洁净真空环境，广泛应用于半导体生产线。不过，目前半导体用干泵的供应仍以进口为主，国产化率还很低，有很大的发展空间。
一
半导体用赶泵及其分类
1.干式真空泵及其应用领域
真空泵，是指获得、改善和（或）维持真空环境的一种装置或设备。根据泵腔体是否采用油封（或其他液封），真空泵可分为湿式真空泵和干式真空泵。湿式真空泵，是指采用泵油（或其他液封）来密封相对运动零部件间的间隙，以减少压缩腔末端的残余空间的真空泵设备。湿式真空泵因液体蒸发，会导致真空度略低，且存在介质污染的风险。
干式真空泵（简称干泵，又名真空干泵），即无油干式机械真空泵，是指不用油封（或液封）的变容真空泵。一般是指泵能从大气压力下开始抽气，又能将被抽气体直接排到大气中去，泵腔内无油或其他液态工作介质，且能在大气压到10-2 Pa的压力范围内工作的真空泵。相比于传统机械泵，干泵具有洁净度高、机械性能优良、可靠性高、维修少等优点。因为干式真空泵工作无需液体介质，所以干泵适用于清洁高真空环境，被大量应用于半导体、光伏、显示、锂电、化工和医药生产制造等行业。目前在半导体领域，干式真空泵是应用最广的真空泵类型。
真空度的划分标准主要依据气体压力范围和应用场景，国际通用标准将真空度分为以下四个等级（按压力从高到低排列），具体可参见下表。
表1 真空度的划分标准
资料来源：ISO 3529标准、中科仪招股说明书等
干泵是集成电路主要工艺设备中的核心附属设备，可应用在单晶硅制造、晶圆加工等多个环节。干泵为晶圆加工前道工序的四大核心工艺设备中的三大工艺设备薄膜、刻蚀、离子注入（约占主要工艺过程的70%）提供制造工艺所必需的超洁净真空环境，完成物理和化学气相沉积、刻蚀、离子注入等超微加工。此外，除了满足集成电路制程对真空环境的要求，作为气体传输设备，干式真空泵还能将工艺气体和反应生成的复杂气体或固体混合物从集成电路制造设备内抽离，保障工艺过程要求的动态平衡。
图1 干式真空泵在集成电路领域的典型工艺环境应用
资料来源：中科仪招股说明书
随着半导体设备向集成化、小型化发展，干式真空泵也在不断进行技术革新，以提供更优的解决方案。干式真空泵也在朝着性能提升、智能化及小型化的方向发展，以更好地适应未来半导体技术的发展需求。
2.干泵的分类
根据结构形式和工作原理的不同，干式真空泵大体可分为爪式干泵、涡旋干泵、螺杆干泵、罗茨干泵等。干泵的工作压力范围为10-3-105Pa。
爪式干泵（Claw-type Dry Pump）：在泵腔内具有若干组相互啮合的爪型转子。转子与转子之间及转子与泵腔之间并不接触，留有微小的间隙，不用任何润滑剂，从而保证了清洁的真空环境。泵的结构采用多级转子串连的形式，每组转子分别位于不同泵腔做同步反方向运动。泵腔被爪型转子分隔为吸气腔和排气腔两部分。随着转子连续运转，进行循环的吸气、排气过程，实现了泵连续抽气的目的。爪式干泵的抽气速率更快，具有大流量处理能力；同时，可处理含微尘气体。在半导体领域，爪式干泵可应用在刻蚀、离子注入设备的前级泵，真空传输腔体抽气等领域。
图2 爪式干泵产品结构示意图
资料来源：互联网公开资料
图3 爪式干泵产品图
资料来源：互联网公开资料
涡旋干泵（Scroll Dry Pump）：通过两个涡旋盘的转动，在两个涡旋盘之间不断产生周期性变化的新月形状小腔，达到压缩气体的效果。涡旋干泵能效比优于部分螺杆干泵。涡旋干泵不适用于含粉尘或液滴的气体。在半导体领域，涡旋干泵可应用在刻蚀、CVD/PVD 工艺的前级泵（搭配分子泵）、真空传输系统等领域。
图4 涡旋干泵工作原理示意图
资料来源：互联网公开资料
图5 涡旋干泵产品图
资料来源：互联网公开资料
螺杆干泵（Screw Dry Pump）：是利用一对螺杆，在泵壳中作同步高速反向旋转而产生的吸气和排气作用的抽气设备，两螺杆经精细动平衡校正，由轴承支撑，安装在泵壳中，螺杆与螺杆之间都有一定的间隙，因此泵工作时，相互之间无磨擦，运转平稳，噪音低，工作腔无需润滑油，因此，螺杆干泵能抽除含有大量水蒸汽及少量粉尘的气体场合，极限真空更高，消耗功率更低，具有节能，免维修等优点。螺杆干泵具有连续压缩、无脉动气流，适合处理高湿度或含液滴气体的特点。在半导体领域，螺杆干泵可应用于干法刻蚀、化学气相沉积（CVD）的前级抽气；能够处理腐蚀性工艺气体（如CF₄、Cl₂）。
图6 螺杆干泵产品结构示意图
资料来源：互联网公开资料
图7 螺杆干泵产品图
资料来源：互联网公开资料
罗茨干泵（Roots Dry Pump）：泵内装有两个相反方向同步旋转的叶形转子，转子间、转子与泵壳内壁间有细小间隙而互不接触的一种变容真空泵。罗茨干泵通过搭配前级泵（螺杆干泵等），可以达到更高的真空度。同时，罗茨干泵大流量优势明显，适合快速抽气的场景。在半导体领域，罗茨干泵可应用于高密度等离子体刻蚀（HDP Etching）的前级抽气，处理大量反应气体（如SF₆、O₂）；以及化学气相沉积（CVD）设备的粗抽阶段。
图8 罗茨干泵工作原理示意图
资料来源：互联网公开资料
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图9 罗茨干泵产品示意图
资料来源：互联网公开资料
不同结构形式的干泵，产生的真空度范围有所不同，具体情况可参见表2和3。实际应用过程中，需要根据使用环境的工艺要求、成本等因素综合考虑。
表2 不同类型干泵的应用真空度范围
资料来源：《中科仪招股说明书》
表3 不同类型干泵的特点
资料来源：公开资料整理
二
干泵市场概况
工业领域，在中低真空度范围内，早期主要使用油封式机械泵构建组成真空系统，但该类真空系统由于泵内含油，因而存在明显缺陷：不适宜在含氧气量过高、有爆炸性、有腐蚀性、对泵油起化学反应、存在颗粒尘埃的环境下工作。
与基于液体的水环泵、油封泵和蒸汽喷射系统相比，干式真空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是，不使用水或油来进行真空阶段的密封或者润滑，因此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中污染油或油搭载进入尾气处理系统的风险，它们不会产生废物、或者污染宝贵的溶剂、产品或环境。
半导体产品制造过程中所需的真空系统，需要具备抽除腐蚀性气体、粉尘颗粒物、有毒气体等功能，因此油封式机械泵无法满足半导体产业的需要。受半导体产业的驱动，干式真空泵于上世纪 80年代出现，受益于下游集成电路、光伏、LED等行业的持续发展进步，干式真空泵的产品类型不断增加，性能、控制集成度等指标参数显著改善。截至目前，发达国家的半导体相关产业已全部使用干式真空泵，我国近年来也呈现明显的干式真空泵替代油泵的趋势，国内的高端半导体行业已基本使用干式真空泵。
除半导体产业以外，光伏、显示、制药、化工、食品行业对真空泵的需求较大，以往使用油封式机械泵会产生油污染。近年来国家对环境保护高度重视，由于干式真空泵能够显著减少油污染，且使用干式真空泵可实现溶媒回收提高利用率，因此光伏、显示、制药、化工、食品等行业对干式真空泵产生了大量新增以及替代原有存量油封式机械泵的需求。
1.干泵的产业链
干泵的产业链，上游主要是原材料和零部件供应商，包括金属和非金属材料、机械零部件、电子元器件、密封件等。其中，机械零部件主要包括腔体、转子、法兰、减速机、管路接头、热偶、轴承等；电子元器件主要包括电控系统、变压器、电源、按钮、线缆等。
干泵行业的中游主要是干泵生产厂商，下游包括半导体、光伏、显示、LED、化工和制药等应用领域。
图10 干式真空泵产业链上下游
2.干泵的市场规模
集成电路产业作为现代信息产业的基础和核心产业之一，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，在保障国家安全、推动国家经济发展以及社会进步等方面发挥着广泛而重要的作用，是衡量一个国家或地区现代化程度以及综合国力的重要标志。
2024年，全球集成电路产业在技术创新、市场需求及供应链重塑的多重驱动下，步入新一轮增长周期。尽管全球经济增速放缓与地缘政治风险持续存在，但受益于人工智能（AI）、高性能计算（HPC）的高速发展，汽车电子及消费电子回暖等因素的驱动，全球集成电路市场规模达到6,260亿美元（同比增17.45%），创历史新高。
图11 全球集成电路市场规模（亿美元）
资料来源：Gartner，北方华创2024年年度报告
半导体制造设备的需求也随之增长。根据SEMI统计，2024年全球集成电路装备的销售额达1,161亿美元（同比增长9.22%）。中国大陆作为全球最大的芯片消费市场，对集成电路装备的需求保持增长，2024年中国大陆集成电路装备市场规模为491亿美元（同比增长34.15%），继续位居全球首位，是全球半导体设备市场规模增长的主要驱动力。
图12 半导体设备销售额（亿美元）
资料来源：SEMI，北方华创2024年年度报告
真空泵作为半导体产业的关键零部件，占同期半导体设备销售额的4%左右。2024年半导体用真空泵，全球市场规模预计达到46亿美元。其中，国内半导体用真空泵市场规模约19亿美元（合人民币137亿元）。目前半导体领域使用的真空泵以干泵为主，占比超过70%。以此估算，2024年半导体用干泵，全球和国内的市场规模分别为32.2亿美元和13.3亿美元（合人民币96亿元）。
3.干泵市场竞争格局
全球半导体用干泵市场，主要由国际巨头Edwards（英国埃地沃兹，）、Ebara（日本荏原）、Kashiyama（日本坚山工业）、Pfeiffer Vacuum（德国普发）等外资品牌主导，占据整个市场90%左右的份额。Edwards、Ebara等国外厂商在真空技术领域拥有数十年的研发、制造经验，产品伴随着集成电路产业的发展不断更新换代，积累了大量产品设计和技术工艺的经验。
随着目前国家提倡制造业转型升级，半导体用干泵设备国产化替代已经迫在眉睫。干泵作为集成电路生产环节不可或缺的设备/零部件之一，目前国产品牌的市场占有率还很低，随着国产化设备占比不断提高，干泵市场有很大的成长空间。但同时，半导体行业客户对专用设备的质量、技术参数、稳定性等有严苛的要求，对新供应商的选择也较为慎重，并对其产品开展周期较长的验证流程。因此，半导体用干泵生产企业在开拓市场、客户验证等方面将面临周期长、难度大的挑战。
虽然近年来受国家重大科技专项等政策支持，国内部分干泵企业实现了在集成电路制造部分工艺环节的技术突破和产业化（部分企业在光伏用干泵实现了国产突破，半导体用干泵还在工艺验证或小批量出货阶段）。但由于我国相关产业起步较晚，产业基础相对薄弱，较之国外行业领先厂商，国内企业在产品性能、产品种类、研发投入、业务规模、技术积累等多方面仍存在一定差距。
国内干泵市场的主要参与者包括：
1）英国Edwards公司
成立于1919年，为工业、科研、半导体、太阳能、平板显示、生物燃料等行业的下游客户提供真空设备和相关技术解决方案。Edwards于2021年被瑞典Atlas（阿特拉斯）公司收购。Edwards作为真空领域绝对的领先者，产品系列最全，各种结构的真空泵均有布局。根据相关数据推测，2022年Edwards收入规模大概在15亿美元左右。
2）日本Ebara公司（株式会社荏原制作所）
成立于1912年，主要从事社会基础设施和工业用机械设备的研发与制造，主营业务包括风水力机械事业、环境事业和精密电子事业。 CMP设备和干式真空泵产品市场份额全球第二。Ebara的干泵以罗茨泵为主。根据相关数据推测，2023年Ebara公司干式真空泵业务收入规模大概在7亿美元左右。
3）日本Kashiyama公司（尖山工业株式会社）
成立于1951年，业务主要分为两个板块：1）为半导体制造商制造满足其绝对清洁要求且适应各应用场景的真空设备；2）为滑雪场运营商提供设备和管理咨询。Kashiyama的干泵以罗茨泵和螺杆泵为主。
4）中科仪（中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司，830852.OC）
起源于上世纪50年代设立的中国科学院下属专门从事真空科研仪器研发制造的事业单位，1984年设立中国科学院沈阳科学仪器厂；2001年完成改制，成立“沈阳中科仪技术发展有限公司”；2011年完成股改。中科仪主要从事干式真空泵、真空仪器设备的研发、生产和销售，并提供相关技术服务。截至目前，中科仪是国内唯一一家能够研制生产满足集成电路制造需求的干式真空泵制造企业，公司干泵产品已在中芯国际、长江存储、上海华力、北方华创等集成电路制造企业及集成电路装备制造企业通过工艺验证并批量应用，打破了欧美及日本企业对同类产品的长期垄断，实现了集成电路领域重要设备的自主可控。2024年中科仪实现销售收入4.71亿元，其中干式真空泵业务收入3.58亿元。
5）汉钟精机（上海汉钟精机股份有限公司，002158.SZ）
最早成立于1994年（台湾汉中），公司的干泵产品可应用于光伏、半导体、锂电、医药化工等行业，目前以光伏领域为主。在半导体领域，公司干泵产品仍处于起步阶段，目前出货量较少。汉钟精机持续配合诸多半导体国产设备厂商进行新工艺的测试验证，已与多家头部设备厂商展开配套合作，为后续放量打下基础。
6）通嘉宏瑞（北京通嘉宏瑞科技有限公司）
最早成立于2012年，公司主导产品是国际主流全系列干式真空泵以及核心精密零部件（以及维修业务），广泛应用于半导体、显示面板、太阳能光伏、LED照明、锂电等行业的集成电路及刻蚀、真空薄膜等设备。作为中芯国际、华虹宏力、长江存储、长鑫存储、京东方、华星光电、维信诺、晶澳等行业头部企业的战略合作伙伴，产品可靠性、服务响应速度、技术协调能力，受到客户赞誉。
三
永鑫方舟观点
基于其独特的设计和出色的性能，干式真空泵成为半导体产业各关键工艺环节中不可或缺的核心设备和零部件。受益于下游需求的持续增长和政策鼓励，国内干泵市场迎来快速发展的机遇期。目前虽然已经有部分国内企业在半导体用干泵领域，取得一定突破，但在产品种类、性能、可靠性、稳定性等方面，与国外竞争对手相比，仍存在一定的差距。总体来说，目前干式真空泵的国产化率还很低，有很大的发展空间。未来，随着半导体核心零部件国产化进程的深入，以及国内厂商的持续研发投入和经验积累，我们相信国内半导体用真空泵行业将会取得重大的突破和发展，为解决半导体行业的“卡脖子”问题贡献力量。
参考资料：
1、《集成电路产业全书》；
2、汉钟精机（002158.SZ）相关公告及年报；
3、中科仪（830852.OC）相关公告及年报；
4、北方华创、中微公司2024年年度报告。
