半导体真空泵Vacuum Pump及市场介绍 |大色谜学习笔记

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在半导体工艺制程中，真空设备通过抽取工艺腔内的气体，去除污染物颗粒与水分，营造洁净的真空环境。其工作原理类似于真空吸尘器，依靠高速运转形成负压空间。

核心作用：减少悬浮颗粒和残余气体，避免工艺污染、控制反应过程、提升制程精度。

关键组合：真空设备需与废气处理装置（Local Scrubber）配套使用。干式真空泵制造负压将反应气体经管路泵送至尾气处理系统，净化达标后方可排放。

图片来源：盛剑科技

真空泵广泛应用于泛半导体领域，包括集成电路、光伏、LED、平板显示及锂电池等。2019年，该领域占比达46%。据九派资本测算，2022年中国半导体与光伏领域真空泵市场规模为56.9亿元。

根据ISVT数据，2019年全球真空设备市场规模约350亿元，其中半导体用设备占135亿元，占比38%，为最大应用领域。

真空泵贯穿半导体生产全流程，涵盖单晶炉、光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机及封装模塑设备等关键环节。

真空度划分：低真空（10⁵–10² Pa）、中真空（10²–10⁻¹ Pa）、高真空（10⁻¹–10⁻⁵ Pa）、超高真空（＜10⁻⁵ Pa）。

依据国际真空技术统计工作组（ISVT），真空行业分为八大类：

• 粗真空
• 工艺真空
• 工业真空
• 半导体工艺真空
• 半导体外薄膜沉积
• 太阳能（光伏）
• 仪器制造
• 科学研究

半导体用真空泵主要分为三类：干式真空泵、分子泵、低温泵，广泛用于集成电路、光伏、平板显示及LED等高精度制造场景。

当前制程中主要采用：干式真空泵、分子泵、低温泵。其中，干式真空泵以多级罗茨泵和多级爪式泵为主流，具备低能耗、高性能、耐腐蚀等优势。

图源：ISVT, 广发证券

干式真空泵在泵腔内不使用润滑油，避免油雾反向迁移导致晶圆污染，适用于CVD、PVD等对洁净度要求高的工艺。

优势显著：无油污染、宽抽速范围、耐腐蚀、低能耗，已占据半导体市场60%-70%份额。

主要类型：

• 爪式真空泵
• 涡旋式真空泵
• 罗茨式真空泵
• 螺杆式真空泵

图源：Atlas Copco 干式爪真空泵

两大核心应用场景：

1. 进出样品腔（Load-Lock腔）抽真空
2. 工艺处理腔抽真空

L/L腔抽真空

• 挑战：高频大气冲击、节能降耗、空间限制
• 方案：
  • 多级罗茨泵：体积小、成本低、高效节电，适配中小型腔体
  • 罗茨+螺杆泵机组：兼顾抽速与能效，适用于大型腔体

工艺处理腔抽真空

• 要求：耐腐蚀、抗粉尘、热稳定性高
• 预抽阶段（大气→低真空）：
  • 需求大抽速，优先节能
  • 推荐变频泵或多级结构，螺杆泵或罗茨+螺杆机组效率更高
• 工艺阶段（刻蚀/CVD等）：
  • 应对腐蚀性气体与粉尘沉积
  • 爪式干泵因耐腐蚀、抗粉尘能力强成为主流
  • 部分场景采用罗茨+爪式或罗茨+多级罗茨组合

分子泵通过高速旋转叶片（转速可达数万rpm）定向压缩排出气体分子，实现高真空环境。

主要类型：

• 涡轮分子泵（工业主流）
• 磁悬浮分子泵（半导体、光伏、面板领域占比更高）

约占半导体真空泵市场20%-30%，适用于高真空（10⁻³–10⁻¹⁰ Pa）场景，如：

• 光刻机（EUV依赖超高真空）
• 离子注入机
• 高精度镀膜设备

通过超低温表面凝结与吸附气体实现抽气，可达到10⁻¹⁰ Pa级超高真空，但需定期再生，市场份额约10%。

核心结构：

1. 压缩机装置：提供氦气循环制冷
2. 两级冷头：
   • 一级（50–80K）：冷却挡板，冷凝水蒸气等
   • 二级（~10K）：涂覆活性炭，吸附氢气等非冷凝气体

应用场景：

• 极紫外光刻（EUV）
• 超高真空镀膜
• 先进封装工艺

目前半导体推广的干泵主要包括：多级罗茨泵、爪式泵、螺杆泵。真空泵广泛应用于单晶拉晶、刻蚀、薄膜沉积、离子注入等核心工艺。

图源：九派资本

工艺流程：单晶硅生长（单晶炉）→硅片精加工（研磨）

核心挑战：

• 处理超细硅粉及氩气
• 要求长期稳定运行，降低维护成本（单晶棒价值高，停机损失大）

解决方案：螺杆泵 + 罗茨泵组合为主流

• 螺杆泵：高效抽取粗真空段，处理大流量硅粉
• 罗茨泵：提升中高真空段抽速，保障工艺稳定性

工况特点：

• 粉尘为主要挑战
• 工艺气体相对单一，反应强度低于CVD

应用方案：

• L/L腔抽真空：多级罗茨泵为主，兼顾节能与空间效率
• 工艺腔抽真空：
  • 主流方案：罗茨 + 多级爪式干泵（耐粉尘、耐腐蚀）
  • 趋势：向多级罗茨泵转型（结构简单、维护成本低）
  • 特殊场景：
    • 螺杆泵：粗低真空段抽气效率高，适合大腔体预抽
    • 罗茨+螺杆泵机组：兼顾抽速与真空度

全球前五大厂商（Edwards、Ebara、Pfeiffer、Kashiyama、中科仪）合计占据78%市场份额，中科仪是唯一进入前五的中国企业。

图源：ISVT, 广发证券

瑞典阿特拉斯·科普柯集团子公司，成立于1873年，总部位于斯德哥尔摩。

核心技术：螺杆式干泵专利技术

性能指标：MTBF＞50,000小时，极限真空度达5×10⁻⁴ mbar

应用领域：EUV光刻机配套（市占率超80%）、3nm先进制程

代表产品：

• iH系列：多级爪式+罗茨结构，适配刻蚀/CVD工艺
• GXS系列：智能变螺距螺杆泵，专用于硅片制造

图源：Atlas Copco 智能干式螺杆真空泵

技术特色：低颗粒物生成腔体设计

关键突破：Y₂O₃等离子喷涂耐腐蚀技术

市场表现：在刻蚀设备领域市占率超45%

技术壁垒：μ级流量控制系统

典型应用：7nm以下制程检测设备、EUV光学系统

产品特点：模块化设计，体积较竞品小30%

创新方案：Cobra系列智能泵组

成本优势：TCO较同行低15%-20%

市场数据：光伏镀膜设备市占率超60%

2023年产能超1万台，产品覆盖12英寸晶圆厂，技术对标Edwards螺杆式干泵。涂层寿命与可靠性（不足国际水平80%）仍需提升。

主攻中端市场，产品通过部分晶圆厂验证，但尚未在中芯国际测试中取得实质性进展，技术成熟度有待提高。

好凯德：专注干式螺杆泵，核心部件依赖进口（如轴承），性价比突出，半导体渗透率较低；螺杆泵国产化率突破70%。

宁波鲍斯：聚焦工业级干泵，价格为进口30%-50%，但半导体适配性不足。

德耐尔：锂电干燥领域市占率达25%。

东莞普诺克（PNK DSP系列）：螺杆泵，抽速600 m³/h，极限真空1 Pa，主打工业级市场，价格为进口30%。

浚和仪器（KASHIYAMA代理）：NeoDry系列多级罗茨泵，技术源自日本，适用于半导体与液晶制造，维护成本低。