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　　隨著拜登政府延續(xù)并擴(kuò)大了中美貿(mào)易摩擦以來的半導(dǎo)體政策，導(dǎo)致潛在的設(shè)備供應(yīng)壓力和風(fēng)險逐步加大，加上在國內(nèi)晶圓廠產(chǎn)能不斷擴(kuò)張的同時，也在持續(xù)導(dǎo)入國產(chǎn)設(shè)備，扶持本土戰(zhàn)略供應(yīng)商，這些使得國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備進(jìn)入到一個難得的發(fā)展大周期，國產(chǎn)化率的提升，為了工控自動化行業(yè)提供了一條潛力無窮的優(yōu)質(zhì)賽道。

　  今年7月30日，在對中國企業(yè)進(jìn)行制造10納米及以下芯片設(shè)備禁運(yùn)的基礎(chǔ)上， 美國限制出口的范圍擴(kuò)大到制造14納米及以下芯片的設(shè)備;

　　8月9日，美國總統(tǒng)簽署《2022芯片與科技法案》， 向半導(dǎo)體行業(yè)提供約527億美元的資金支持，為企業(yè)提供價值240億美元的投資稅抵免，鼓勵企業(yè)在美國研發(fā)和制造芯片， 并限制美國企業(yè)支持中國等國家的半導(dǎo)體研發(fā)和生產(chǎn);

　　8 月12 日，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局(BIS)發(fā)布公告， 將四項“ 新興和基礎(chǔ)技術(shù)” 納入新的出口管制， 其中有半導(dǎo)體材料氧化鎵和金剛石，及專門用于3納米及以下芯片設(shè)計的EDA/ECAD軟件等;

　　8月下旬，據(jù)臺媒報道，美國近期發(fā)起芯片四方聯(lián)盟( Chip 4)，意欲與中國臺灣、日本與韓國共同推動半導(dǎo)體出口、技術(shù)外流等管制，形成反對中國大陸的聯(lián)盟......

　　面對日益緊迫的國際政經(jīng)環(huán)境，中國政府要實(shí)現(xiàn)中高端芯片完全國產(chǎn)化的決心更加堅定， 中國本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在困難與機(jī)遇中繼續(xù)前行，并已勢不可擋。

　　半導(dǎo)體設(shè)備開發(fā)難在哪里

　　俗話說：巧婦難為無米之炊，要燒出一鍋好菜，好的廚具和食材缺一不可。半導(dǎo)體制造設(shè)備和材料在產(chǎn)業(yè)鏈中就相當(dāng)于“ 廚具” 和“ 食材” 的角色， 特別是從目前情況來看， 美國主要是通過卡設(shè)備、原材料的進(jìn)口進(jìn)行降維打擊， 使設(shè)備和原材料成為制約國內(nèi)半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝發(fā)展的“瓶頸”。　　

圖 1 主要零部件產(chǎn)品及其主要服務(wù)的半導(dǎo)體設(shè)備

　　(來源：網(wǎng)絡(luò)信息整理)

        眾所周知，半導(dǎo)體設(shè)備、材料的投資開發(fā)周期長， 投入資本大， 更關(guān)鍵的是涉及到基礎(chǔ)學(xué)科的培養(yǎng)， 平心而論， 現(xiàn)階段的中國半導(dǎo)體裝備行業(yè)要想從無到有， 從有發(fā)展到世界領(lǐng)先水平，確實(shí)還有很長的一段路要走。

　　在制造業(yè)中，每一臺設(shè)備都是由大大小小不同類型的零部件所組成， 半導(dǎo)體屬于微精密機(jī)械加工領(lǐng)域， 其中涉及到的各種零部件都是世界尖端高精密級別。有專業(yè)人士統(tǒng)計過， 目前在半導(dǎo)體設(shè)備制造過程中， 中國在很多零部件細(xì)分領(lǐng)域尚無法實(shí)現(xiàn)自給自足， 例如： 密封圈、微型氣缸、電工開關(guān)、閥門、質(zhì)量流量計氣體檢測儀器等， 仍以日本、歐美品牌為主; 還有光纖傳感器、微型步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等零部件方面， 國產(chǎn)品的使用率仍然很低。對于現(xiàn)階段中國半導(dǎo)體設(shè)備的開發(fā)而言， 主要的難題之一在于高精密產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的不齊全， 究其緣由，里面既有技術(shù)因素，也有經(jīng)濟(jì)因素。

　　中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展正經(jīng)歷一個大周期、持續(xù)追趕的過程， 對于資本的要求也會越來越高。只有首先把微小精密加工零配件產(chǎn)業(yè)鏈做起來， 加上在半導(dǎo)體主設(shè)備里的傳輸系統(tǒng)、凈化真空系統(tǒng)、主體工藝系統(tǒng)、循環(huán)排放系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更高水平的自動化、智能化， 協(xié)助將晶圓制造的良品率達(dá)到更高的等級， 這樣才有可能真正做到中國半導(dǎo)體制造全流程的自主可控。

　　為此，2006年，中國政府出臺了“十六個重大科技專項”，其中，《極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝》項目排在第二位，因此也被簡稱為“0 2 專項”。同時，國家大基金一期投資約1400億元(2014- 2019)、國家大基金二期投資約2000億元(2017-2019)，從集成電路芯片制造業(yè)、芯片設(shè)計、封裝測試設(shè)備和材料等產(chǎn)業(yè)( 一期側(cè)重點(diǎn))， 以及應(yīng)用端， 例如下游的5G、AI、Io T等技術(shù)引領(lǐng)的集成電路應(yīng)用產(chǎn)業(yè)( 二期側(cè)重點(diǎn)) 等重點(diǎn)面向， 全力推進(jìn)中國本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。

　　國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備：由0至1的跨越

　　根據(jù)國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021 年半導(dǎo)體設(shè)備銷售額 1026 億美元，同比激增 44% ( 見圖2)， 全年銷售額創(chuàng)歷史新高。中國大陸設(shè)備市場在 2013 年之前占全球比重為 10 %以內(nèi)， 2014~ 2017年提升至 10~ 20%，2018年之后保持在20% 以上，份額呈逐年上行趨勢。2020~2021年，國內(nèi)晶圓廠投建、半導(dǎo)體行業(yè)加大投入， 大陸半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模首次在市場全球排首位，2021達(dá)到 296.2億美元，同比增長 58%，占比達(dá)28.9%(見圖3)。

圖 2 全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額及增速

　　(資料來源：SEMI)

圖 3 中國半導(dǎo)體市場規(guī)模及在全球市場占比

　　(資料來源：SEMI)

圖 4 晶圓廠半導(dǎo)體制造流程及相關(guān)設(shè)備圖

　　(資料來源：《半導(dǎo)體制造技術(shù)》)

　　從國家02專項、以及國家集成電路產(chǎn)業(yè)基金一期、二期的進(jìn)展情況來看， 當(dāng)前， 中芯國際、長鑫存儲、華虹集團(tuán)、長江存儲等國內(nèi)主流晶圓廠已成為擴(kuò)產(chǎn)的主力軍， 多個新廠區(qū)項目將繼續(xù)拉動本土半導(dǎo)體設(shè)備的市場需求。

　　在半導(dǎo)體制造的各個工藝環(huán)節(jié)上，薄膜沉積、光刻、刻蝕是總價值最高的三大半導(dǎo)體設(shè)備(見圖4)，其中， 光刻和薄膜沉積是目前國產(chǎn)化率較低的設(shè)備種類。另外， 涂膠顯影、離子注入、過程控制也是國產(chǎn)化率比較低的設(shè)備類型;而刻蝕、氧化擴(kuò)散/熱處理、清洗、去膠、化學(xué)機(jī)械拋光則是國產(chǎn)設(shè)備發(fā)展得較好的領(lǐng)域( 國產(chǎn)化率均可達(dá)到20%以上)。經(jīng)過近幾年的市場培育， 以北方華創(chuàng)、中微公司、盛美上海、拓荊科技、中科飛測、屹唐股份等為代表的一批優(yōu)秀的本土半導(dǎo)體設(shè)備廠商不斷涌現(xiàn)，加速國產(chǎn)化替代的進(jìn)程。

　　另一方面，根據(jù)02專項當(dāng)年的規(guī)劃，目標(biāo)是“形成65 -45 nm裝備、材料、工藝配套能力及集成電路制造產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)行45- 22nm關(guān)鍵制造裝備攻關(guān)， 同時開展22- 14nm前瞻性研究等等”;對照這一目標(biāo)，目前在45-22nm工藝，除了光刻機(jī)之外，已基本上實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)替代，也有消息稱，上海微電子的28nm光刻機(jī)預(yù)計將在明年完成交付， 可見整個國產(chǎn)替代的節(jié)奏正在加快， 對于整體產(chǎn)業(yè)鏈來說， 半導(dǎo)體設(shè)備市場的產(chǎn)能擴(kuò)展疊加國產(chǎn)替代的大趨勢， 為各個相關(guān)產(chǎn)品線行業(yè)提供了一個良好的發(fā)展機(jī)遇。

　　直驅(qū)技術(shù)：超精密對準(zhǔn)與定位功能

　　大致上，半導(dǎo)體制造工業(yè)流程可分為三大板塊，

　　即： 硅片生長、晶圓制造和封裝測試， 硅片生長是將硅材料加工成硅片的過程， 這個過程中， 從拉單晶、到晶棒加工、切片、研磨、倒角， 再到拋光。半導(dǎo)體制造的前道工藝主要指的是晶圓制造廠的加工過程， 在空白的硅片完成電路的加工，出廠產(chǎn)品依然是完整的圓形硅片。在晶圓制造過程中， 通過熱處理、薄膜沉積、涂光刻膠、曝光、顯影、刻蝕等一系列步驟的循環(huán)往復(fù)， 形成有電路結(jié)構(gòu)的硅片。而半導(dǎo)體制造的后道工藝則指的是封測環(huán)節(jié)， 即封裝和測試過程， 在封測廠中將圓形的硅片切割成單獨(dú)的芯片顆粒， 完成外殼的封裝， 最后通過終端測試，出廠即為半導(dǎo)體芯片成品。

　　目前，半導(dǎo)體封測是工控自動化廠商開發(fā)的熱點(diǎn)市場之一， 以直驅(qū)技術(shù)領(lǐng)域為例， 超精密直線電機(jī)運(yùn)動平臺憑借優(yōu)異的對準(zhǔn)、定位性能， 在晶圓切割、晶圓檢測和成品測試探針臺等相關(guān)設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。

　　深圳市克洛諾斯科技有限公司以納米級、微米級直線電機(jī)運(yùn)動平臺的研發(fā)、生產(chǎn)為主， 其推出的納米級精密平臺由壓力- 真空空氣軸承和超高精密編碼器設(shè)計，最大可對應(yīng)300mm晶圓，編碼器位置靠近基板表面，減少已經(jīng)最小的偏移影響， 移動模塊和十字導(dǎo)軌采用陶瓷

　　(Al203)設(shè)計，比花崗巖或金屬設(shè)計剛性好，重量輕， 熱膨脹系數(shù)低， 以及應(yīng)用激光干涉儀反饋系統(tǒng); 下軸由2個水冷式無鐵芯直線電機(jī)組成， 靠近系統(tǒng)的重心， 采用龍門方式控制， 上軸由單個水冷式無鐵芯直線電機(jī)組成， 可以是集成的T平臺或Z T平臺或Z T4D平臺， 即4個自由度模塊用于對準(zhǔn)， 該納米級精密平臺可應(yīng)用于晶圓檢測、晶圓切割等典型的半導(dǎo)體制造場景。另外， 克洛諾斯自主研發(fā)的超精密納米級氣浮平臺是定位晶圓或芯片的核心部件，重復(fù)定位精度可達(dá)到±35 納米，適應(yīng)用于晶圓切割、晶圓檢測、晶圓封裝等工藝環(huán)節(jié)。

　　為了滿足晶圓切片應(yīng)用中準(zhǔn)確定位切口、減少材料損耗、盡可能減小元件變形、同時又必須達(dá)到最大加工速度等要求，PI(Physik Instrumente)普愛納米位移技術(shù)(上海)有限公司開發(fā)的運(yùn)動解決方案在Z軸采用高動態(tài)激光聚焦控制( P- 725 PIFOC物鏡掃描儀)， 可實(shí)現(xiàn)高達(dá)800微米的行程，與晶圓厚度相匹配，以及亞納米級分辨率的精密定位功能; θ X/ θ Y/ Z軸采用高精度晶圓對準(zhǔn)和定位( A- 523 Z向偏擺臺)，以并聯(lián)運(yùn)動設(shè)計， 可實(shí)現(xiàn)三個維度的晶圓調(diào)整和偏移校正， 帶空氣軸承的直接驅(qū)動線性電機(jī)可實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)平， 具有最小滯后的無摩擦設(shè)計， 提供了納米級的高重復(fù)精度和可調(diào)整性; XY軸則運(yùn)用高動態(tài)晶圓掃描運(yùn)動( A- 311空氣軸承平面掃描儀)， 配以先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)， 令到半導(dǎo)體晶圓切割的良率更高， 可實(shí)現(xiàn)無污染加工， 形成狹窄的通道寬度， 不會損壞前后表面， 且具備高性能處理能力，完全沿預(yù)定義的切割線高動態(tài)形成均勻的層調(diào)制。

　　驅(qū)控技術(shù)：高精度、高速度、高性能

　　在封裝測試環(huán)節(jié)，基于芯片封裝技術(shù)微型化和集成化的快速發(fā)展， 劃片機(jī)、固晶機(jī)、分選機(jī)， 作為芯片封裝測試過程中的三大關(guān)鍵設(shè)備， 對企業(yè)管控芯片的生產(chǎn)效率和良品率具有重要的作用， 并且朝著高精度、高速度、高性能的方向邁進(jìn)。

　　例如在半導(dǎo)體制作工序持續(xù)微縮的過程中，晶圓切割的精準(zhǔn)度尤為關(guān)鍵， 在晶圓的激光切割技術(shù)上， 目前面臨的挑戰(zhàn)包括： 精準(zhǔn)度不佳、運(yùn)動軌跡在高精度不易達(dá)到、激光功率不易調(diào)整、速度規(guī)劃曠日費(fèi)時等。

　　針對上述激光切割技術(shù)難題，高創(chuàng)傳動科技開發(fā)(深圳)有限公司提出了sof tMC 301 控制器作為晶圓切割運(yùn)動控制理想解決方案，sof tMC 301 支持兩種開放、整合的開發(fā)環(huán)境：Codesys或ControlStudio，用戶可通過程序輔助， 提升性能并簡化操作。該控制器內(nèi)置高實(shí)時Linux操作系統(tǒng)，支持EtherCAT或CANOpen 現(xiàn)場總線，可控制最多6個軸，能夠在切割過程中維持馬達(dá)的穩(wěn)定， 解決以往激光切割機(jī)臺過切、抖動和速度規(guī)劃不易等問題。

　　另外，芯片拾取與貼裝是高密度、超薄芯片封裝技術(shù)的兩項關(guān)鍵工藝， 芯片拾取與貼裝的效率和可靠性直接影響著電子封裝的進(jìn)程、生產(chǎn)率和成本。選擇高精度的運(yùn)動控制伺服方案驅(qū)動部件能以精確的力度拾取芯片， 并安全、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)移到基板上， 這是提升超薄芯片封裝效率的一大關(guān)鍵。

　　目前高創(chuàng)根據(jù)客戶的應(yīng)用需求，可為客戶量身定制運(yùn)動控制綜合解決方案包括：劃片機(jī)CDHD2伺服方案、分選機(jī)BDHDE伺服方案、固晶機(jī)CDHD伺服方案等多個定制化技術(shù)方案。

　　在半導(dǎo)體芯片后道工序中，劃片機(jī)以強(qiáng)力磨削為劃切機(jī)理， 空氣靜壓電主軸為執(zhí)行元件， 以每分鐘3萬到6萬的轉(zhuǎn)速劃切晶圓， 同時承載著晶圓的工作臺以一定的速度沿刀片與晶圓接觸點(diǎn)的劃切線方向做直線運(yùn)動， 將每一個具有獨(dú)立電氣的芯片分割出來。基于劃切工藝的復(fù)雜性，客戶對劃片機(jī)各軸的劃切運(yùn)動控制性能提出更高的要求，為此，高創(chuàng)提供的伺服方案——X軸應(yīng)用CDHD驅(qū)動器+ PH2電機(jī)，Y 軸應(yīng)用CDHD2驅(qū)動器+ PH 2 電機(jī)， 旋轉(zhuǎn)軸采用CDHD驅(qū)動器+DDR馬達(dá)，三軸聯(lián)動使劃片機(jī)實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的劃切和清洗運(yùn)動。分選是芯片封裝過程中的一個重要步驟，而分選機(jī)則是用于芯片測試接觸、揀選和傳送的設(shè)備，能夠輔助提高芯片分選的效率和質(zhì)量。在芯片設(shè)計日益復(fù)雜化、精細(xì)化、多樣化的趨勢下， 其對驅(qū)控產(chǎn)品的精度、速度、穩(wěn)定性要求也越來越高，高創(chuàng)BDHDE驅(qū)動器+CDHD驅(qū)動器+PRHD2 電機(jī)組成的伺服方案，可助力提升分選機(jī)送料、夾料、落料、傳送、揀選的速度， 提高芯片智能檢測、智能分選的效率、精度與質(zhì)量。

　　結(jié)語

　　面對全球經(jīng)濟(jì)下行周期，消費(fèi)類電子市場需求嚴(yán)重萎縮， 企業(yè)庫存處在歷史較高水平， 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入到調(diào)整期; 而另一方面， 在諸多外部因素的刺激下， 中國大陸仍將是未來全球芯片制造擴(kuò)產(chǎn)的重點(diǎn)區(qū)域， 據(jù)不完全統(tǒng)計， 僅華虹集團(tuán)、中芯國際、長江存儲、合肥長鑫四家晶圓廠的未來合計擴(kuò)產(chǎn)產(chǎn)能就將超過100萬片/月。在中國半導(dǎo)體開啟新的征程之際， 半導(dǎo)體設(shè)備的本地化供應(yīng)鏈建設(shè)迫在眉睫， 中國半導(dǎo)體制造設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程， 無論是對于國際品牌、還是本土品牌供應(yīng)商來說， 都是一片廣闊的開發(fā)天地。除了現(xiàn)階段較多工控自動化廠商已經(jīng)涉及到的芯片后道封裝測試領(lǐng)域之外， 還有更多價值較高的半導(dǎo)體工藝環(huán)節(jié)值得期待， 工控廠商應(yīng)與設(shè)備原廠攜手合作， 發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)， 為中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁向高端制造貢獻(xiàn)行業(yè)力量。