砥礪前行， 工控自動化助推中國半導體制造崛起
2023年，世界風云變幻，中國半導體產業(yè)走到了又一個 十字路口。
7月23日，日本開始正式實施半導體制造設備出口管制 措施，要求除美國和韓國等42個“友好國家及地區(qū)”外，六 大類23個品類高性能半導體制造設備向中國等國出口時每次 都需要獲得日本經濟產業(yè)大臣許可。其中包括——光刻/曝光 (4項)：先進制程的光刻機/涂膠顯影機/掩膜及制造設備; 刻蝕(3項)：包含濕法/干法/各向異性的高端刻蝕;薄膜 (11項)：包含金屬膜/硅&碳膜/硬掩模的高端薄膜設備; 熱處理(1項)：不超過0.01帕斯卡的真空熱處理高端設備; 清洗(3項)： 銅氧化膜、干燥法去除表面氧化物、晶圓表面 改性后單片清洗;測試(1項)：極紫外掩模檢測。
與此同時，從9月起，荷蘭將擴大半導體設備的出口限 制，要求相關企業(yè)在出口先進產品前必須獲得許可證。雖然 荷蘭政府并未點名，但輿論焦點立即鎖定荷蘭光刻機生產 企業(yè)阿斯麥(ASML)。阿斯麥是全球芯片光刻技術的佼佼者，所生產的深紫外浸潤式光刻機(DUV)和極紫外光刻機 (EUV)是制造高端芯片必不可少的設備。
針對中國半導體產業(yè)的包圍圈在進一步縮小，美國、日 本、荷蘭等主要半導體制造國的出口管制對于中國半導體、 乃至整體電子裝備產業(yè)的向前發(fā)展帶來了嚴重的沖擊。根據 相關統計資料顯示，按金額計算，到2022年，日本約占中國 半導體制造設備進口金額的三分之一左右(見圖1)，其后依 次為美國約占15%，韓國約占13%，新加坡約占12%，全球 半導體產業(yè)供應鏈的振蕩，使得中國本土設備商不得不站在 了迎接這波巨浪的最前列，如圖1所示。
圖 1 中國大陸半導體設備進口國家和地區(qū)比例統計（數據來源：日經中文網）
國產化設備開發(fā)進展如何?
環(huán)顧當前全球半導體市場，可以說，整體仍處于弱行情 階段，原因有三： 一是經濟差，消費者更換電子產品的意愿 不強，新能源汽車電子雖然不錯，但體量太少;沒有新技術 革新，無法催生出新的需求，就算是今年最火的用于AI人工智能的半導體市場預計也要在今后的3-4年才能真正進入爆 發(fā)期;中美貿易戰(zhàn)導致下游廠商大量囤積芯片，使得庫存高 企，在經濟不好的情況下消耗庫存的周期加長。市場下行， 同時又疊加全球經濟放緩及地緣政治等宏觀背景——中國本 土半導體設備企業(yè)面臨著極大的生存挑戰(zhàn)。
但另一方面，中國是世界第一大半導體消費市場，巨 大的應用潛力，無疑能夠為本土設備廠商的向上發(fā)展“托 底”。從采購金額來看，在2020至2023年間中國晶圓廠設 備需求強勁，整體采購額大幅增長。根據芯謀研究的調研數 據顯示，2020年中國晶圓廠設備采購額為154.1億美元，到 2023年這一數字將達到299億美元，較2020年上漲94%。 中國晶圓廠顯著加大采購數量，帶動整個中國設備市場強勁 增長，但限于設備制造周期，設備產能增幅仍將呈平穩(wěn)釋放 之勢。
而從市場份額來看，對比2020與2023年，在市場規(guī)模 大幅擴大的基礎上，各主要生產國的市場占比情況整體基本 不變，2023年，美國、日本和荷蘭三家在中國設備采購市場 的占比仍然超過80%，國際企業(yè)絕對主導中國設備市場的格 局依然沒有改變。
毋庸置疑的是，近幾年，以北方華創(chuàng)為代表的一批本土 半導體設備廠商在刻蝕、CMP化學機械拋光、薄膜沉積等 關鍵設備領域取得了不小的突破，并獲得了國內晶圓廠的認 可;但實事求是地講，要真正撬動國外大廠的壟斷地位還為 時尚早，未來將進入追趕領先技術的攻堅階段，難度會成倍 加大。
在各個細分“賽道”上，國產化發(fā)展最迅速的是后道的 封裝測試設備領域(見圖3)，中國大陸供應商JCET(長電科 技)、TFME(通富微電子)、華天科技已躋身全球前十大封 測廠商名單，近幾年跟隨半導體國產化政策，這些OSAT半導 體封裝和測試工廠持續(xù)擴張，帶動上下游產業(yè)鏈取得了長足 的進步。
半導體設備的發(fā)展離不開上下游產業(yè)協同，需要與芯片 制造企業(yè)、核心零部件/材料供應商等多方緊密合作，堅定 信心，專業(yè)務實，以市場為主導，才能早日實現自主可控。 此外，隨著近期日本DISCO、美國泛林集團和應用材料等公 司陸續(xù)加大了在印度市場上的布局，產能擴張之勢已箭在弦 上，而在這一產業(yè)供應鏈動蕩之際，也為中國本土半導體設 備廠商提供了一個良好的發(fā)展機遇，如圖2所示。
圖 2 2021-2024 年全球半導體設備細分應用市場規(guī)模統計及預測 （資料來源：SEMI，單位：十億美元）
工控技術為半導體設備賦能
目前，大部分工控廠商在半導體設備領域參與較多的 主要集中在后道工藝環(huán)節(jié)，并且有一些廠商也正在由后道 工序不斷向前道工序滲透，為本土半導體專業(yè)設備的創(chuàng)新 研發(fā)賦能。
例如，劃片機也被稱為晶圓切割機(Wafer Dicing Machine) ，它采用刀片或激光等方式進行高精度切割，將 含有很多芯片的晶圓分割成晶片顆粒。由于晶圓被切割后的 若干晶粒，間隔極小且極其脆弱，因此該工藝對設備的精度要求相當高，劃片時需要控制劃片刀的速度及轉速，降低劃 片過程振動的頻率，減少劃片時崩碎現象的出現，劃片機也 是半導體后道封測中的關鍵設備之一。
圖 3 各國半導體出口管制對中國半導體制造的影響 （資料來源：微信公眾號 - 材料深一度）
固晶機屬于后道封裝設備，固晶環(huán)節(jié)就是把Wafer上的 晶粒吸出來，逐一粘貼在引線框架或基板上，固晶質量會影 響后續(xù)的打線等環(huán)節(jié)，并直接關系到產能和芯片封測良率及 制造成本。IC半導體領域對于固晶機的精度、速度要求較高 (相較于LED領域)，當然，UPH產能越高，也越容易出現 精度偏差。 一般而言，大型GPU、CPU控制器芯片傾向采 用先進封裝，其它芯片如電源芯片等多采用傳統封裝形式， 傳統IC的封裝精度要求為±(20-50um);先進封裝精度的 要求為±(3-15)um, 晶圓級封裝則需要使用高精度固晶機 (±5um以內)。有的固晶設備上還需要配備固后AOI視覺 檢測系統來檢測每一塊固晶成品質量，此外，還要配置定期 校驗系統，以確保標準的精確和數據的一致性。
在晶圓加工完成之后、封裝測試環(huán)節(jié)中，主要是檢查 芯片的性能是否符合設計要求，屬于半導體后道的電性能檢 測，即FT(Final Test)測試， 一般要比前道的CP測試更為 嚴格，其中用到的專業(yè)設備包括轉塔式一貫機、分選機、測 試機、探針臺等。半導體分選機主要有重力式、平移式、轉 塔式三種類型，是提供芯片篩選、分類功能的后道測試設 備，負責將輸入的芯片按照系統設計的取放方式運輸到測試模塊完成電路壓測，在此步驟內分選機依據測試結果對電路 進行取舍和分類。分選機運作過程的快慢、篩選分類的精準 度直接影響到產品生產，因此分選機對零部件運轉速度、響 應性能方面有極高的要求。
在這些專業(yè)機型的開發(fā)上，伺服、運動控制系統和直線 電機等核心部件被大量應用。在劃片機上，采用EtherCAT總 線軸卡搭配高慣量的伺服電機，動作快速且不振蕩;微型直 線電機力量精準可控，降低觸發(fā)碰撞損壞的概率。
在固晶機中，采用XY直線運動平臺、旋轉擺臂軸以及核 心控制部件等，同時搭載機器視覺運動控制系統，與固晶機 的執(zhí)行機構、視覺采集硬件等部件同步協作，能實現高速高 精的控制，確保固晶工藝中的取晶、搬運、粘接、壓合、固 化等關鍵步驟都能達到高速度、高精度效果。
在轉塔式分選機部分，以DDR直驅電機為中心，運用高 性能的EtherCAT運動控制卡可實現多軸聯動控制，編碼器反 饋實時監(jiān)測機械臂的位置，確保運動軌跡的精度和穩(wěn)定性， 以精確控制機械臂的位置和速度，并進行高效的數據處理。 同時，借助伺服驅動系統的軟著陸力控功能，目的是為了在 執(zhí)行部件與加工零件接觸的過程中，實現精準力度可控，防 止出現器件損壞或者由于壓力產生的其他問題;搭配微型直 線電機及運動控制軸卡，達到力控精確、響應快速的目的， 進而改善IC分選機的檢測準確度。
封測環(huán)節(jié)用到的探針臺主要承擔輸送定位任務，使晶圓 依次與探針接觸完成測試，提供晶圓自動上下片、找中心、對準、定位及按照設計的步距移動晶圓，以使探針卡上的探 針能對準硅片相應位置進行測試。探針臺中的載物臺是定位 晶圓或芯片的部件設備，通常會根據晶圓的尺寸來設計大 小，并配套相應的精密移動定位功能，超精密氣浮平臺被大 量用于這一場景中。例如，克洛諾斯自主研發(fā)的納米級超精 密氣浮平臺，重復定位精度可達±50納米，依靠其精密的機 械運作性能，可在極短的曝光時間內精確定位，完成晶圓在 量測端極精密的檢測工作。
另外，晶圓搬運設備的需求也較為明顯。例如東莞市 智贏智能裝備有限公司推出的翻轉軸晶圓機器人采用伺服電 機中空軸結構作為翻轉軸，翻轉軸可根據要求調節(jié)速度，配 置絕對值編碼器，可實現真空吸附、夾持、伯努利形式的翻 轉，結構靈活，單臂、雙臂翻轉均可實現，適合晶圓制造的 工藝段有：晶圓的涂膠、貼膜、激光打標、清洗、研磨、去 膠、顯影、刻蝕等。
產業(yè)鏈上下游協同創(chuàng)新開發(fā)
最近傳來的一些好消息是，華為近日發(fā)布的Mate 60系 列新機火爆，從國內外機構對華為新手機的拆解來看，華為 Mate 60 Pro搭載了新型麒麟9000s芯片，并采用了先進的7 納米技術——這無疑為當下的中國半導體產業(yè)來說是一個莫 大的鼓勵。而在稍早前，有消息稱，上海微電子正在致力研 發(fā)28納米浸沒式光刻機。
盡管前路坎坷，但中國半導體產業(yè)已在奮起直追，半 導體裝備行業(yè)和核心零部件供應商在其中起到至關重要的作用。以目前最熱門的后道設備市場為例，根據 SEMI的調查數據顯示，2022 年全球半導體封裝測試設備市場規(guī)模約130 億美元，其中封裝&組裝設備約58億美元，后道測試設備約75億美元;2023 年，由于行業(yè)景氣度影 響，SEMI 預計整體后道半導體設備市場規(guī)模下滑至110 億美元，但預計2024 年將恢復增長至122億美元;在后道測試設備中，測試機、分選機、探針臺分別占比63%、17.4%、15.2%。隨著下游封測廠商資本支出的增速，預計數字SoC測試機、三溫(高溫、常溫、低溫)分選機等設備將快速放量。
從國際大廠的發(fā)展經驗來看，要想在全球半導體設備市場上占有一席之地，首先必須要有領先的技術，市場對半導體IC的需求正發(fā)生著日新月異的變化，企業(yè)需要緊跟這些需求變動提前研發(fā)新的技術作儲備;其次，產品要有較高的可靠性和穩(wěn)定性，新設備應在研發(fā)、生產、交付和維護的每個環(huán)節(jié)中都保證可靠性和穩(wěn)定性;第三，設備要有更高的性價比優(yōu)勢，集成電路芯片越來越復雜、價格越來越便宜，促使設備一定要做到成本低、產能大，才能更具有市場競爭力。就拿劃片機來說， 目前本土品牌(如：光力科技、和研科技等)采用“中國整合，全球并購”的策略，生產的劃片機精度、速度及穩(wěn)定性均已達到國際一線水平，但與世界領先品牌DISCO、東京精密等相比，在產品線的豐富性和全球市場占有率上還需要作進一步的提升，這些都需要設備商和核心零部件供應商等產業(yè)鏈上下游企業(yè)通力合作，實現協同創(chuàng)新開發(fā)。
