高端半導(dǎo)體設(shè)備市場蘊(yùn)藏機(jī)遇

　　半導(dǎo)體行業(yè)歷來遵循著“一代產(chǎn)品、一代工藝、一代設(shè) 備”的發(fā)展規(guī)律，晶圓制造作為產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)，需要超 前于下游應(yīng)用開發(fā)新一代工藝，而半導(dǎo)體設(shè)備的開發(fā)則更要 超前于晶圓制造工藝。在當(dāng)前以AI人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智能 駕駛等為代表的新興產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的形勢下，對(duì)于半導(dǎo)體芯 片的性能和效率提出了更高的要求，推動(dòng)著高端半導(dǎo)體設(shè)備 產(chǎn)業(yè)持續(xù)迭代創(chuàng)新，以滿足市場對(duì)于更高性能、更低功耗、 更小尺寸的集成電路器件的使用需求，同時(shí)，也產(chǎn)生出巨大的半導(dǎo)體設(shè)備市場空間。

　　根據(jù)SEMI國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測，2023年 全球半導(dǎo)體設(shè)備的銷售額達(dá) 1,063億美元，2024年預(yù)計(jì)增 長至1,090億美元，并持續(xù)保持增長態(tài)勢，2025年預(yù)計(jì)達(dá)到 1,280億美元的新高(見圖1) ， 由此可見，半導(dǎo)體設(shè)備市 場將從2023年的底部，在2024年迎來復(fù)蘇。

　　中國大陸作為全球最大的消費(fèi)電子市場，對(duì)半導(dǎo)體芯 片的需求量巨大，近年來，在復(fù)雜多變的國際形勢及國家 持續(xù)加大半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)政策扶持的背景下，中國大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在半導(dǎo)體技術(shù)迭代創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面 均形成良好效果，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備成熟度及市場認(rèn)可度也 在不斷提升。根據(jù)SEMI統(tǒng)計(jì)，2023年中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備 銷售額為366億美元，同比增長29%，連續(xù)第四年成為全球 最大的半導(dǎo)體設(shè)備市場。

　　在高端半導(dǎo)體設(shè)備市場，薄膜沉積設(shè)備、光刻設(shè)備、 刻蝕設(shè)備共同構(gòu)成了芯片制造的三大核心設(shè)備，它們決定 著芯片制造工藝的先進(jìn)程度。然而，在這一領(lǐng)域，目前國 產(chǎn)化自給率仍然較低，要想布局和進(jìn)軍高端半導(dǎo)體設(shè)備市 場，就必須要緊跟“后摩爾時(shí)代”芯片制程技術(shù)的最新發(fā)展。

　　例如，隨著芯片制程持續(xù)縮小并接近物理極限，通 過新的芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)和芯片堆疊的方式，來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的芯 片性能和復(fù)雜的芯片結(jié)構(gòu)，已成為先進(jìn)芯片制造的發(fā)展趨 勢，由此也帶來了對(duì)新設(shè)備的需求，即應(yīng)用于3D三維集成 領(lǐng)域的半導(dǎo)體設(shè)備。應(yīng)用于3D三維集成領(lǐng)域的設(shè)備是三維 集成芯片、Chiplet等芯片堆疊的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)也是先進(jìn) 邏輯和先進(jìn)存儲(chǔ)從 2D轉(zhuǎn)向3D芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)的技術(shù)支撐?；?合鍵合(Hybrid Bonding)設(shè)備作為晶圓級(jí)三維集成應(yīng)用 中最前沿的核心設(shè)備之一，可以提供鍵合面小于1μm的互 聯(lián)間距，以實(shí)現(xiàn)芯片或晶圓的堆疊，使芯片間的通信速度 提升至更高水平，從而提高芯片的系統(tǒng)性能。因此，以晶 圓級(jí)3D三維集成為代表的一些新技術(shù)趨勢和市場需求，為 半導(dǎo)體設(shè)備廠商的發(fā)展提供了巨大的成長機(jī)遇。

圖 1 全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額統(tǒng)計(jì)及預(yù)測（資料來源：SEMI，單位：億美元）

　　直驅(qū)方案在半導(dǎo)體制造中的典型應(yīng)用

　　目前，半導(dǎo)體設(shè)備的技術(shù)瓶頸主要表現(xiàn)在納米級(jí)精 度、動(dòng)態(tài)性、穩(wěn)定性和可靠性的提升等方面，這些直接影響到設(shè)備的性能、效率和良品率，而直驅(qū)電機(jī)成為了高端 半導(dǎo)體設(shè)備上直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置的必要選擇之一。

　　例如，在硅片制造工藝中，硅片倒角機(jī)需要對(duì)速度 (磨削線速度)與精度(磨削深度、硅片邊緣輪廓形狀) 進(jìn)行控制;硅片CMP拋光設(shè)備要求達(dá)到全局平整落差5nm 以內(nèi)的超高平面度，且實(shí)現(xiàn)極低速度波動(dòng)與高重復(fù)定位精 度控制;硅片外延設(shè)備要求能夠抗高頻、高壓、電磁輻射 等偶然性干擾，同時(shí)達(dá)到高位置精度控制。在這些典型應(yīng) 用場合中，使用無鐵芯力矩電機(jī)可滿足低速度波動(dòng)和剛性 要求，結(jié)合絕對(duì)值光柵編碼器等反饋裝置，從而進(jìn)一步提 高重復(fù)定位精度。

　　在IC制造前道工序中，直線電機(jī)光刻機(jī)工件臺(tái)是光刻機(jī) 的核心子系統(tǒng)之一;此外，機(jī)械手、量測設(shè)備等也用到高 功率密度無框力矩電機(jī)、(無鐵芯)直線電機(jī)等。

　　在IC封測后道工序，晶圓切割劃片、晶圓缺陷檢測、固 晶、焊線(電氣引線鍵合)等設(shè)備中，(無鐵芯)直線電 機(jī)/力矩電機(jī)、直線電機(jī)龍門雙驅(qū)平臺(tái)等也被大量采用。

　　蘇州直為精驅(qū)控制技術(shù)有限公司多年來深耕半導(dǎo)體設(shè) 備應(yīng)用領(lǐng)域，目前已擁有從產(chǎn)品、模組到集成在內(nèi)的較為 齊全的產(chǎn)品線，其中包括有鐵芯直線電機(jī)、無鐵芯直線電 機(jī)、PCB直線電機(jī)、桿式直線電機(jī)、軸向磁場DD馬達(dá)、 鋁線碳纖維直線電機(jī)、音圈直線電機(jī)等高功率密度直驅(qū)電 機(jī);疊加氣浮平臺(tái)、晶圓劃片平臺(tái)、升降臺(tái)、氣浮轉(zhuǎn)臺(tái); 顯示面板缺陷檢測平臺(tái)、LDI曝光平臺(tái)、IC載板氣浮曝光平 臺(tái)、晶圓檢測平臺(tái)、晶圓切割氣浮平臺(tái)等。

　　直為開發(fā)的氣浮直驅(qū)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以領(lǐng)先的軸向、徑向和 傾斜誤差運(yùn)動(dòng)性能、優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)性能和定位精度，為工業(yè) 自動(dòng)化領(lǐng)域提供了測量檢測、生物樣片加工及觀測、同步 加速研究、精密制造、光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)等需要角秒級(jí) 定位精度的工業(yè)領(lǐng)域和科研項(xiàng)目的全新解決方案。直為單 軸精密直線平臺(tái)則以其速度快、摩擦力小、易于實(shí)現(xiàn)精密 位置控制、適合大行程、高速度、高精度的性能特點(diǎn)，成 為了OLED切割、PCB鉆孔、數(shù)控加工、生物技術(shù)、IC封 裝設(shè)備、表面形貌測量的理想選擇。直為推出的高精度晶 圓檢測平臺(tái)采用無鐵芯直線電機(jī)、開放式結(jié)構(gòu)XY一體式設(shè) 計(jì)，有效行程500*400*10mm;兼顧行程、負(fù)載、高精 度、低側(cè)向高度;重復(fù)定位精度可達(dá)±1um;Z軸采用交叉 滾柱軸承，以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能。

　　空氣軸承運(yùn)動(dòng)平臺(tái)受關(guān)注

　　超精密空氣軸承運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用非 常關(guān)鍵，例如在半導(dǎo)體后道封測的核心設(shè)備固晶機(jī)、焊線 機(jī)和磨片機(jī)上，都需要用到高速、高精的空氣軸承運(yùn)動(dòng)平 臺(tái)，在其包括運(yùn)動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、直線電機(jī)(或力矩電 機(jī))和視覺系統(tǒng)的整個(gè)底層核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，才能開發(fā) 出固晶、焊線、先進(jìn)封裝等系列設(shè)備。

　　空氣軸承是一種使用空氣(或其他氣體)作為潤滑 劑，將空氣氣膜用作非接觸式支承的一種滑動(dòng)軸承。在半 導(dǎo)體、面板、精加工等眾多高端產(chǎn)業(yè)制程設(shè)備的運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 上，經(jīng)常能看到空氣軸承的身影。目前市場上的空氣軸承 大致可以分為兩類：動(dòng)壓空氣軸承和靜壓空氣軸承。 一般 應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的大多屬于靜壓空氣軸承。其工作原理 是，從外部注入壓縮空氣(或其他氣體，如氮、氬、氫、 氦或二氧化碳);壓縮空氣從供氣孔通過節(jié)流器導(dǎo)入滑座 底部和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)花崗巖底座表面之間的間隙;在間隙內(nèi)形 成支承負(fù)載的靜壓氣膜，將滑座升起，懸浮在軸本體(導(dǎo) 軌)上，以懸浮方式移動(dòng)，可做直線運(yùn)動(dòng)，也可做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

　　空氣軸承優(yōu)點(diǎn)很多，包括不發(fā)塵、不發(fā)熱、零噪音、 無跳動(dòng)、非接觸式特性等，輕松幫助運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)更高加 速度，使得空氣軸承運(yùn)動(dòng)平臺(tái)非常適合用于平面度要求 高、低速穩(wěn)定性要求高、負(fù)載輕、速度較低、需要依靠光 柵來提供精確位置反饋的加工場合，例如高精度檢測設(shè) 備、光波導(dǎo)刻寫設(shè)備等等。目前一些技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的直驅(qū) 廠商都已擁有自主研發(fā)的空氣軸承運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(也被成為氣 浮平臺(tái))，如雅科貝思、直為精驅(qū)、東佑達(dá)、克諾洛斯等等。

　　例如，有的廠商開發(fā)的空氣軸承運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的重復(fù)精 度可達(dá)0.3 μm(每300 mm行程)，能提供超高的6個(gè)自 由度精度(線性精度、水平直線度、垂直直線度、Yaw、 Pitch、Roll)以及軸與軸間之正交度;XY平臺(tái)采用共面 式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共享同一基準(zhǔn)面，解決了線性X軸和Y軸在平 面、正交垂直面上采用上下堆棧設(shè)計(jì)時(shí)容易累積誤差的問 題，適用于晶圓大規(guī)模生產(chǎn)中的各種AOI自動(dòng)光學(xué)缺陷檢 測、精密量測制程精準(zhǔn)對(duì)位等環(huán)節(jié)。

　　新趨勢與新機(jī)遇

　　總體來看，封測環(huán)節(jié)是目前中國大陸集成電路產(chǎn)業(yè)中 最成熟的環(huán)節(jié)，長電科技等國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)能力已達(dá)國際先進(jìn)水平。全球十大外包封測廠中，大陸占據(jù)三席，包括 長電科技、通富微電和華天科技，至2021年末，內(nèi)資封測 企業(yè)已占據(jù)近30%左右的份額，市場成長空間巨大。集成電 路封測工藝包括封裝和測試兩個(gè)環(huán)節(jié)，屬于集成電路產(chǎn)業(yè) 鏈的下游，封裝環(huán)節(jié)價(jià)值占封測比例約為80%-85%，測試 環(huán)節(jié)價(jià)值占比約15%-20%。

　　近些年，隨著芯片工藝不斷演進(jìn)，硅的工藝發(fā)展趨近 于其物理瓶頸，晶體管再變小變得愈加困難、先進(jìn)封裝主 要朝著小型化和集成化方向發(fā)展，同時(shí)還要求能夠提高產(chǎn)品功 能和降低成本，這些都是“后摩爾時(shí)代”的主流發(fā)展趨勢。

　　9月3日，國際半導(dǎo)體協(xié)會(huì)(SEMI)宣布成立“SEMI硅 光子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，臺(tái)積電及日月光擔(dān)任聯(lián)盟倡議人，初始聯(lián) 盟成員包括友達(dá)光電、鴻海、聯(lián)發(fā)科、旺硅、世界先進(jìn)等 超過30家廠商共同參與。SEMI預(yù)估2030年全球硅光子半導(dǎo) 體市場規(guī)模將達(dá)到78.6億美元，年復(fù)合成長率(CAGR)達(dá) 25.7%。

　　硅光子技術(shù)，被稱為未來芯片。為了克服目前集成電 路微電子技術(shù)存在的數(shù)據(jù)傳輸帶寬限制以及高功耗難題， 硅光芯片技術(shù)正在興起，通過在硅基材料上制作光器件結(jié) 構(gòu)，使得光能夠在其中傳輸并處理信號(hào)，這種方式不僅繼 承了硅材料的高集成度和低成本優(yōu)勢，還結(jié)合了光子技術(shù) 的大帶寬和低損耗特點(diǎn)，可被應(yīng)用于光通信、光計(jì)算、量 子計(jì)算等眾多的領(lǐng)域。

　　硅光模塊的優(yōu)勢顯著，與傳統(tǒng)的分立器件相比，硅光 模塊的誤碼率改善了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，功耗降低了10-20%， 成本則下降了20-30%。硅光芯片的市場前景廣闊，主要集 中在光傳輸、光傳感和光計(jì)算三個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)Yole和Light Counting等行業(yè)機(jī)構(gòu)的預(yù)測，硅光芯片的年增長率預(yù)計(jì)達(dá) 到25%至44%，預(yù)計(jì)到2025年至2030年，其在傳感領(lǐng)域 的市場規(guī)模將達(dá)到數(shù)百億美元(見圖2)，而在2030年至 2035年，硅光芯片在計(jì)算領(lǐng)域的市場規(guī)模則有望突破千億 美元。

　　據(jù)了解，臺(tái)積電將攜手博通、英偉達(dá)等大客戶共同 開發(fā)硅光子技術(shù)、光學(xué)共封裝(Co-packaged Optics， CPO)等新產(chǎn)品，該技術(shù)適用于45nm到7nm的芯片制程， 預(yù)計(jì)最快2024年下半年迎來大單，并在2025年左右達(dá)到量 產(chǎn)階段;而在中國大陸市場，許多企業(yè)也已開始大規(guī)模布 局硅光產(chǎn)業(yè)。

　　針對(duì)硅光芯片帶來的測試和封裝挑戰(zhàn)，特別是在具有 高潔凈度要求的高產(chǎn)量生產(chǎn)環(huán)境中光纖器件的對(duì)準(zhǔn)需求，PI 普愛納米位移技術(shù)(上海)有限公司開發(fā)的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 其XYZ軸用于光纖到光纖或光纖到波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)，采用無摩擦、 免維護(hù)空氣軸承設(shè)計(jì)，全天候高占空比應(yīng)用;運(yùn)用音圈直 接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行、高動(dòng)態(tài)和快速步進(jìn)與穩(wěn)定; 并集成直線光柵尺，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位;創(chuàng)新緊湊的XYZ設(shè)計(jì)， 節(jié)省集成空間。此外，平臺(tái)的θZ軸用于光子器件的精密旋 轉(zhuǎn)定位，采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)，運(yùn)行平穩(wěn)而精密，無齒 槽效應(yīng)，高精度且可重復(fù)的360 旋轉(zhuǎn)，無空回;低外形設(shè) 計(jì)，節(jié)省集成空間。同時(shí)系統(tǒng)還整合了基于ACS集成對(duì)準(zhǔn)算法的高性能工業(yè)控制器，為用戶提供友好且靈活的自動(dòng)化 控制功能。

圖 2 全球硅光芯片市場規(guī)模統(tǒng)計(jì)及增長預(yù)測 （按應(yīng)用劃分，資料來源：Yole，單位：億美元）

　　結(jié)語

　　全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，已形成高度壟斷格局，尤 其是近年來部分國家在強(qiáng)項(xiàng)領(lǐng)域設(shè)置貿(mào)易壁壘的現(xiàn)象日趨 嚴(yán)重，為此，當(dāng)前中國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)明確了以建立產(chǎn)業(yè) 鏈各環(huán)節(jié)強(qiáng)供需聯(lián)系、打通內(nèi)循環(huán)的發(fā)展目標(biāo)，這就需要 從IC設(shè)計(jì)、制造封裝、應(yīng)用模組到終端產(chǎn)品等在內(nèi)，全體產(chǎn) 業(yè)鏈上下游企業(yè)的通力合作。

　　身處于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的核心零部件行業(yè)，直驅(qū)電機(jī) 和精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在全行業(yè)邁向高端半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域的過程 中發(fā)揮著重要的作用，也是目前很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)重點(diǎn) 突破的技術(shù)難點(diǎn)。例如，在對(duì)超精密光刻設(shè)備的技術(shù)攻關(guān) 中，哈爾冰工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在運(yùn)動(dòng)臺(tái)(工件臺(tái))技術(shù) 以及超精密測量與基準(zhǔn)技術(shù)的開發(fā)上，采用多軸超精密激 光干涉測量、光刻機(jī)隔微振系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自主 設(shè)計(jì)、自主制造和自主控制。中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的上升之路 還很漫長，盡管目前國內(nèi)零部件的應(yīng)用比例逐年提升，低 成本、短交期、斷鏈風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)令到國內(nèi)企業(yè)的參與機(jī) 會(huì)加大，但是要想趕上世界一流水平，仍然需要加大研發(fā) 投入，加快國產(chǎn)關(guān)鍵零部件的創(chuàng)新進(jìn)程，提高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)， 全力助推中國半導(dǎo)體整體產(chǎn)業(yè)鏈步入先進(jìn)制造行列。