高端半導體設備市場蘊藏機遇

　　半導體行業歷來遵循著“一代產品、一代工藝、一代設 備”的發展規律，晶圓制造作為產業鏈的核心環節，需要超 前于下游應用開發新一代工藝，而半導體設備的開發則更要 超前于晶圓制造工藝。在當前以AI人工智能、物聯網、智能 駕駛等為代表的新興產業迅猛發展的形勢下，對于半導體芯 片的性能和效率提出了更高的要求，推動著高端半導體設備 產業持續迭代創新，以滿足市場對于更高性能、更低功耗、 更小尺寸的集成電路器件的使用需求，同時，也產生出巨大的半導體設備市場空間。

　　根據SEMI國際半導體產業協會的統計和預測，2023年 全球半導體設備的銷售額達 1,063億美元，2024年預計增 長至1,090億美元，并持續保持增長態勢，2025年預計達到 1,280億美元的新高(見圖1) ， 由此可見，半導體設備市 場將從2023年的底部，在2024年迎來復蘇。

　　中國大陸作為全球最大的消費電子市場，對半導體芯 片的需求量巨大，近年來，在復雜多變的國際形勢及國家 持續加大半導體產業政策扶持的背景下，中國大陸半導體產業發展迅速，在半導體技術迭代創新、產業生態等方面 均形成良好效果，國產半導體設備成熟度及市場認可度也 在不斷提升。根據SEMI統計，2023年中國大陸半導體設備 銷售額為366億美元，同比增長29%，連續第四年成為全球 最大的半導體設備市場。

　　在高端半導體設備市場，薄膜沉積設備、光刻設備、 刻蝕設備共同構成了芯片制造的三大核心設備，它們決定 著芯片制造工藝的先進程度。然而，在這一領域，目前國 產化自給率仍然較低，要想布局和進軍高端半導體設備市 場，就必須要緊跟“后摩爾時代”芯片制程技術的最新發展。

　　例如，隨著芯片制程持續縮小并接近物理極限，通 過新的芯片設計架構和芯片堆疊的方式，來實現最優的芯 片性能和復雜的芯片結構，已成為先進芯片制造的發展趨 勢，由此也帶來了對新設備的需求，即應用于3D三維集成 領域的半導體設備。應用于3D三維集成領域的設備是三維 集成芯片、Chiplet等芯片堆疊的技術基礎，同時也是先進 邏輯和先進存儲從 2D轉向3D芯片設計架構的技術支撐。混 合鍵合(Hybrid Bonding)設備作為晶圓級三維集成應用 中最前沿的核心設備之一，可以提供鍵合面小于1μm的互 聯間距，以實現芯片或晶圓的堆疊，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性能。因此，以晶 圓級3D三維集成為代表的一些新技術趨勢和市場需求，為 半導體設備廠商的發展提供了巨大的成長機遇。

圖 1 全球半導體設備銷售額統計及預測（資料來源：SEMI，單位：億美元）

　　直驅方案在半導體制造中的典型應用

　　目前，半導體設備的技術瓶頸主要表現在納米級精 度、動態性、穩定性和可靠性的提升等方面，這些直接影響到設備的性能、效率和良品率，而直驅電機成為了高端 半導體設備上直線運動和旋轉運動裝置的必要選擇之一。

　　例如，在硅片制造工藝中，硅片倒角機需要對速度 (磨削線速度)與精度(磨削深度、硅片邊緣輪廓形狀) 進行控制;硅片CMP拋光設備要求達到全局平整落差5nm 以內的超高平面度，且實現極低速度波動與高重復定位精 度控制;硅片外延設備要求能夠抗高頻、高壓、電磁輻射 等偶然性干擾，同時達到高位置精度控制。在這些典型應 用場合中，使用無鐵芯力矩電機可滿足低速度波動和剛性 要求，結合絕對值光柵編碼器等反饋裝置，從而進一步提 高重復定位精度。

　　在IC制造前道工序中，直線電機光刻機工件臺是光刻機 的核心子系統之一;此外，機械手、量測設備等也用到高 功率密度無框力矩電機、(無鐵芯)直線電機等。

　　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)等設備中，(無鐵芯)直線電 機/力矩電機、直線電機龍門雙驅平臺等也被大量采用。

　　蘇州直為精驅控制技術有限公司多年來深耕半導體設 備應用領域，目前已擁有從產品、模組到集成在內的較為 齊全的產品線，其中包括有鐵芯直線電機、無鐵芯直線電 機、PCB直線電機、桿式直線電機、軸向磁場DD馬達、 鋁線碳纖維直線電機、音圈直線電機等高功率密度直驅電 機;疊加氣浮平臺、晶圓劃片平臺、升降臺、氣浮轉臺; 顯示面板缺陷檢測平臺、LDI曝光平臺、IC載板氣浮曝光平 臺、晶圓檢測平臺、晶圓切割氣浮平臺等。

　　直為開發的氣浮直驅旋轉平臺以領先的軸向、徑向和 傾斜誤差運動性能、優秀的動態性能和定位精度，為工業 自動化領域提供了測量檢測、生物樣片加工及觀測、同步 加速研究、精密制造、光學對準和系統校準等需要角秒級 定位精度的工業領域和科研項目的全新解決方案。直為單 軸精密直線平臺則以其速度快、摩擦力小、易于實現精密 位置控制、適合大行程、高速度、高精度的性能特點，成 為了OLED切割、PCB鉆孔、數控加工、生物技術、IC封 裝設備、表面形貌測量的理想選擇。直為推出的高精度晶 圓檢測平臺采用無鐵芯直線電機、開放式結構XY一體式設 計，有效行程500*400*10mm;兼顧行程、負載、高精 度、低側向高度;重復定位精度可達±1um;Z軸采用交叉 滾柱軸承，以實現高動態性能。

　　空氣軸承運動平臺受關注

　　超精密空氣軸承運動平臺在半導體制造中的應用非 常關鍵，例如在半導體后道封測的核心設備固晶機、焊線 機和磨片機上，都需要用到高速、高精的空氣軸承運動平 臺，在其包括運動控制、伺服驅動、直線電機(或力矩電 機)和視覺系統的整個底層核心技術的基礎上，才能開發 出固晶、焊線、先進封裝等系列設備。

　　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軸承。在半 導體、面板、精加工等眾多高端產業制程設備的運動平臺 上，經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：動壓空氣軸承和靜壓空氣軸承。 一般 應用在運動平臺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流器導入滑座 底部和運動平臺花崗巖底座表面之間的間隙;在間隙內形 成支承負載的靜壓氣膜，將滑座升起，懸浮在軸本體(導 軌)上，以懸浮方式移動，可做直線運動，也可做旋轉運動。

　　空氣軸承優點很多，包括不發塵、不發熱、零噪音、 無跳動、非接觸式特性等，輕松幫助運動平臺實現更高加 速度，使得空氣軸承運動平臺非常適合用于平面度要求 高、低速穩定性要求高、負載輕、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 備、光波導刻寫設備等等。目前一些技術實力較強的直驅 廠商都已擁有自主研發的空氣軸承運動平臺(也被成為氣 浮平臺)，如雅科貝思、直為精驅、東佑達、克諾洛斯等等。

　　例如，有的廠商開發的空氣軸承運動平臺的重復精 度可達0.3 μm(每300 mm行程)，能提供超高的6個自 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平臺采用共面 式結構設計，共享同一基準面，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計時容易累積誤差的問 題，適用于晶圓大規模生產中的各種AOI自動光學缺陷檢 測、精密量測制程精準對位等環節。

　　新趨勢與新機遇

　　總體來看，封測環節是目前中國大陸集成電路產業中 最成熟的環節，長電科技等國內企業的技術能力已達國際先進水平。全球十大外包封測廠中，大陸占據三席，包括 長電科技、通富微電和華天科技，至2021年末，內資封測 企業已占據近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環節，屬于集成電路產業 鏈的下游，封裝環節價值占封測比例約為80%-85%，測試 環節價值占比約15%-20%。

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

　　9月3日，國際半導體協會(SEMI)宣布成立“SEMI硅 光子產業聯盟”，臺積電及日月光擔任聯盟倡議人，初始聯 盟成員包括友達光電、鴻海、聯發科、旺硅、世界先進等 超過30家廠商共同參與。SEMI預估2030年全球硅光子半導 體市場規模將達到78.6億美元，年復合成長率(CAGR)達 25.7%。

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

　　硅光模塊的優勢顯著，與傳統的分立器件相比，硅光 模塊的誤碼率改善了1-2個數量級，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、光傳感和光計算三個領域。根據Yole和Light Counting等行業機構的預測，硅光芯片的年增長率預計達 到25%至44%，預計到2025年至2030年，其在傳感領域 的市場規模將達到數百億美元(見圖2)，而在2030年至 2035年，硅光芯片在計算領域的市場規模則有望突破千億 美元。

　　據了解，臺積電將攜手博通、英偉達等大客戶共同 開發硅光子技術、光學共封裝(Co-packaged Optics， CPO)等新產品，該技術適用于45nm到7nm的芯片制程， 預計最快2024年下半年迎來大單，并在2025年左右達到量 產階段;而在中國大陸市場，許多企業也已開始大規模布 局硅光產業。

　　針對硅光芯片帶來的測試和封裝挑戰，特別是在具有 高潔凈度要求的高產量生產環境中光纖器件的對準需求，PI 普愛納米位移技術(上海)有限公司開發的精密運動平臺 其XYZ軸用于光纖到光纖或光纖到波導對準，采用無摩擦、 免維護空氣軸承設計，全天候高占空比應用;運用音圈直 接驅動電機，實現平穩運行、高動態和快速步進與穩定; 并集成直線光柵尺，實現準確定位;創新緊湊的XYZ設計， 節省集成空間。此外，平臺的θZ軸用于光子器件的精密旋 轉定位，采用直接驅動電機技術，運行平穩而精密，無齒 槽效應，高精度且可重復的360 旋轉，無空回;低外形設 計，節省集成空間。同時系統還整合了基于ACS集成對準算法的高性能工業控制器，為用戶提供友好且靈活的自動化 控制功能。

圖 2 全球硅光芯片市場規模統計及增長預測 （按應用劃分，資料來源：Yole，單位：億美元）

　　結語

　　全球半導體產業發展至今，已形成高度壟斷格局，尤 其是近年來部分國家在強項領域設置貿易壁壘的現象日趨 嚴重，為此，當前中國半導體生態系統明確了以建立產業 鏈各環節強供需聯系、打通內循環的發展目標，這就需要 從IC設計、制造封裝、應用模組到終端產品等在內，全體產 業鏈上下游企業的通力合作。

　　身處于半導體產業鏈中的核心零部件行業，直驅電機 和精密運動平臺在全行業邁向高端半導體應用領域的過程 中發揮著重要的作用，也是目前很多企業和研究機構重點 突破的技術難點。例如，在對超精密光刻設備的技術攻關 中，哈爾冰工業大學的研究團隊在運動臺(工件臺)技術 以及超精密測量與基準技術的開發上，采用多軸超精密激 光干涉測量、光刻機隔微振系統等關鍵技術，實現了自主 設計、自主制造和自主控制。中國半導體產業的上升之路 還很漫長，盡管目前國內零部件的應用比例逐年提升，低 成本、短交期、斷鏈風險小等優點令到國內企業的參與機 會加大，但是要想趕上世界一流水平，仍然需要加大研發 投入，加快國產關鍵零部件的創新進程，提高質量標準， 全力助推中國半導體整體產業鏈步入先進制造行列。