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　　隨著拜登政府延續并擴大了中美貿易摩擦以來的半導體政策，導致潛在的設備供應壓力和風險逐步加大，加上在國內晶圓廠產能不斷擴張的同時，也在持續導入國產設備，扶持本土戰略供應商，這些使得國產半導體設備進入到一個難得的發展大周期，國產化率的提升，為了工控自動化行業提供了一條潛力無窮的優質賽道。

　  今年7月30日，在對中國企業進行制造10納米及以下芯片設備禁運的基礎上， 美國限制出口的范圍擴大到制造14納米及以下芯片的設備;

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

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

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

　　面對日益緊迫的國際政經環境，中國政府要實現中高端芯片完全國產化的決心更加堅定， 中國本土半導體產業在困難與機遇中繼續前行，并已勢不可擋。

　　半導體設備開發難在哪里

　　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。半導體制造設備和材料在產業鏈中就相當于“ 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備、原材料的進口進行降維打擊， 使設備和原材料成為制約國內半導體生產工藝發展的“瓶頸”。　　

圖 1 主要零部件產品及其主要服務的半導體設備

　　(來源：網絡信息整理)

        眾所周知，半導體設備、材料的投資開發周期長， 投入資本大， 更關鍵的是涉及到基礎學科的培養， 平心而論， 現階段的中國半導體裝備行業要想從無到有， 從有發展到世界領先水平，確實還有很長的一段路要走。

　　在制造業中，每一臺設備都是由大大小小不同類型的零部件所組成， 半導體屬于微精密機械加工領域， 其中涉及到的各種零部件都是世界尖端高精密級別。有專業人士統計過， 目前在半導體設備制造過程中， 中國在很多零部件細分領域尚無法實現自給自足， 例如： 密封圈、微型氣缸、電工開關、閥門、質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、微型步進電機、伺服電機等零部件方面， 國產品的使用率仍然很低。對于現階段中國半導體設備的開發而言， 主要的難題之一在于高精密產業供應鏈的不齊全， 究其緣由，里面既有技術因素，也有經濟因素。

　　中國半導體產業發展正經歷一個大周期、持續追趕的過程， 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業鏈做起來， 加上在半導體主設備里的傳輸系統、凈化真空系統、主體工藝系統、循環排放系統等領域實現更高水平的自動化、智能化， 協助將晶圓制造的良品率達到更高的等級， 這樣才有可能真正做到中國半導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、芯片設計、封裝測試設備和材料等產業( 一期側重點)， 以及應用端， 例如下游的5G、AI、Io T等技術引領的集成電路應用產業( 二期側重點) 等重點面向， 全力推進中國本土半導體產業的高速發展。

　　國產半導體設備：由0至1的跨越

　　根據國際半導體產業協會(SEMI)的統計數據顯示，2021 年半導體設備銷售額 1026 億美元，同比激增 44% ( 見圖2)， 全年銷售額創歷史新高。中國大陸設備市場在 2013 年之前占全球比重為 10 %以內， 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，國內晶圓廠投建、半導體行業加大投入， 大陸半導體設備市場規模首次在市場全球排首位，2021達到 296.2億美元，同比增長 58%，占比達28.9%(見圖3)。

圖 2 全球半導體設備銷售額及增速

　　(資料來源：SEMI)

圖 3 中國半導體市場規模及在全球市場占比

　　(資料來源：SEMI)

圖 4 晶圓廠半導體制造流程及相關設備圖

　　(資料來源：《半導體制造技術》)

　　從國家02專項、以及國家集成電路產業基金一期、二期的進展情況來看， 當前， 中芯國際、長鑫存儲、華虹集團、長江存儲等國內主流晶圓廠已成為擴產的主力軍， 多個新廠區項目將繼續拉動本土半導體設備的市場需求。

　　在半導體制造的各個工藝環節上，薄膜沉積、光刻、刻蝕是總價值最高的三大半導體設備(見圖4)，其中， 光刻和薄膜沉積是目前國產化率較低的設備種類。另外， 涂膠顯影、離子注入、過程控制也是國產化率比較低的設備類型;而刻蝕、氧化擴散/熱處理、清洗、去膠、化學機械拋光則是國產設備發展得較好的領域( 國產化率均可達到20%以上)。經過近幾年的市場培育， 以北方華創、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秀的本土半導體設備廠商不斷涌現，加速國產化替代的進程。

　　另一方面，根據02專項當年的規劃，目標是“形成65 -45 nm裝備、材料、工藝配套能力及集成電路制造產業鏈，進行45- 22nm關鍵制造裝備攻關， 同時開展22- 14nm前瞻性研究等等”;對照這一目標，目前在45-22nm工藝，除了光刻機之外，已基本上實現了國產替代，也有消息稱，上海微電子的28nm光刻機預計將在明年完成交付， 可見整個國產替代的節奏正在加快， 對于整體產業鏈來說， 半導體設備市場的產能擴展疊加國產替代的大趨勢， 為各個相關產品線行業提供了一個良好的發展機遇。

　　直驅技術：超精密對準與定位功能

　　大致上，半導體制造工業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往復， 形成有電路結構的硅片。而半導體制造的后道工藝則指的是封測環節， 即封裝和測試過程， 在封測廠中將圓形的硅片切割成單獨的芯片顆粒， 完成外殼的封裝， 最后通過終端測試，出廠即為半導體芯片成品。

　　目前，半導體封測是工控自動化廠商開發的熱點市場之一， 以直驅技術領域為例， 超精密直線電機運動平臺憑借優異的對準、定位性能， 在晶圓切割、晶圓檢測和成品測試探針臺等相關設備上得到了廣泛的應用。

　　深圳市克洛諾斯科技有限公司以納米級、微米級直線電機運動平臺的研發、生產為主， 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計，最大可對應300mm晶圓，編碼器位置靠近基板表面，減少已經最小的偏移影響， 移動模塊和十字導軌采用陶瓷

　　(Al203)設計，比花崗巖或金屬設計剛性好，重量輕， 熱膨脹系數低， 以及應用激光干涉儀反饋系統; 下軸由2個水冷式無鐵芯直線電機組成， 靠近系統的重心， 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， 該納米級精密平臺可應用于晶圓檢測、晶圓切割等典型的半導體制造場景。另外， 克洛諾斯自主研發的超精密納米級氣浮平臺是定位晶圓或芯片的核心部件，重復定位精度可達到±35 納米，適應用于晶圓切割、晶圓檢測、晶圓封裝等工藝環節。

　　為了滿足晶圓切片應用中準確定位切口、減少材料損耗、盡可能減小元件變形、同時又必須達到最大加工速度等要求，PI(Physik Instrumente)普愛納米位移技術(上海)有限公司開發的運動解決方案在Z軸采用高動態激光聚焦控制( P- 725 PIFOC物鏡掃描儀)， 可實現高達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和定位( A- 523 Z向偏擺臺)，以并聯運動設計， 可實現三個維度的晶圓調整和偏移校正， 帶空氣軸承的直接驅動線性電機可實現高精度調平， 具有最小滯后的無摩擦設計， 提供了納米級的高重復精度和可調整性; XY軸則運用高動態晶圓掃描運動( A- 311空氣軸承平面掃描儀)， 配以先進的自動化控制系統， 令到半導體晶圓切割的良率更高， 可實現無污染加工， 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，完全沿預定義的切割線高動態形成均勻的層調制。

　　驅控技術：高精度、高速度、高性能

　　在封裝測試環節，基于芯片封裝技術微型化和集成化的快速發展， 劃片機、固晶機、分選機， 作為芯片封裝測試過程中的三大關鍵設備， 對企業管控芯片的生產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。

　　例如在半導體制作工序持續微縮的過程中，晶圓切割的精準度尤為關鍵， 在晶圓的激光切割技術上， 目前面臨的挑戰包括： 精準度不佳、運動軌跡在高精度不易達到、激光功率不易調整、速度規劃曠日費時等。

　　針對上述激光切割技術難題，高創傳動科技開發(深圳)有限公司提出了sof tMC 301 控制器作為晶圓切割運動控制理想解決方案，sof tMC 301 支持兩種開放、整合的開發環境：Codesys或ControlStudio，用戶可通過程序輔助， 提升性能并簡化操作。該控制器內置高實時Linux操作系統，支持EtherCAT或CANOpen 現場總線，可控制最多6個軸，能夠在切割過程中維持馬達的穩定， 解決以往激光切割機臺過切、抖動和速度規劃不易等問題。

　　另外，芯片拾取與貼裝是高密度、超薄芯片封裝技術的兩項關鍵工藝， 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程、生產率和成本。選擇高精度的運動控制伺服方案驅動部件能以精確的力度拾取芯片， 并安全、準確地轉移到基板上， 這是提升超薄芯片封裝效率的一大關鍵。

　　目前高創根據客戶的應用需求，可為客戶量身定制運動控制綜合解決方案包括：劃片機CDHD2伺服方案、分選機BDHDE伺服方案、固晶機CDHD伺服方案等多個定制化技術方案。

　　在半導體芯片后道工序中，劃片機以強力磨削為劃切機理， 空氣靜壓電主軸為執行元件， 以每分鐘3萬到6萬的轉速劃切晶圓， 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的劃切線方向做直線運動， 將每一個具有獨立電氣的芯片分割出來?；趧澢泄に嚨膹碗s性，客戶對劃片機各軸的劃切運動控制性能提出更高的要求，為此，高創提供的伺服方案——X軸應用CDHD驅動器+ PH2電機，Y 軸應用CDHD2驅動器+ PH 2 電機， 旋轉軸采用CDHD驅動器+DDR馬達，三軸聯動使劃片機實現快速、穩定、精準的劃切和清洗運動。分選是芯片封裝過程中的一個重要步驟，而分選機則是用于芯片測試接觸、揀選和傳送的設備，能夠輔助提高芯片分選的效率和質量。在芯片設計日益復雜化、精細化、多樣化的趨勢下， 其對驅控產品的精度、速度、穩定性要求也越來越高，高創BDHDE驅動器+CDHD驅動器+PRHD2 電機組成的伺服方案，可助力提升分選機送料、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、精度與質量。

　　結語

　　面對全球經濟下行周期，消費類電子市場需求嚴重萎縮， 企業庫存處在歷史較高水平， 半導體產業進入到調整期; 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產的重點區域， 據不完全統計， 僅華虹集團、中芯國際、長江存儲、合肥長鑫四家晶圓廠的未來合計擴產產能就將超過100萬片/月。在中國半導體開啟新的征程之際， 半導體設備的本地化供應鏈建設迫在眉睫， 中國半導體制造設備的國產化進程， 無論是對于國際品牌、還是本土品牌供應商來說， 都是一片廣闊的開發天地。除了現階段較多工控自動化廠商已經涉及到的芯片后道封裝測試領域之外， 還有更多價值較高的半導體工藝環節值得期待， 工控廠商應與設備原廠攜手合作， 發揮協同效應， 為中國半導體產業邁向高端制造貢獻行業力量。