半導(dǎo)體供應(yīng)鏈重構(gòu)， 工控自動化賦能自主可控

　　2024年已近尾聲，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的重構(gòu)格局愈 發(fā)突顯，11月5日消息，據(jù)《華爾街日報》報道，在美國政 府的最新指令下，美國半導(dǎo)體企業(yè)正在將中國公司從自己的 供應(yīng)鏈當(dāng)中剔除;美國財政部近期公布，限制美國資金投資 在中國人工智能(AI)等先進科技領(lǐng)域的新規(guī)例已經(jīng)準(zhǔn)備就 緒，明年1月2日開始生效。另據(jù)悉，臺積電已經(jīng)給中國客戶 發(fā)了最新郵件，內(nèi)容是從11月11日起，中國的AI和GPU客戶 被暫停供應(yīng)7nm和更先進工藝產(chǎn)能。而在11月5日進博會的 開幕當(dāng)天，阿斯麥公司代表也表示其“在中國的業(yè)務(wù)聚焦于生產(chǎn)主流芯片的成熟制程領(lǐng)域”。

　　全球“芯片戰(zhàn)”加劇，一方面阻礙了現(xiàn)階段中國半導(dǎo)體 先進制程的開發(fā)與應(yīng)用，嚴(yán)重影響到國內(nèi)AI人工智能產(chǎn)業(yè)的 未來發(fā)展;另一方面，也進一步刺激到中國芯片廠商加緊 重新組建新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，盡管這將是一個非常漫長的過 程?？梢灶A(yù)見的是，在整個產(chǎn)業(yè)自主可控、制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級 的大背景下，半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)仍將保持穩(wěn)健的增長，釋放出 對部件與系統(tǒng)的強大需求。

　　根據(jù)國際芯片行業(yè)組織SEMI的最新統(tǒng)計顯示，2024年第二季度全球半導(dǎo)體設(shè)備出貨金額同比增長4%，達到268億 美元，同期環(huán)比微幅增長1%。其中，中國大陸今年第二季 度半導(dǎo)體設(shè)備出貨金額122.1億美元，同比大增62%(如圖1所 示);預(yù)計2024年全年，中國大陸的芯片制造設(shè)備支出將首 次突破400億美元大關(guān)，顯示出中國大陸在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上的 巨大投入和決心。與此同時，SEMI表示，在2024年至2027 年期間，中國大陸仍然保持著全球最大芯片制造設(shè)備市場的 地位，中國大陸在半導(dǎo)體工廠設(shè)備上的支出將達到1444億美 元，高于韓國的1080億美元、中國臺灣的1032億美元、美 洲的775億美元和日本的451億美元。

　　工控自動化廠商積極參與

　　總體而言，當(dāng)前，國內(nèi)半導(dǎo)體裝備業(yè)在前道制造環(huán)節(jié)相 較于海外頭部企業(yè)還有不小的差距，但在先進封裝領(lǐng)域的追 趕距離可能相對會更近一些。

　　與全球IC制造產(chǎn)業(yè)大潮相呼應(yīng)，隨著AI人工智能、5G通 訊、自動駕駛、元宇宙等新興產(chǎn)業(yè)的快速崛起，高速運算、 高速傳輸、低耗電及低延遲的先進芯片被用于實現(xiàn)海量數(shù)據(jù) 處理，新型態(tài)的先進封裝架構(gòu)與設(shè)計概念由此應(yīng)運而生。以 2.5D和3D封裝為代表的芯片堆疊技術(shù)不斷推動晶圓減薄工 藝的發(fā)展，應(yīng)對晶圓減薄所帶來的一些物理難題，已成為多 層晶圓堆疊技術(shù)成功與否的關(guān)鍵。

　　例如，先進封裝的高集成度所帶來的晶圓薄化趨勢，推高了鍵合機精確控制的難度，對設(shè)備的穩(wěn)定性、耐久性也帶 來了重大挑戰(zhàn)。為了強化2.5D或3D封裝中的HBM、GPU、 CPU、FPGA等處理器之間的彼此整合，以臺積電的SoIC和 英特爾的Foveros為代表的封裝類型都需用到混合鍵合技 術(shù)。面向3D封裝集成應(yīng)用領(lǐng)域，晶圓高速高精度對準(zhǔn)技術(shù)、 混合鍵合實時對準(zhǔn)技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的晶圓鍵合精度 (亞微米級)，有效提升芯片間的通信帶寬及芯片系統(tǒng)性能， 并提高設(shè)備產(chǎn)能，這些都是現(xiàn)在相關(guān)設(shè)備廠商開發(fā)的重點。

　　目前，在半導(dǎo)體/泛半導(dǎo)體高端制造裝備領(lǐng)域，內(nèi)部運 動控制模塊、系統(tǒng)的主要供應(yīng)商有ACS、Aerotech、歐姆 龍、Beckhoff、ELMO等，這些廠商為半導(dǎo)體制造前道蝕 刻、化學(xué)機械拋光(CMP)、原子層沉積(ALD)、晶圓量 測/檢測、固晶/貼片、引線鍵合、晶圓切割等工序提供了先 進的網(wǎng)絡(luò)運動多軸控制器和完整的高精密運動控制解決方 案;除此之外，正運動技術(shù)、固高科技等也是這一市場中的 佼佼者。

　　多自由度精密運動平臺是晶圓制造和檢測過程中要用到 的核心部件之一 ，一般是采用模塊化、集成化、超薄化等設(shè) 計理念，基于直線電機、音圈電機、力矩電機等基礎(chǔ)部件及 先進的驅(qū)控技術(shù)，搭建出符合特定應(yīng)用需求的、從單軸驅(qū)動 獨立控制到高性能多軸控制的硬件解決方案，如：單軸位移 平臺、XY運動平臺、ZT運動平臺、多軸運動平臺、氣浮位移 運動平臺等，實現(xiàn)單軸、X、Y、Z、θ軸、多自由度的高精 度、高剛度直線或旋轉(zhuǎn)運動。多自由度精密運動平臺被大量 應(yīng)用在晶圓薄膜計量、關(guān)鍵尺寸檢查、晶圓劃線和晶圓激光 退火等半導(dǎo)體生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)。雅科貝思、PI普愛納米、華卓 精科、直為精驅(qū)、隱冠半導(dǎo)體、克洛諾斯等都是現(xiàn)階段精密 運動控制平臺開發(fā)領(lǐng)域的重要供應(yīng)商。

　　此外，晶圓搬運解決方案也是一個開發(fā)熱點。由于本土 廠商進入這一開發(fā)領(lǐng)域的時間較晚，因此，目前在產(chǎn)品供應(yīng) 方面仍以日本、臺灣地區(qū)的廠商為主。例如，OHT天車搬運 系統(tǒng)(空中懸掛式無人搬送車)是大部分12英寸半導(dǎo)體晶圓 廠的標(biāo)配之一，這類市場主要被日本村田機械、大福等廠商 所壟斷，國內(nèi)的蘇州新施諾半導(dǎo)體、華芯智能、上海盟立等 則是新銳之星。另外，用于潔凈室的水平多關(guān)節(jié)機器人(機 械手臂)、AGV無人搬運車、輸送機式RGV系統(tǒng)、EFEM高速 晶圓/載板傳送設(shè)備、Lifter垂直搬運系統(tǒng)等等都是對自動化 廠商軟硬件綜合開發(fā)實力的一次考驗。

　　滿足高速、高精度壓力控制需求

　　轉(zhuǎn)塔式芯片測試分選機是目前很多直驅(qū)技術(shù)廠商正在 開發(fā)的一個熱點設(shè)備市場，這類專業(yè)機器以其高效自動化、 高精度、靈活性、穩(wěn)定性、占地面積小、維護方便以及擴展 性強等優(yōu)勢，在半導(dǎo)體封裝測試領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。轉(zhuǎn)塔 式分選機一般采用工業(yè)計算機控制系統(tǒng)結(jié)合運動控制卡的方 式，通過高效穩(wěn)定的振動盤將材料輸送至轉(zhuǎn)塔，隨后材料經(jīng) 過主測試站和拓展副站的檢測，將不良器篩選之后，最終進 行編帶完成包裝。轉(zhuǎn)塔式分選機由DD馬達驅(qū)動主轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn) 以及主轉(zhuǎn)塔上可獨立上下運動的吸嘴構(gòu)成，設(shè)備運行穩(wěn)定高 效，重復(fù)定位精度高，可檢測的芯片尺寸范圍廣，并可靈活 定制和拓展測試站。

　　當(dāng)前，轉(zhuǎn)塔式分選機正面臨諸如光學(xué)性能視覺檢測、微 米級精準(zhǔn)定位和高速取放、特殊力控與運算等挑戰(zhàn)，并且用 戶端對于設(shè)備的UPH值(單位時間產(chǎn)能)提出了更高的要求 (如要求MAX UPH在50-60K/H甚至以上)。但另一方面， 芯粒尺寸越來越小，就需要高達微米級精準(zhǔn)的定位控制及特 殊的吸嘴設(shè)計，來實現(xiàn)高速取放。更重要的是，高精度壓力 控制與高速運動往往是一對矛盾體，裸芯片一般為減薄后的 芯粒，在測試過程中與測試座間的接觸需要特殊的力控與運 動算法，既能保證芯粒不被損壞，又能實現(xiàn)高速的芯粒取放 與移動。

　　南京宏泰科技主營業(yè)務(wù)包括半導(dǎo)體測試系統(tǒng)(ATE)、自 動測試分選設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，其面向市場推發(fā)出了 UPH 65K的超高速測試分選機，基于三菱電機高響應(yīng)伺服 J5，以及自主研發(fā)的運動學(xué)算法和工藝，這款轉(zhuǎn)塔式超高速 測試分選機進一步優(yōu)化了節(jié)拍與壓力控制精度，確保設(shè)備在 高速產(chǎn)出效率的前提下，連桿機構(gòu)下壓時保護芯片不被壓 壞，設(shè)備節(jié)拍較于上一代分選機提升15%，壓力控制精度提 升50%。同時，系統(tǒng)還具有更靈敏的碰撞檢知、峰值力控制 和恒力保壓等功能，可準(zhǔn)確、靈敏地檢知碰撞的發(fā)生，并發(fā) 出指令，實現(xiàn)立即停機或者回退等動作對策。據(jù)悉，該超高 速分選機目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小尺寸和超薄封裝芯片的量產(chǎn) 測試，并獲得了大量海外訂單。

　　在整個半導(dǎo)體封測環(huán)節(jié)，分選機和探針臺是將芯片的引 腳與測試機的功能模塊連接起來的專用設(shè)備，與測試機共同 實現(xiàn)批量自動化測試流程。除了轉(zhuǎn)塔式分選機此之外，實際 上，分選機的種類繁多，應(yīng)用場景也各有不同。隨著近年來國內(nèi)電動汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，車規(guī)芯片市場迅速型興起， 傳統(tǒng)的芯片測試系統(tǒng)大多只具備單一的高溫檢測功能或單一 的制冷環(huán)境功能，無法同時滿足芯片的高低溫測試需求，而 三溫平移式測試分選機可滿足車規(guī)芯片AEC-Q100測試標(biāo)準(zhǔn) 的要求，在-40℃-150℃環(huán)境下確保芯片在移動、測試過程 均能夠維持在最優(yōu)的溫度值范圍內(nèi)，以確保待測產(chǎn)品達到較 佳的測試效果。據(jù)了解，目前，國產(chǎn)三溫分選機尚處于起跑 階段，中國大陸上市公司僅有少數(shù)幾家能夠推出三溫分選 機。另外，DDR高溫測試分選機市場也同樣被看好，以應(yīng)對 芯片在高溫下的電性測試要求不斷升高的趨勢。

　　檢測和量測成為主力市場

　　半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備是晶圓廠的主要投資支出之一，需 要依賴應(yīng)用于前道制程和先進封裝的半導(dǎo)體質(zhì)量控制設(shè)備， 即量測(Metrology)和檢測(Inspection)環(huán)節(jié)，它們對 于芯片生產(chǎn)良率的影響至關(guān)重要。量測指的是對被觀測的晶 圓電路上的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚 度、關(guān)鍵尺寸、刻蝕深度、表面形貌等物理性參數(shù)的量測。 檢測指的是在晶圓表面上或電路結(jié)構(gòu)中，檢測其是否出現(xiàn)異 質(zhì)情況，如顆粒污染、表面劃傷、開短路等對芯片工藝性能 具有不良影響的特征性結(jié)構(gòu)缺陷。

　　隨著制程越來越先進、工藝環(huán)節(jié)不斷增加，行業(yè)發(fā)展 對工藝控制水平提出了更高的要求，制造過程中檢測設(shè)備與 量測設(shè)備的需求量將倍增。根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國半 導(dǎo)體量測檢測設(shè)備行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與未來前景分析報告 (2024-2031年)》顯示，2019-2023年我國半導(dǎo)體量測檢 測設(shè)備市場規(guī)模由16.9億美元增長至40.5億美元(如圖2所 示)，半導(dǎo)體量測檢測設(shè)備市場規(guī)模占全球的比重由27.3% 增長至31.3%左右。中國大陸半導(dǎo)體檢測與量測設(shè)備的市場 處于高速發(fā)展期，市場顯著高于全球半導(dǎo)體設(shè)備量測和檢測 設(shè)備市場的增長速度?？傮w上，檢測設(shè)備約占70%左右，其 中包括納米圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備、無圖形晶圓缺陷檢測 設(shè)備、圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備等等;量測設(shè)備則約占30%左 右，其中包括關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備、套刻精度量測設(shè)備、薄膜 膜厚量測設(shè)備、三維形貌量測設(shè)備等等。

　　從技術(shù)路線原理來看，目前的半導(dǎo)體量測/檢測主要分 為光學(xué)檢測技術(shù)、電子束檢測技術(shù)和X光量測技術(shù)三大類。 在相同條件下，光學(xué)技術(shù)的檢測速度比電子束檢測技術(shù)快，速度可以較電子束檢測技術(shù)快1,000倍以上，而X光量測技術(shù) 主要應(yīng)用于特定金屬成分測量和超薄膜測量等特定的領(lǐng)域。

　　在晶圓廠選購半導(dǎo)體量測/檢測設(shè)備時，性價比是其重 要的考慮因素。質(zhì)量控制設(shè)備檢測速度和吞吐量的提升將有 效降低集成電路制造廠商的平均晶圓檢測成本，從而實現(xiàn)降 本增效。因此，檢測速度和吞吐量更高的檢測和量測設(shè)備能 夠幫助下游客戶更好地控制企業(yè)成本，提高良品率。

　　近期，克洛諾斯科技在半導(dǎo)體前道制程量測檢測領(lǐng) 域取得了突破，其新推出的水星運動控制平臺總行程達 475*410mm，可滿足12寸及以下的晶圓量檢測使用。據(jù)介 紹，水星平臺擁有極佳的動態(tài)性能，加速度達20m/s2,同 時最高速度達到1.25m/s，定位精度高達±1μm，并擁有優(yōu) 異的雙向重復(fù)精度，可滿足晶圓量檢測設(shè)備的短行程短穩(wěn)定 需求。水星運控平臺卡盤面帶真空接口，可選配導(dǎo)軌粉塵抽 吸功能、個性化信號以及壓縮空氣管等，滿足ISO 2潔凈等 級環(huán)境需求。為了進一步提升晶圓量檢測UPH，克洛諾斯還 可為水星加裝靜音系列主動避震，在特定頻率及工況下隔振 效果能達到95%以上，每移動10μm整定窗口±40nm時整定 時間就可控制在40ms內(nèi)，并且位置穩(wěn)定性在2KHZ時能達到 ±2nm，這意味著水星運動控制平臺能極大程度上降低工作 時間，有效提升設(shè)備的UPH值，適用于半導(dǎo)體制造中的晶圓 量測檢測如疊片測量、關(guān)鍵尺寸量測、薄膜量測等工序中。

　　結(jié)語

通常來說，在半導(dǎo)體供應(yīng)鏈體系中，制造設(shè)備的驗證周期很大程度上取決于客戶的具體要求，一旦部件或系統(tǒng)在 主機中被定型后，供應(yīng)商還需要進一步配合設(shè)備集成商進行 機器的整體驗證和上限測試，這些都涉及到對生產(chǎn)進度的嚴(yán) 格把控，以及對主機生產(chǎn)的驗證，尤其是產(chǎn)品的功能和性能 需要經(jīng)過較為嚴(yán)苛的測試。中國半導(dǎo)體整體產(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)險小等優(yōu)點令到國內(nèi)企業(yè)的參與機會加 大，在新一輪中國半導(dǎo)體裝備業(yè)的升級過程中，工控自動化 部件及系統(tǒng)廠商需要加大創(chuàng)新研發(fā)投入，提高產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo) 準(zhǔn)，全力賦能中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的先進制造進程。