精密動態(tài)控制零部件, 助推先進制程升級
文:組編 / 編輯部2025年第六期
導語:半導體/泛半導體設備是非常典型的微納加工精度應用場景,特別是在現(xiàn)階段半導體工藝向先進制程演進的過程中,亟需中國半導體供應鏈協(xié)同創(chuàng)新,其中,精密動態(tài)控制工控零部件也是其中一環(huán),在通往半導體先進制造的道路上,這類核心零部件對于設備的精密度和穩(wěn)定性起到至關重要的作用。
根據(jù)SEMI國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會在7月份發(fā)布的預測數(shù)據(jù)顯示,2025年全球半導體制造設備銷售額將同比增長7.4%至1,255億美元,創(chuàng)下歷史新高;在先進邏輯、存儲和技術轉型等因素的帶動下,2026年半導體制造設備銷售額有望進一步提高至1,381億美元(如圖1所示)。同時,隨著芯片構架復雜性顯著增加, AI性能和高頻寬內存(HBM)需求強勁,2025年半導體后段測試設備將有望同比增長23.2% (2024年增長率為25.4%)至93億美元,封裝設備銷售額有望同比增長7.7%至54億美元;2026年測試設備和封裝設備銷售額將再分別增長5%及15%。
從地區(qū)來看,2025年二季度,中國大陸銷售額達113.6億美元,同比下滑2%,環(huán)比增長11%,以約34.4%的份額穩(wěn)居全球第一大半導體設備市場。排名第二的是中國臺灣,銷售額為87.7億美元, 同比增長24%,環(huán)比增長125%。排名第三的是韓國,銷售額為59.1億美元,同比下滑23%,環(huán)比增長31%(如圖2所示)。預計到2026年,中國大陸、中國臺灣和韓國仍將是設備支出的前三大目的地。在預測期內,中國大陸繼續(xù)領先所有地區(qū),但預計該地區(qū)的銷售額將比2024年創(chuàng)紀錄的495億美元投資有所下降;預計從2025年開始,除歐洲外,所有其他地區(qū)的設備支出都將大幅增加。

供應鏈本地化向前道制程滲透
半導體芯片制造工廠大致上可以分為兩大塊,即:晶圓廠和后道封測廠。早期,大部分工控零部件廠商主要集中在半導體后道工藝的封測環(huán)節(jié);在當前國際形勢復雜嚴峻、不穩(wěn)定不確定因素增多的環(huán)境下,半導體產(chǎn)業(yè)供應鏈的安全正面臨著巨大的挑戰(zhàn),本土AI芯片供應商有望加速供應鏈自主化進程,特別是在半導體制造的前道工藝制程上取得突破。
中國大陸目前主要的晶圓代工廠包括中芯國際、華虹半導體、晶合集成、芯聯(lián)集成以及武漢新芯等。北方華創(chuàng)、中微、拓荊科技、華海清科、至純、盛美、屹唐、合肥御微、中科飛測、天芯微、邑文科技、上海精測等都是現(xiàn)階段重要的國內半導體前道設備供應商,近年來,該領域冒升起來的一顆新星則是——新凱來,其是由深圳國資委控股的獨立企業(yè),并與華為存在著技術淵源和人員關聯(lián)性。在今年3月上海半導體設備展上,新凱來首次公開亮相就一口氣推出了覆蓋擴散、刻蝕、薄膜等關鍵環(huán)節(jié)的31款設備,隨后在10月灣芯展上,新凱來旗下公司啟云方發(fā)布了兩款擁有完全自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)EDA軟件,而另一家子公司萬里眼也同期推出了全球領先技術的90GHz國產(chǎn)示波器,標志著我國朝著構建從設計到測試的完整技術鏈又邁出了堅實的一步。

在核心零部件環(huán)節(jié),從目前情況來看,國內在90納米以下先進制程的運動控制系統(tǒng)和工藝系統(tǒng)部分主要依賴進口廠商,如刻蝕、CVD工藝主要被發(fā)那科、歐姆龍等進口運動控制廠商所占據(jù),傳片機構主要被布魯克斯、Yaskawa安川等國際廠商所壟斷,伺服控制部件則較多采用的是ACS、 Aerotech、Beckhoff、Elmo、科爾摩根等。
對于本土企業(yè)來說,半導體前道設備領域的市場機會開始顯現(xiàn),但由于前道業(yè)務的生態(tài)準入門檻較高,客戶認證周期較長,因此大多數(shù)半導體前道設備企業(yè)更多還處于開發(fā)的前期階段,仍在等待批量進入的機會節(jié)點,一些較具實力的工控部件廠商也逐漸在前道工藝設備段嶄露頭角。
固高科技多年來在半導體高端制造領域積極探索,協(xié)同設備廠商進行共同研發(fā),從公司公布的信息來看,2024年,固高科技在半導體/泛半導體領域的營收占比大概為14%左右,其中多為封測等后道設備業(yè)務(鍵合、固晶、劃片、貼裝等)。去年起,固高科技在前道晶圓制造先進制程中的測試與沉積兩大工藝上已有具體的產(chǎn)品型號獲得一定的放量, 目前正進入批量循環(huán),其他如光刻、清洗等節(jié)點的前道工藝則還處在測試驗證階段,等待配合客戶完成驗證和機型上量。
匯川技術在近期也表示,公司在半導體領域持續(xù)耕耘,主要提供包括驅動和部分控制類產(chǎn)品及解決方案, 目前已切入前道高端應用場景,今年1至9月,公司半導體行業(yè)訂單體量約為兩到三億元,在通用自動化板塊的占比還比較小,但得益于國產(chǎn)化的趨勢,公司在該行業(yè)的拓展仍有較好的成長空間。
直驅方案賦能微納先進制程
半導體/泛半導體設備是非常典型的微納加工精度應用場景,特別是在現(xiàn)階段半導體工藝向先進制程演進的過程中,半導體制造未來的發(fā)展重點將會從單純依賴光刻機來縮小特征尺寸,轉向更復雜、更關鍵的刻蝕及薄膜沉積工藝。例如,晶體管結構從平面轉向3D立體(如GAA晶體管),需要刻蝕設備能夠精確地三維“雕刻”,以形成復雜的納米線、片狀結構,薄膜沉積設備能在復雜三維結構上,實現(xiàn)原子級均勻地沉積多層薄膜;同時伴隨制程微縮,光刻機的能力已逼近物理極限,普遍要用到多重曝光技術,這就需要刻蝕設備可以通過多次刻蝕,將一幅光刻圖案“拆分”成更密集的圖形,因而步驟數(shù)大幅增加,而在多重曝光的側墻沉積等步驟中,需要采用原子層沉積(ALD)等精密技術。此外,在存儲芯片向3D NAND(超千層)發(fā)展、先進封裝(如HBM)采用硅通孔(TSV)等尖端科技的影響下,需要刻蝕出極高深寬比的深孔和溝槽結構,并且還要在極深孔道內進行無縫隙、高均勻性的薄膜填充動作。
在本土半導體產(chǎn)業(yè)鏈奮力追趕國際領先水平的趨勢下,對設備的精密度、一致性提出了前所未有的要求,其中,支持精密、動態(tài)控制的工控核心零部件同樣具有決定性作用,它們能夠為各種高端半導體制造設備的精度、速度、安全、效率等多個維度的性能提供底層的技術支撐。
以濕法刻蝕工藝為例,一般來說,半導體客戶對這類刻蝕設備的主要要求包括均勻性和加工精度兩大技術指標,均勻性指的是在樣品表面的不同區(qū)域上蝕刻速率的一致性,確保加工后的樣品具有較高的一致特性;加工精度則表示的是刻蝕機可以實現(xiàn)的最小加工尺寸,其對微細結構的制備和加工的精確性十分重要。為滿足客戶的上述要求,刻蝕機電機軸的運動控制性能非常關鍵,尤其是對于豎直方向控制樣品或工作臺在蝕刻過程中的移動性能,客戶往往要求運動每次位移在0.002mm~0.1mm之間,速度在0.02~0.1mm/s,重復定位精度在0.001mm以內,以保證達到最終所需的加工效果。
為此,科爾摩根提供的KBM系列無框力矩電機直驅方案,能夠精準滿足客戶在均勻性和加工精度這兩方面的需求。KBM系列無框力矩電機可直接內置于機器中,利用機器自身的軸承來支撐轉子,和負載直接連接,零背隙提供了更好的系統(tǒng)性能,降低了機器的整體尺寸,并可支持定制化開
發(fā)。與此同時,采用科爾摩根AKD伺服驅動器,擁有16K的電流環(huán)刷新周期和8K的速度環(huán)刷新周期,配置BiSS-C協(xié)議反饋裝置,分辨率高達100nm,能夠實現(xiàn)微米級別的位置控制,確保加工過程中樣品的位置變化極小;保證了工作臺或樣品在蝕刻過程中位置控制的卓越精確度,在實際運動中,每次位置指令變化20um,運動過程中最大的位置偏差控制在0.5um以內,確保了加工的高精度和高穩(wěn)定性。
AI助推先進制程需求強勁
半導體行業(yè)歷來遵循“一代產(chǎn)品、 一代工藝、 一代設備”的發(fā)展規(guī)律,晶圓制造作為半導體產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié),需要超前于下游應用開發(fā)新一代工藝,而半導體設備則要超前于晶圓制造開發(fā)新一代設備,因此,半導體設備的技術水平直接決定了芯片制造的先進性。特別是近兩年,AI人工智能應用的迅速普及加速推動了技術創(chuàng)新,對先進半導體制程的需求強勁,同時催生了巨大的先進半導體設備市場空間。
先進制程指的是當前技術前沿的半導體制造工藝,通常以晶體管柵極最小線寬(如7nm及以下)為標志,其核心特征包括:使用FinFET(鰭式場效應晶體管)或GAA(環(huán)柵晶體管)等三維結構、極紫外光刻(EUV)技術的普及、高晶體管密度(每平方毫米數(shù)億個晶體管)等等,而這些技術趨勢對于整個半導體制造供應鏈的構建和技術產(chǎn)品的迭代都將帶來深遠的影響。
以先進封裝為例,目前,帶有倒裝芯片(FC)結構封裝、晶圓級封裝(WLP)、系統(tǒng)級封裝(SiP)、硅通孔技術(TSV)、2.5D封裝、3D封裝等均被認為屬于先進封裝的范疇。固高科技在FC封裝設備中為客戶提供GSNE系列高性能多軸網(wǎng)絡運動控制卡+GSHD系列高性能伺服驅動器系統(tǒng)解決方案,運動控制卡和伺服驅動器通過固高自主知識產(chǎn)權的gLink-II千兆等環(huán)網(wǎng)通訊協(xié)議相連,實現(xiàn)高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸,且兼容性強、高響應、調試便捷,確保了系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。
在半導體設備中常用到的龍門平臺、多軸同步控制場景中,Elmo將龍門控制算法底層植入驅動器層面,實現(xiàn)了“執(zhí)行層同步”,消除了通信延遲帶來的誤差,使得雙軸乃至多軸能夠在微秒級周期內實現(xiàn)精準同步。針對貼片機、點膠機、晶圓傳輸平臺等高動態(tài)設備,Elmo Titanium系列驅動器采用了氮化鎵(GaN)與碳化硅(SiC)為代表的第三代半導體工藝,使得產(chǎn)品開關頻率與伺服電流環(huán)響應速度上取得突破性進展,更高的開關頻率帶來更平滑的轉矩輸出與更低的諧波損耗,而電流環(huán)響應能力的提升,則直接增強了系統(tǒng)在高速高精場景下的動態(tài)性能。在半導體前道檢測、晶圓對位等制造環(huán)節(jié),精準定位始終是核心挑戰(zhàn),為此, Elmo的運動控制器Titanium Maestro全面轉向x86架構,顯著提升了CPU與GPU的綜合算力,并首次在控制器層級通過算法支持視覺處理,使得設備能夠在本地直接完成圖像識別、定位與軌跡規(guī)劃任務,無需依賴外接工控機,讓“視覺+運動”的整合更加簡單。
為了幫助半導體客戶解決高速動態(tài)下的精準定位難題, ACS精心開發(fā)的先進力控制算法專為滿足高精度、高吞吐量的力控應用而打造,ACS力控制系統(tǒng)兼具卓越性能與靈活適配性,支持多款伺服驅動型號,實時算法在伺服驅動器上直接運行;可配置接觸檢測,優(yōu)化軟著陸性能;支持分段鍵合工藝的可編程壓力曲線;具備力傳感器信號校準功能,提升精度;支持彈簧配重補償機制,提高控制精度;最高支持16位力傳感器輸入(視驅動型號而定) ;適用于基于力傳感與無傳感器兩種場景;兼容音圈平臺及直線電機平臺。
產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新成為當務之急
半導體制造工藝復雜,市場潛力巨大,但展望未來,則是挑戰(zhàn)大于機遇,供應鏈本地化開發(fā)正進入“深水區(qū)”。對此,有資深專業(yè)人士分析道,就中國半導體制造設備來講目前有兩大趨勢,一是競爭格局已經(jīng)形成,二是合縱連橫式發(fā)展將成為主流。
前者的原因是——做先進工藝設備的廠商必須要和一流客戶緊密合作,但在當前的國際貿易環(huán)境和產(chǎn)業(yè)形勢下,中國設備公司很難和包括中國臺灣公司在內的國際先進12英寸廠家緊密合作;這時候中國設備公司要想在先進工藝上取得突破,就必須和中國大陸僅有的幾家做先進工藝的主體結為緊密合作關系,因此說半導體設備市場的競爭格局已經(jīng)形成。而后者——合縱連橫的原因則是,設備公司的競爭正朝著平臺化發(fā)展,在國際市場,單項冠軍可以活得很好,但在中國的產(chǎn)業(yè)競爭體系中,單項冠軍很難生存,必須要平臺化成為全能型企業(yè),而在這個過程中,設備公司之間的并購整合會是接下來的重要趨勢。
尤其是在當前受到海外技術封鎖與出口管制的影響下,中國半導體設備供應鏈本地化的需求急升,迫切要求半導體工藝向更小制程(FinFET、GAA)、更高性能、更先進的設備(如高精度光刻機、納米級檢測設備等)方向升級。另一方面,近年來國內設備公司和國際設備公司之間的交流和互動也越來越少,實現(xiàn)從消化、吸收到創(chuàng)新,最終再到內生、源頭式創(chuàng)新模式,可能會是接下來本土半導體設備廠商要經(jīng)歷的一個艱辛過程,工控核心零部件企業(yè)必須要緊跟產(chǎn)業(yè)發(fā)展,與半導體各個工藝段的設備廠商攜手,共同破局創(chuàng)新。
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