精密动态控制零部件, 助推先进制程升级
文:组编 / 编辑部2025年第六期
导语:半导体/泛半导体设备是非常典型的微纳加工精度应用场景,特别是在现阶段半导体工艺向先进制程演进的过程中,亟需中国半导体供应链协同创新,其中,精密动态控制工控零部件也是其中一环,在通往半导体先进制造的道路上,这类核心零部件对于设备的精密度和稳定性起到至关重要的作用。
根据SEMI国际半导体产业协会在7月份发布的预测数据显示,2025年全球半导体制造设备销售额将同比增长7.4%至1,255亿美元,创下历史新高;在先进逻辑、存储和技术转型等因素的带动下,2026年半导体制造设备销售额有望进一步提高至1,381亿美元(如图1所示)。同时,随着芯片构架复杂性显著增加, AI性能和高频宽內存(HBM)需求强劲,2025年半导体后段测试设备将有望同比增长23.2% (2024年增长率为25.4%)至93亿美元,封装设备销售额有望同比增长7.7%至54亿美元;2026年测试设备和封装设备销售额将再分别增长5%及15%。
从地区来看,2025年二季度,中国大陆销售额达113.6亿美元,同比下滑2%,环比增长11%,以约34.4%的份额稳居全球第一大半导体设备市场。排名第二的是中国台湾,销售额为87.7亿美元, 同比增长24%,环比增长125%。排名第三的是韩国,销售额为59.1亿美元,同比下滑23%,环比增长31%(如图2所示)。预计到2026年,中国大陆、中国台湾和韩国仍将是设备支出的前三大目的地。在预测期内,中国大陆继续领先所有地区,但预计该地区的销售额将比2024年创纪录的495亿美元投资有所下降;预计从2025年开始,除欧洲外,所有其他地区的设备支出都将大幅增加。

供应链本地化向前道制程渗透
半导体芯片制造工厂大致上可以分为两大块,即:晶圆厂和后道封测厂。早期,大部分工控零部件厂商主要集中在半导体后道工艺的封测环节;在当前国际形势复杂严峻、不稳定不确定因素增多的环境下,半导体产业供应链的安全正面临着巨大的挑战,本土AI芯片供应商有望加速供应链自主化进程,特别是在半导体制造的前道工艺制程上取得突破。
中国大陆目前主要的晶圆代工厂包括中芯国际、华虹半导体、晶合集成、芯联集成以及武汉新芯等。北方华创、中微、拓荆科技、华海清科、至纯、盛美、屹唐、合肥御微、中科飞测、天芯微、邑文科技、上海精测等都是现阶段重要的国内半导体前道设备供应商,近年来,该领域冒升起来的一颗新星则是——新凯来,其是由深圳国资委控股的独立企业,并与华为存在着技术渊源和人员关联性。在今年3月上海半导体设备展上,新凯来首次公开亮相就一口气推出了覆盖扩散、刻蚀、薄膜等关键环节的31款设备,随后在10月湾芯展上,新凯来旗下公司启云方发布了两款拥有完全自主知识产权的国产EDA软件,而另一家子公司万里眼也同期推出了全球领先技术的90GHz国产示波器,标志着我国朝着构建从设计到测试的完整技术链又迈出了坚实的一步。

在核心零部件环节,从目前情况来看,国内在90纳米以下先进制程的运动控制系统和工艺系统部分主要依赖进口厂商,如刻蚀、CVD工艺主要被发那科、欧姆龙等进口运动控制厂商所占据,传片机构主要被布鲁克斯、Yaskawa安川等国际厂商所垄断,伺服控制部件则较多采用的是ACS、 Aerotech、Beckhoff、Elmo、科尔摩根等。
对于本土企业来说,半导体前道设备领域的市场机会开始显现,但由于前道业务的生态准入门槛较高,客户认证周期较长,因此大多数半导体前道设备企业更多还处于开发的前期阶段,仍在等待批量进入的机会节点,一些较具实力的工控部件厂商也逐渐在前道工艺设备段崭露头角。
固高科技多年来在半导体高端制造领域积极探索,协同设备厂商进行共同研发,从公司公布的信息来看,2024年,固高科技在半导体/泛半导体领域的营收占比大概为14%左右,其中多为封测等后道设备业务(键合、固晶、划片、贴装等)。去年起,固高科技在前道晶圆制造先进制程中的测试与沉积两大工艺上已有具体的产品型号获得一定的放量, 目前正进入批量循环,其他如光刻、清洗等节点的前道工艺则还处在测试验证阶段,等待配合客户完成验证和机型上量。
汇川技术在近期也表示,公司在半导体领域持续耕耘,主要提供包括驱动和部分控制类产品及解决方案, 目前已切入前道高端应用场景,今年1至9月,公司半导体行业订单体量约为两到三亿元,在通用自动化板块的占比还比较小,但得益于国产化的趋势,公司在该行业的拓展仍有较好的成长空间。
直驱方案赋能微纳先进制程
半导体/泛半导体设备是非常典型的微纳加工精度应用场景,特别是在现阶段半导体工艺向先进制程演进的过程中,半导体制造未来的发展重点将会从单纯依赖光刻机来缩小特征尺寸,转向更复杂、更关键的刻蚀及薄膜沉积工艺。例如,晶体管结构从平面转向3D立体(如GAA晶体管),需要刻蚀设备能够精确地三维“雕刻”,以形成复杂的纳米线、片状结构,薄膜沉积设备能在复杂三维结构上,实现原子级均匀地沉积多层薄膜;同时伴随制程微缩,光刻机的能力已逼近物理极限,普遍要用到多重曝光技术,这就需要刻蚀设备可以通过多次刻蚀,将一幅光刻图案“拆分”成更密集的图形,因而步骤数大幅增加,而在多重曝光的侧墙沉积等步骤中,需要采用原子层沉积(ALD)等精密技术。此外,在存储芯片向3D NAND(超千层)发展、先进封装(如HBM)采用硅通孔(TSV)等尖端科技的影响下,需要刻蚀出极高深宽比的深孔和沟槽结构,并且还要在极深孔道内进行无缝隙、高均匀性的薄膜填充动作。
在本土半导体产业链奋力追赶国际领先水平的趋势下,对设备的精密度、一致性提出了前所未有的要求,其中,支持精密、动态控制的工控核心零部件同样具有决定性作用,它们能够为各种高端半导体制造设备的精度、速度、安全、效率等多个维度的性能提供底层的技术支撑。
以湿法刻蚀工艺为例,一般来说,半导体客户对这类刻蚀设备的主要要求包括均匀性和加工精度两大技术指标,均匀性指的是在样品表面的不同区域上蚀刻速率的一致性,确保加工后的样品具有较高的一致特性;加工精度则表示的是刻蚀机可以实现的最小加工尺寸,其对微细结构的制备和加工的精确性十分重要。为满足客户的上述要求,刻蚀机电机轴的运动控制性能非常关键,尤其是对于竖直方向控制样品或工作台在蚀刻过程中的移动性能,客户往往要求运动每次位移在0.002mm~0.1mm之间,速度在0.02~0.1mm/s,重复定位精度在0.001mm以内,以保证达到最终所需的加工效果。
为此,科尔摩根提供的KBM系列无框力矩电机直驱方案,能够精准满足客户在均匀性和加工精度这两方面的需求。KBM系列无框力矩电机可直接内置于机器中,利用机器自身的轴承来支撑转子,和负载直接连接,零背隙提供了更好的系统性能,降低了机器的整体尺寸,并可支持定制化开
发。与此同时,采用科尔摩根AKD伺服驱动器,拥有16K的电流环刷新周期和8K的速度环刷新周期,配置BiSS-C协议反馈装置,分辨率高达100nm,能够实现微米级别的位置控制,确保加工过程中样品的位置变化极小;保证了工作台或样品在蚀刻过程中位置控制的卓越精确度,在实际运动中,每次位置指令变化20um,运动过程中最大的位置偏差控制在0.5um以内,确保了加工的高精度和高稳定性。
AI助推先进制程需求强劲
半导体行业历来遵循“一代产品、 一代工艺、 一代设备”的发展规律,晶圆制造作为半导体产业链的核心环节,需要超前于下游应用开发新一代工艺,而半导体设备则要超前于晶圆制造开发新一代设备,因此,半导体设备的技术水平直接决定了芯片制造的先进性。特别是近两年,AI人工智能应用的迅速普及加速推动了技术创新,对先进半导体制程的需求强劲,同时催生了巨大的先进半导体设备市场空间。
先进制程指的是当前技术前沿的半导体制造工艺,通常以晶体管栅极最小线宽(如7nm及以下)为标志,其核心特征包括:使用FinFET(鳍式场效应晶体管)或GAA(环栅晶体管)等三维结构、极紫外光刻(EUV)技术的普及、高晶体管密度(每平方毫米数亿个晶体管)等等,而这些技术趋势对于整个半导体制造供应链的构建和技术产品的迭代都将带来深远的影响。
以先进封装为例,目前,带有倒装芯片(FC)结构封装、晶圆级封装(WLP)、系统级封装(SiP)、硅通孔技术(TSV)、2.5D封装、3D封装等均被认为属于先进封装的范畴。固高科技在FC封装设备中为客户提供GSNE系列高性能多轴网络运动控制卡+GSHD系列高性能伺服驱动器系统解决方案,运动控制卡和伺服驱动器通过固高自主知识产权的gLink-II千兆等环网通讯协议相连,实现高效可靠的数据传输,且兼容性强、高响应、调试便捷,确保了系统的精度与稳定性。
在半导体设备中常用到的龙门平台、多轴同步控制场景中,Elmo将龙门控制算法底层植入驱动器层面,实现了“执行层同步”,消除了通信延迟带来的误差,使得双轴乃至多轴能够在微秒级周期内实现精准同步。针对贴片机、点胶机、晶圆传输平台等高动态设备,Elmo Titanium系列驱动器采用了氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体工艺,使得产品开关频率与伺服电流环响应速度上取得突破性进展,更高的开关频率带来更平滑的转矩输出与更低的谐波损耗,而电流环响应能力的提升,则直接增强了系统在高速高精场景下的动态性能。在半导体前道检测、晶圆对位等制造环节,精准定位始终是核心挑战,为此, Elmo的运动控制器Titanium Maestro全面转向x86架构,显著提升了CPU与GPU的综合算力,并首次在控制器层级通过算法支持视觉处理,使得设备能够在本地直接完成图像识别、定位与轨迹规划任务,无需依赖外接工控机,让“视觉+运动”的整合更加简单。
为了帮助半导体客户解决高速动态下的精准定位难题, ACS精心开发的先进力控制算法专为满足高精度、高吞吐量的力控应用而打造,ACS力控制系统兼具卓越性能与灵活适配性,支持多款伺服驱动型号,实时算法在伺服驱动器上直接运行;可配置接触检测,优化软着陆性能;支持分段键合工艺的可编程压力曲线;具备力传感器信号校准功能,提升精度;支持弹簧配重补偿机制,提高控制精度;最高支持16位力传感器输入(视驱动型号而定) ;适用于基于力传感与无传感器两种场景;兼容音圈平台及直线电机平台。
产业协同创新成为当务之急
半导体制造工艺复杂,市场潜力巨大,但展望未来,则是挑战大于机遇,供应链本地化开发正进入“深水区”。对此,有资深专业人士分析道,就中国半导体制造设备来讲目前有两大趋势,一是竞争格局已经形成,二是合纵连横式发展将成为主流。
前者的原因是——做先进工艺设备的厂商必须要和一流客户紧密合作,但在当前的国际贸易环境和产业形势下,中国设备公司很难和包括中国台湾公司在内的国际先进12英寸厂家紧密合作;这时候中国设备公司要想在先进工艺上取得突破,就必须和中国大陆仅有的几家做先进工艺的主体结为紧密合作关系,因此说半导体设备市场的竞争格局已经形成。而后者——合纵连横的原因则是,设备公司的竞争正朝着平台化发展,在国际市场,单项冠军可以活得很好,但在中国的产业竞争体系中,单项冠军很难生存,必须要平台化成为全能型企业,而在这个过程中,设备公司之间的并购整合会是接下来的重要趋势。
尤其是在当前受到海外技术封锁与出口管制的影响下,中国半导体设备供应链本地化的需求急升,迫切要求半导体工艺向更小制程(FinFET、GAA)、更高性能、更先进的设备(如高精度光刻机、纳米级检测设备等)方向升级。另一方面,近年来国内设备公司和国际设备公司之间的交流和互动也越来越少,实现从消化、吸收到创新,最终再到内生、源头式创新模式,可能会是接下来本土半导体设备厂商要经历的一个艰辛过程,工控核心零部件企业必须要紧跟产业发展,与半导体各个工艺段的设备厂商携手,共同破局创新。
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