半導(dǎo)體搬運(yùn)設(shè)備小兵立大功

觀諸現(xiàn)今諸多輸送機(jī)械應(yīng)用市場，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可說是中國臺灣輸送機(jī)械及系統(tǒng)整合廠商最夢寐以求的場域。尤其是近年來因應(yīng)中美科技戰(zhàn)與后疫情時代，各國分別對于先進(jìn)或成熟制程的芯片戰(zhàn)略性需求水漲船高，也帶動新一波刺激投資商機(jī)，臺廠對于所需自動化搬運(yùn)設(shè)備和晶圓機(jī)器人整合需求，則應(yīng)隨之轉(zhuǎn)型升級。

如今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不僅成為評估一國提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)和附加價值的關(guān)鍵指針、大國期望能「就近看管」的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，在中國臺灣更有「護(hù)國神山」之稱。當(dāng)后疫情時代，各國正積極強(qiáng)化供應(yīng)鏈韌性情境下，無不積極擴(kuò)充產(chǎn)能、添購設(shè)備，帶動近年來全球半導(dǎo)體設(shè)備出口成長。

根據(jù)工研院產(chǎn)科所引用SEMI統(tǒng)計近10年（2020~2021年）數(shù)據(jù)顯示，除了2011、2015年之外，其他每年設(shè)備市場規(guī)模皆可達(dá)到百億美元以上，2019年甚至比起2018年成長達(dá)到68%。主因即是當(dāng)時業(yè)者正積極投資開發(fā)7nm、10nm等先進(jìn)制程，對于半導(dǎo)體設(shè)備的市場規(guī)模都會產(chǎn)生正向影響。促使中國臺灣半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)值自2012年之后就逐年成長，近10年來平均年增17.7%；在2021年突破千億元，達(dá)到1,186億元之后，還較前年大增33.6%，可望連續(xù)兩年突破千億規(guī)模。

工研院產(chǎn)科國際所分析師張雯琪也指出，目前全球半導(dǎo)體設(shè)備市場仍持續(xù)成長的主因，即在于高效能運(yùn)算（HPC）應(yīng)用產(chǎn)品帶動制程技術(shù)升級。依SEMI統(tǒng)計，2022年全球共計167座晶圓廠將進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)充，設(shè)備支出比重將占整體設(shè)備支出超過84%；晶圓代工廠則是設(shè)備采購的最大來源，約占53%，其次是設(shè)備業(yè)者的32%。

各階段制程半導(dǎo)體需求未減　帶動新一波設(shè)備需求
臺廠因受惠于今年上半年車用電子、高效能運(yùn)算市場仍屬熱絡(luò)，對于5G、物聯(lián)網(wǎng)、車用電子等應(yīng)用芯片需求強(qiáng)勁。半導(dǎo)體業(yè)者紛紛選擇持續(xù)在臺投資高階制程，再藉海外擴(kuò)廠來增加產(chǎn)能，帶動供應(yīng)鏈在地化的群聚效應(yīng)，正吸引國際大廠紛紛前來投資，也帶動新一波半導(dǎo)體設(shè)備需求。

目前臺制半導(dǎo)體設(shè)備包含生產(chǎn)與檢測兩大類，依經(jīng)濟(jì)部統(tǒng)計2021年生產(chǎn)設(shè)備及零件產(chǎn)值879億元，約占74.1%，比起前一年成長42.1%、近5年平均年增25.9%，成為主力成長貢獻(xiàn)來源；去年檢測設(shè)備及零件亦年增14.2%、近5年平均年增13.4%。主因則是生產(chǎn)設(shè)備廠商近年積極投入研發(fā)制造，持續(xù)接獲國內(nèi)外大廠訂單所致。


 
圖1 : 依中國臺灣經(jīng)濟(jì)部統(tǒng)計2021年中國臺灣半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備及零件產(chǎn)值879億元，約占74.1%，比起前一年成長42.1%。（source：中國臺灣經(jīng)濟(jì)部統(tǒng)計處）

其中因?yàn)樵诎雽?dǎo)體生產(chǎn)在線，使用數(shù)字控制自動化早已行之有年，可說是中國臺灣推廣工業(yè)4.0的領(lǐng)頭羊。特別是在硅晶圓上生成半導(dǎo)體的前段制程里，自動搬運(yùn)設(shè)備與機(jī)器人也在制程串接上發(fā)揮了重大作用。包括經(jīng)過倉儲系統(tǒng)，搬運(yùn)晶圓到生產(chǎn)線；在無塵室內(nèi)搬運(yùn)晶圓半成品，銜接到不同制程，或在同一制程內(nèi)裝/卸除任一裝置；甚至是將已完成的晶圓，搬運(yùn)到下一個晶圓檢驗(yàn)制程等，均可利用自動搬運(yùn)設(shè)備或機(jī)器人完成。

在美商應(yīng)用材料（Applied Materials）、艾司摩爾（ASML）、科磊（KLA）、科林研發(fā)（Lam Research）、東京威力科創(chuàng)（TEL）等大廠的半導(dǎo)體設(shè)備上，也都會看到搬運(yùn)晶圓/片機(jī)器人，約有40%應(yīng)用于蝕刻、36%在沉積、24%在光刻、離子注入、化學(xué)機(jī)械研磨、濕法工藝等制程，皆可透過母公司、當(dāng)?shù)刭u方或任何獲得授權(quán)的第三方廠商來執(zhí)行安裝。

另有部份半導(dǎo)體設(shè)備或系統(tǒng)整合廠商，為了達(dá)到半導(dǎo)體客戶導(dǎo)入自動化需求，多在不影響進(jìn)口設(shè)備的原有效能下改機(jī)，以貼近提供客制自動化技術(shù)與機(jī)器人應(yīng)用。但有別于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)偏好透過PLC，進(jìn)行機(jī)器人、設(shè)備與周邊裝置通過I/O及緩存器交握，半導(dǎo)體廠更重視坐標(biāo)交換、機(jī)器視覺和傳感器整合，以及大數(shù)據(jù)擷取的功能、能否支持SECS/GEM等。透過導(dǎo)入自動化技術(shù)，不僅可用來提高生產(chǎn)效率、降低人為疏失；因半導(dǎo)體生產(chǎn)作業(yè)流程的標(biāo)準(zhǔn)化，也能讓智慧自動化技術(shù)更有發(fā)揮空間。

例如在KLA半導(dǎo)體設(shè)備上，便搭載安川電機(jī)YASAWA的SEMISTAR機(jī)器人，來執(zhí)行晶圓移載功能；Applied Materials中國臺灣應(yīng)材分公司，也委托日商川崎重工業(yè)（KAWASAKI）在臺分公司，提供設(shè)備上的機(jī)器人保養(yǎng)服務(wù)。依工研院產(chǎn)科國際所統(tǒng)計2017~2021年，中國臺灣半導(dǎo)體前/后段制程設(shè)備所使用的機(jī)器人品牌與數(shù)量，市占率前三名大概是KAWASAKI（16%）、RORZE（14%）、YASAWA（11%）。

臺廠在半導(dǎo)體后段制程機(jī)器人使用最多的，則是由弘塑集團(tuán)旗下的佳霖科技所代理的日商JEL品牌，估計在中國臺灣市占率約25%以上；其他還有生產(chǎn)EUV傳輸機(jī)臺的家登、半導(dǎo)體再生晶圓與設(shè)備的辛耘等，未來中國臺灣半導(dǎo)體設(shè)備廠商朝向更潔凈的class 1等級邁進(jìn)，則是主流趨勢之一。


 
圖2 : 另有部份半導(dǎo)體設(shè)備或系統(tǒng)整合廠商，為了達(dá)到半導(dǎo)體客戶導(dǎo)入自動化需求，多在不影響進(jìn)口設(shè)備的原有效能下改機(jī)，以貼近提供客制自動化技術(shù)與機(jī)器人應(yīng)用。（攝影：陳念舜）

半導(dǎo)體設(shè)備整合機(jī)器人　提供潔凈整機(jī)搬運(yùn)設(shè)備
根據(jù)工研院產(chǎn)科國際所引用SEMI資料統(tǒng)計，在2020年達(dá)到710億美元規(guī)模的全球半導(dǎo)體設(shè)備市場里，包含晶圓制程、晶圓廠設(shè)施和光罩設(shè)備、后段組裝、封裝和測試等領(lǐng)域。用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的真空機(jī)器人（Vacuum Robot）、大氣機(jī)器人（Atmosphere Robot）及EFEM、真空傳輸平臺等，皆屬于潔凈室等級機(jī)器人。

其中晶圓機(jī)器人市場規(guī)模約8.1億美元，預(yù)估2025年將達(dá)10.3億美元?？此普急入m小，但因?yàn)橐獙⒕A（Wafer）制成大小不同的芯片需要許多復(fù)雜程，便非常倚賴自動化設(shè)備快速且精準(zhǔn)將晶圓/片輸送到各個制程節(jié)點(diǎn)，扮演承先啟后的關(guān)鍵角色！

惟若進(jìn)一步分析2020年中國臺灣半導(dǎo)體設(shè)備172億美元的市場規(guī)模而言，其中會搭配使用的機(jī)器人約占3.1億元，相當(dāng)于全球市場規(guī)模的1/3，也就是說全世界每產(chǎn)出3臺晶圓搬運(yùn)機(jī)器人，就可能有1臺用在中國臺灣半導(dǎo)體工廠的制程設(shè)備。

工研院產(chǎn)科國際所機(jī)械與制造系統(tǒng)研究部經(jīng)理黃仲宏進(jìn)一步指出，其實(shí)在半導(dǎo)體制程設(shè)備中所使用的晶圓機(jī)器人（Wafer Robot），于移載及傳送晶圓/片的流程里，即具有相當(dāng)?shù)闹匾?，扮演半?dǎo)體設(shè)備里的「最佳配角」。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，得知2017~2021年間中國臺灣半導(dǎo)體廠前/后段制程所導(dǎo)入的自動化搬運(yùn)輸送設(shè)備與數(shù)量，且有進(jìn)一步強(qiáng)化整合趨勢：

包括半導(dǎo)體制程設(shè)備廠商為了讓自家產(chǎn)品更有競爭力，將會提供半導(dǎo)體制造商更強(qiáng)化整合功能（Total Solutions）的解決方案，預(yù)期將會有更多國內(nèi)外半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)者，會與晶圓機(jī)器人供貨商合作。但由于晶圓機(jī)器人在半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)屬于寡占（Oligopoly）市場，必須要符合運(yùn)動軌跡的高穩(wěn)定精度、柔順不能頓挫，且在設(shè)備內(nèi)的高潔凈需求，現(xiàn)在只有為少數(shù)幾家生產(chǎn)者壟斷，且有「大者恒大」的特色，

此外，現(xiàn)今晶圓機(jī)器人制造業(yè)者也不僅止于提供機(jī)器人，還會納入設(shè)備前端模塊（Equipment Front End Module；EFEM）、分揀機(jī)（Sorter）、對準(zhǔn)器（Aligner）成為整機(jī)設(shè)備，共同出貨予半導(dǎo)體設(shè)備廠商，加上銷售服務(wù)后，只要整套系統(tǒng)一進(jìn)入半導(dǎo)體制程就難以被取代。

目前半導(dǎo)體設(shè)備廠商也逐步投入在自家設(shè)備上開發(fā)自制EFEM，主要用來橋接輸送和制程設(shè)備的箱型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，搭載晶圓裝載埠、機(jī)器人和風(fēng)扇濾網(wǎng)。當(dāng)晶圓于輸送過程中，利用FOUP（Front opening Unified Pod，前開放式晶圓傳輸盒）放置于EFEM時，即可由晶圓裝載埠承接，在密封環(huán)境下由機(jī)器人一片片取出晶圓，并自主選擇搭配的機(jī)器人廠商。

黃仲宏表示，目前在半導(dǎo)體機(jī)器人市場，僅次于超潔凈環(huán)境下使用的真空機(jī)器人，便是在無塵室內(nèi)的晶圓搬運(yùn)設(shè)備，基于制程間若搬送距離較長，半導(dǎo)體物料搬運(yùn)系統(tǒng)便會利用采磁浮動力，被半導(dǎo)體封測廠昵稱為空、陸軍的空中走行式搬運(yùn)系統(tǒng)OHT（Overhead Hoist Transfer）、OHS（Over Head Shuttle）、OHCV（Over Head conveyor），以及移動機(jī)器人（Mobile Robot；MR）、潔凈自動化立庫、光罩潔凈立庫等，將這些無塵室自動化產(chǎn)品應(yīng)用在半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)在線，以確保在高速運(yùn)輸同時，可將揚(yáng)塵、震動、噪音等問題降至最小，供應(yīng)廠商以日系大廠Daifuku、Murata Machinery為主。

晶圓搬運(yùn)機(jī)器人則主要用于半導(dǎo)體的前/后段制程，具備高潔凈度、耐震及高精度特色，特別是在半導(dǎo)體組件微小化趨勢下，將更要求潔凈度，主要廠商有KAWASAKI、SANKYO、Genmark、RORZE、JEL、YASKAWA，目前已可看到各家品牌逐漸往后段制程進(jìn)攻。中國臺灣的大銀、均豪、三和技研、東佑達(dá)，也力推晶圓機(jī)器人（Wafer Robot），以爭食后段制程設(shè)備中的自動光學(xué)檢測、洗凈、烘烤等制程設(shè)備。



 
圖3 : 目前在半導(dǎo)體機(jī)器人市場，僅次于超潔凈環(huán)境下使用的真空機(jī)器人，便是在無塵室內(nèi)的晶圓搬運(yùn)設(shè)備，若搬送距離較長，半導(dǎo)體物料搬運(yùn)系統(tǒng)便會利用OHT空中走行式搬運(yùn)系統(tǒng)。（source：static01.nyt.com）

中國臺灣精品出列　搶進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備市場
均豪精密工業(yè)公司董事長陳政興表示，均豪早在多年前，就把技術(shù)能量從占營收60%的面板產(chǎn)業(yè)，轉(zhuǎn)嫁到占30%的半導(dǎo)體，其他則是自動化需求。截至今年，半導(dǎo)體占營收比重已接近45%~50%，預(yù)估明年還會超過5成。

在這三年疫情下有挑戰(zhàn)也有機(jī)會，因?yàn)榘雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)很多投資在中國臺灣，設(shè)備廠就近供應(yīng)、服務(wù)。過去面板出口大陸約超過60%~70%，今年大陸市場的出貨比重降到45％，中國臺灣的營收占比則提升到53%，其他2%在日本。均豪在半導(dǎo)體晶圓級、和自動化物流設(shè)備近年有不錯的斬獲，這一塊訂單穩(wěn)健。

這次獲得中國臺灣精品獎肯定的「濕式蝕刻設(shè)備」，系因應(yīng)G10.5 TFT、G6 LTPS、Mini-LED、Micro-LED、FOPLP等客制化的蝕刻功能與傳送功能要求，和客戶共同開發(fā)完成的新制程蝕刻設(shè)備。本機(jī)在設(shè)計初時，即采用節(jié)能環(huán)保相關(guān)組件，精算稼動電力、藥液、純水、CDA用量、排氣通風(fēng)量等設(shè)計需求量，輔以均豪自行開發(fā)的節(jié)能設(shè)計，提供客戶具有節(jié)能減碳的設(shè)備，落實(shí)配合客戶大廠提供協(xié)助節(jié)能減碳之解決方案。

在功能性方面，主要系統(tǒng)接口與軟件皆為均豪自行設(shè)計與生產(chǎn)制造，建置客制化人機(jī)操作UI接口設(shè)計，提供人員操作的便利性，紀(jì)錄各產(chǎn)品參數(shù)的同時，亦可上傳到客戶端系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計分析。同時結(jié)合AI智能化的運(yùn)算功能，及制程參數(shù)與產(chǎn)品線寬的大數(shù)據(jù)分析，藉由控制制程參數(shù)，進(jìn)行健康診斷指數(shù)的監(jiān)控與分析，在完成最佳的耗用量運(yùn)行設(shè)定的同時，達(dá)到全面預(yù)防故障的目標(biāo)。零組件95%以上均采用臺廠生產(chǎn)，并充分配合政府設(shè)備國產(chǎn)化政策，無論是在創(chuàng)新性、功能性、環(huán)保節(jié)能減碳各面向，均可大幅協(xié)助客戶提升產(chǎn)業(yè)競爭力。

另一家獲得中國臺灣精品銀質(zhì)獎的大銀微系統(tǒng)「奈米定位平臺N2」，為高階直驅(qū)技術(shù)領(lǐng)先品牌，為了滿足檢測奈米等級產(chǎn)品設(shè)備升級，結(jié)合了大銀多項(xiàng)深耕20多年的核心驅(qū)動與控制技術(shù)，透過軟件方案，提升整體設(shè)備精度。

同時透過高剛性均勻?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，搭配減震基材，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、奈米級伺服控制水平，將位置穩(wěn)定度提升至± 2 nm，完美呈現(xiàn)機(jī)、電、軟件高度整合能力，減少非預(yù)期停機(jī)損失。將搭配自動調(diào)適，展現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動控制；擁有完整路徑規(guī)畫功能；以優(yōu)異的性能表現(xiàn)與極具競爭力的成本，滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)設(shè)備升級趨勢，符合更多創(chuàng)新發(fā)展需求，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)設(shè)備的最佳選擇方案。

另有業(yè)者已開始討論將自主移動式機(jī)器人（Automation Mobile Robot：AMR），導(dǎo)入后段制程應(yīng)用的可能性，例如可用來執(zhí)行從OHT到Stocker的搬運(yùn)作業(yè)，若能將每臺AMR單價降至百萬元新臺幣之下，就有可能被嘗試應(yīng)用。

結(jié)語
展望來年，中國臺灣經(jīng)濟(jì)部統(tǒng)計處認(rèn)為，縱使因?yàn)槿蚪?jīng)濟(jì)前景不明，導(dǎo)致今年Q4成長動能趨緩，半導(dǎo)體業(yè)者開始調(diào)整延后部分投資計劃，且?guī)齑嫒セ孕枰稽c(diǎn)時間。但明年表現(xiàn)還要看全球景氣變化，只要上半年庫存去化順利，下半年表現(xiàn)仍可期待。今年半導(dǎo)體設(shè)備仍可望續(xù)保成長，連兩年突破千億元產(chǎn)值。

加上還有行政院會已拍板通過俗稱臺版芯片法案的《產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新條例》第10條之2修正草案助攻，系針對技術(shù)創(chuàng)新且居國際供應(yīng)鏈關(guān)鍵地位公司，提供前瞻創(chuàng)新研發(fā)支出25%抵減當(dāng)年度營所稅額；若購置先進(jìn)制程全新機(jī)器或設(shè)備支出，予5%投資抵減率，且機(jī)器或設(shè)備支出不設(shè)上限。兩者當(dāng)年度抵減上限不得逾30%、合計抵減總額不得逾當(dāng)年應(yīng)繳營所稅額50%。預(yù)計明年元旦上路后，臺積電及聯(lián)發(fā)科等大廠，可望優(yōu)先受惠。

至于全球半導(dǎo)體產(chǎn)值預(yù)估將在2030年突破兆元，已成業(yè)界普遍共識。以往臺制機(jī)器人還寄望能切入中國大陸的半導(dǎo)體制程設(shè)備需求，逐步取代歐、美、日系品牌。但近來則受制于中美貿(mào)易戰(zhàn)持續(xù)，反而不利與陸制設(shè)備競爭，惟期待能藉關(guān)鍵零組件及周邊裝置緩步滲入。同時藉由下而上、以大帶小共塑半導(dǎo)體綠色生態(tài)系。