半導體搬運設備小兵立大功

觀(guān)諸現今諸多輸送機械應用市場(chǎng)，半導體產(chǎn)業(yè)可說(shuō)是中國臺灣輸送機械及系統整合廠(chǎng)商最夢(mèng)寐以求的場(chǎng)域。尤其是近年來(lái)因應中美科技戰與后疫情時(shí)代，各國分別對于先進(jìn)或成熟制程的芯片戰略性需求水漲船高，也帶動(dòng)新一波刺激投資商機，臺廠(chǎng)對于所需自動(dòng)化搬運設備和晶圓機器人整合需求，則應隨之轉型升級。

如今半導體產(chǎn)業(yè)不僅成為評估一國提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)和附加價(jià)值的關(guān)鍵指針、大國期望能「就近看管」的戰略性產(chǎn)業(yè)，在中國臺灣更有「護國神山」之稱(chēng)。當后疫情時(shí)代，各國正積極強化供應鏈韌性情境下，無(wú)不積極擴充產(chǎn)能、添購設備，帶動(dòng)近年來(lái)全球半導體設備出口成長(cháng)。

根據工研院產(chǎn)科所引用SEMI統計近10年（2020~2021年）數據顯示，除了2011、2015年之外，其他每年設備市場(chǎng)規模皆可達到百億美元以上，2019年甚至比起2018年成長(cháng)達到68%。主因即是當時(shí)業(yè)者正積極投資開(kāi)發(fā)7nm、10nm等先進(jìn)制程，對于半導體設備的市場(chǎng)規模都會(huì )產(chǎn)生正向影響。促使中國臺灣半導體設備產(chǎn)值自2012年之后就逐年成長(cháng)，近10年來(lái)平均年增17.7%；在2021年突破千億元，達到1,186億元之后，還較前年大增33.6%，可望連續兩年突破千億規模。

工研院產(chǎn)科國際所分析師張?chǎng)╃饕仓赋?，目前全球半導體設備市場(chǎng)仍持續成長(cháng)的主因，即在于高效能運算（HPC）應用產(chǎn)品帶動(dòng)制程技術(shù)升級。依SEMI統計，2022年全球共計167座晶圓廠(chǎng)將進(jìn)行產(chǎn)能擴充，設備支出比重將占整體設備支出超過(guò)84%；晶圓代工廠(chǎng)則是設備采購的最大來(lái)源，約占53%，其次是設備業(yè)者的32%。

各階段制程半導體需求未減　帶動(dòng)新一波設備需求
臺廠(chǎng)因受惠于今年上半年車(chē)用電子、高效能運算市場(chǎng)仍屬熱絡(luò )，對于5G、物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)用電子等應用芯片需求強勁。半導體業(yè)者紛紛選擇持續在臺投資高階制程，再藉海外擴廠(chǎng)來(lái)增加產(chǎn)能，帶動(dòng)供應鏈在地化的群聚效應，正吸引國際大廠(chǎng)紛紛前來(lái)投資，也帶動(dòng)新一波半導體設備需求。

目前臺制半導體設備包含生產(chǎn)與檢測兩大類(lèi)，依經(jīng)濟部統計2021年生產(chǎn)設備及零件產(chǎn)值879億元，約占74.1%，比起前一年成長(cháng)42.1%、近5年平均年增25.9%，成為主力成長(cháng)貢獻來(lái)源；去年檢測設備及零件亦年增14.2%、近5年平均年增13.4%。主因則是生產(chǎn)設備廠(chǎng)商近年積極投入研發(fā)制造，持續接獲國內外大廠(chǎng)訂單所致。


 
圖1 : 依中國臺灣經(jīng)濟部統計2021年中國臺灣半導體生產(chǎn)設備及零件產(chǎn)值879億元，約占74.1%，比起前一年成長(cháng)42.1%。（source：中國臺灣經(jīng)濟部統計處）

其中因為在半導體生產(chǎn)在線(xiàn)，使用數字控制自動(dòng)化早已行之有年，可說(shuō)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體的前段制程里，自動(dòng)搬運設備與機器人也在制程串接上發(fā)揮了重大作用。包括經(jīng)過(guò)倉儲系統，搬運晶圓到生產(chǎn)線(xiàn)；在無(wú)塵室內搬運晶圓半成品，銜接到不同制程，或在同一制程內裝/卸除任一裝置；甚至是將已完成的晶圓，搬運到下一個(gè)晶圓檢驗制程等，均可利用自動(dòng)搬運設備或機器人完成。

在美商應用材料（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(chǎng)的半導體設備上，也都會(huì )看到搬運晶圓/片機器人，約有40%應用于蝕刻、36%在沉積、24%在光刻、離子注入、化學(xué)機械研磨、濕法工藝等制程，皆可透過(guò)母公司、當地賣(mài)方或任何獲得授權的第三方廠(chǎng)商來(lái)執行安裝。

另有部份半導體設備或系統整合廠(chǎng)商，為了達到半導體客戶(hù)導入自動(dòng)化需求，多在不影響進(jìn)口設備的原有效能下改機，以貼近提供客制自動(dòng)化技術(shù)與機器人應用。但有別于傳統產(chǎn)業(yè)偏好透過(guò)PLC，進(jìn)行機器人、設備與周邊裝置通過(guò)I/O及緩存器交握，半導體廠(chǎng)更重視坐標交換、機器視覺(jué)和傳感器整合，以及大數據擷取的功能、能否支持SECS/GEM等。透過(guò)導入自動(dòng)化技術(shù)，不僅可用來(lái)提高生產(chǎn)效率、降低人為疏失；因半導體生產(chǎn)作業(yè)流程的標準化，也能讓智慧自動(dòng)化技術(shù)更有發(fā)揮空間。

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

臺廠(chǎng)在半導體后段制程機器人使用最多的，則是由弘塑集團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傳輸機臺的家登、半導體再生晶圓與設備的辛耘等，未來(lái)中國臺灣半導體設備廠(chǎng)商朝向更潔凈的class 1等級邁進(jìn)，則是主流趨勢之一。


 
圖2 : 另有部份半導體設備或系統整合廠(chǎng)商，為了達到半導體客戶(hù)導入自動(dòng)化需求，多在不影響進(jìn)口設備的原有效能下改機，以貼近提供客制自動(dòng)化技術(shù)與機器人應用。（攝影：陳念舜）

半導體設備整合機器人　提供潔凈整機搬運設備
根據工研院產(chǎn)科國際所引用SEMI資料統計，在2020年達到710億美元規模的全球半導體設備市場(chǎng)里，包含晶圓制程、晶圓廠(chǎng)設施和光罩設備、后段組裝、封裝和測試等領(lǐng)域。用于半導體生產(chǎn)的真空機器人（Vacuum Robot）、大氣機器人（Atmosphere Robot）及EFEM、真空傳輸平臺等，皆屬于潔凈室等級機器人。

其中晶圓機器人市場(chǎng)規模約8.1億美元，預估2025年將達10.3億美元?？此普急入m小，但因為要將晶圓（Wafer）制成大小不同的芯片需要許多復雜程，便非常倚賴(lài)自動(dòng)化設備快速且精準將晶圓/片輸送到各個(gè)制程節點(diǎn)，扮演承先啟后的關(guān)鍵角色！

惟若進(jìn)一步分析2020年中國臺灣半導體設備172億美元的市場(chǎng)規模而言，其中會(huì )搭配使用的機器人約占3.1億元，相當于全球市場(chǎng)規模的1/3，也就是說(shuō)全世界每產(chǎn)出3臺晶圓搬運機器人，就可能有1臺用在中國臺灣半導體工廠(chǎng)的制程設備。

工研院產(chǎn)科國際所機械與制造系統研究部經(jīng)理黃仲宏進(jìn)一步指出，其實(shí)在半導體制程設備中所使用的晶圓機器人（Wafer Robot），于移載及傳送晶圓/片的流程里，即具有相當的重要性，扮演半導體設備里的「最佳配角」。并在此基礎上進(jìn)行調查統計，得知2017~2021年間中國臺灣半導體廠(chǎng)前/后段制程所導入的自動(dòng)化搬運輸送設備與數量，且有進(jìn)一步強化整合趨勢：

包括半導體制程設備廠(chǎng)商為了讓自家產(chǎn)品更有競爭力，將會(huì )提供半導體制造商更強化整合功能（Total Solutions）的解決方案，預期將會(huì )有更多國內外半導體設備業(yè)者，會(huì )與晶圓機器人供貨商合作。但由于晶圓機器人在半導體設備業(yè)屬于寡占（Oligopoly）市場(chǎng)，必須要符合運動(dòng)軌跡的高穩定精度、柔順不能頓挫，且在設備內的高潔凈需求，現在只有為少數幾家生產(chǎn)者壟斷，且有「大者恒大」的特色，

此外，現今晶圓機器人制造業(yè)者也不僅止于提供機器人，還會(huì )納入設備前端模塊（Equipment Front End Module；EFEM）、分揀機（Sorter）、對準器（Aligner）成為整機設備，共同出貨予半導體設備廠(chǎng)商，加上銷(xiāo)售服務(wù)后，只要整套系統一進(jìn)入半導體制程就難以被取代。

目前半導體設備廠(chǎng)商也逐步投入在自家設備上開(kāi)發(fā)自制EFEM，主要用來(lái)橋接輸送和制程設備的箱型結構系統，搭載晶圓裝載埠、機器人和風(fēng)扇濾網(wǎng)。當晶圓于輸送過(guò)程中，利用FOUP（Front opening Unified Pod，前開(kāi)放式晶圓傳輸盒）放置于EFEM時(shí)，即可由晶圓裝載埠承接，在密封環(huán)境下由機器人一片片取出晶圓，并自主選擇搭配的機器人廠(chǎng)商。

黃仲宏表示，目前在半導體機器人市場(chǎng)，僅次于超潔凈環(huán)境下使用的真空機器人，便是在無(wú)塵室內的晶圓搬運設備，基于制程間若搬送距離較長(cháng)，半導體物料搬運系統便會(huì )利用采磁浮動(dòng)力，被半導體封測廠(chǎng)昵稱(chēng)為空、陸軍的空中走行式搬運系統OHT（Overhead Hoist Transfer）、OHS（Over Head Shuttle）、OHCV（Over Head conveyor），以及移動(dòng)機器人（Mobile Robot；MR）、潔凈自動(dòng)化立庫、光罩潔凈立庫等，將這些無(wú)塵室自動(dòng)化產(chǎn)品應用在半導體晶圓生產(chǎn)在線(xiàn)，以確保在高速運輸同時(shí)，可將揚塵、震動(dòng)、噪音等問(wèn)題降至最小，供應廠(chǎng)商以日系大廠(chǎng)Daifuku、Murata Machinery為主。

晶圓搬運機器人則主要用于半導體的前/后段制程，具備高潔凈度、耐震及高精度特色，特別是在半導體組件微小化趨勢下，將更要求潔凈度，主要廠(chǎng)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，也力推晶圓機器人（Wafer Robot），以爭食后段制程設備中的自動(dòng)光學(xué)檢測、洗凈、烘烤等制程設備。



 
圖3 : 目前在半導體機器人市場(chǎng)，僅次于超潔凈環(huán)境下使用的真空機器人，便是在無(wú)塵室內的晶圓搬運設備，若搬送距離較長(cháng)，半導體物料搬運系統便會(huì )利用OHT空中走行式搬運系統。（source：static01.nyt.com）

中國臺灣精品出列　搶進(jìn)半導體設備市場(chǎng)
均豪精密工業(yè)公司董事長(cháng)陳政興表示，均豪早在多年前，就把技術(shù)能量從占營(yíng)收60%的面板產(chǎn)業(yè)，轉嫁到占30%的半導體，其他則是自動(dòng)化需求。截至今年，半導體占營(yíng)收比重已接近45%~50%，預估明年還會(huì )超過(guò)5成。

在這三年疫情下有挑戰也有機會(huì )，因為半導體產(chǎn)業(yè)很多投資在中國臺灣，設備廠(chǎng)就近供應、服務(wù)。過(guò)去面板出口大陸約超過(guò)60%~70%，今年大陸市場(chǎng)的出貨比重降到45％，中國臺灣的營(yíng)收占比則提升到53%，其他2%在日本。均豪在半導體晶圓級、和自動(dòng)化物流設備近年有不錯的斬獲，這一塊訂單穩健。

這次獲得中國臺灣精品獎肯定的「濕式蝕刻設備」，系因應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(hù)共同開(kāi)發(fā)完成的新制程蝕刻設備。本機在設計初時(shí)，即采用節能環(huán)保相關(guān)組件，精算稼動(dòng)電力、藥液、純水、CDA用量、排氣通風(fēng)量等設計需求量，輔以均豪自行開(kāi)發(fā)的節能設計，提供客戶(hù)具有節能減碳的設備，落實(shí)配合客戶(hù)大廠(chǎng)提供協(xié)助節能減碳之解決方案。

在功能性方面，主要系統接口與軟件皆為均豪自行設計與生產(chǎn)制造，建置客制化人機操作UI接口設計，提供人員操作的便利性，紀錄各產(chǎn)品參數的同時(shí)，亦可上傳到客戶(hù)端系統進(jìn)行統計分析。同時(shí)結合AI智能化的運算功能，及制程參數與產(chǎn)品線(xiàn)寬的大數據分析，藉由控制制程參數，進(jìn)行健康診斷指數的監控與分析，在完成最佳的耗用量運行設定的同時(shí)，達到全面預防故障的目標。零組件95%以上均采用臺廠(chǎng)生產(chǎn)，并充分配合政府設備國產(chǎn)化政策，無(wú)論是在創(chuàng )新性、功能性、環(huán)保節能減碳各面向，均可大幅協(xié)助客戶(hù)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「奈米定位平臺N2」，為高階直驅技術(shù)領(lǐng)先品牌，為了滿(mǎn)足檢測奈米等級產(chǎn)品設備升級，結合了大銀多項深耕20多年的核心驅動(dòng)與控制技術(shù)，透過(guò)軟件方案，提升整體設備精度。

同時(shí)透過(guò)高剛性均勻對稱(chēng)結構，搭配減震基材，實(shí)現高穩定、奈米級伺服控制水平，將位置穩定度提升至± 2 nm，完美呈現機、電、軟件高度整合能力，減少非預期停機損失。將搭配自動(dòng)調適，展現穩定運動(dòng)控制；擁有完整路徑規畫(huà)功能；以?xún)?yōu)異的性能表現與極具競爭力的成本，滿(mǎn)足半導體產(chǎn)業(yè)設備升級趨勢，符合更多創(chuàng )新發(fā)展需求，成為半導體產(chǎn)業(yè)設備的最佳選擇方案。

另有業(yè)者已開(kāi)始討論將自主移動(dòng)式機器人（Automation Mobile Robot：AMR），導入后段制程應用的可能性，例如可用來(lái)執行從OHT到Stocker的搬運作業(yè)，若能將每臺AMR單價(jià)降至百萬(wàn)元新臺幣之下，就有可能被嘗試應用。

結語(yǔ)
展望來(lái)年，中國臺灣經(jīng)濟部統計處認為，縱使因為全球經(jīng)濟前景不明，導致今年Q4成長(cháng)動(dòng)能趨緩，半導體業(yè)者開(kāi)始調整延后部分投資計劃，且庫存去化仍需一點(diǎn)時(shí)間。但明年表現還要看全球景氣變化，只要上半年庫存去化順利，下半年表現仍可期待。今年半導體設備仍可望續保成長(cháng)，連兩年突破千億元產(chǎn)值。

加上還有行政院會(huì )已拍板通過(guò)俗稱(chēng)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 )新且居國際供應鏈關(guān)鍵地位公司，提供前瞻創(chuàng )新研發(fā)支出25%抵減當年度營(yíng)所稅額；若購置先進(jìn)制程全新機器或設備支出，予5%投資抵減率，且機器或設備支出不設上限。兩者當年度抵減上限不得逾30%、合計抵減總額不得逾當年應繳營(yíng)所稅額50%。預計明年元旦上路后，臺積電及聯(lián)發(fā)科等大廠(chǎng)，可望優(yōu)先受惠。

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