集成電路裝備：十年生死競速
在浦東張江中芯國際的工廠里，無時無刻不在上演著代表人類最高制造水平的“接力賽”。直徑30厘米的圓形硅晶薄片穿梭在各種極端精密的加工設(shè)備之間，由它們在硅片表面制作出只有發(fā)絲直徑千分之一的溝槽或電路。熱處理、光刻、刻蝕、清洗、沉積……每塊晶圓要晝夜無休地被連續(xù)加工兩個月，經(jīng)過成百上千道工序，最終集成了海量的微小電子器件，經(jīng)切割、封裝，成為信息社會的基石——芯片。
半導體生產(chǎn)設(shè)備和材料，是半導體產(chǎn)品的最上游。據(jù)國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）公布的數(shù)據(jù)顯示，2017年全球半導體設(shè)備商出貨金額達到560億美元，比起上一年大幅增長接近40%，創(chuàng)下歷史新高。相比2016年全球半導體市場3389億美元的銷售額來說，規(guī)模其實并不大。
但在中國國家科技重大專項02專項技術(shù)總師、中科院微電子所所長葉甜春看來，與其他產(chǎn)業(yè)不同，半導體生產(chǎn)設(shè)備和材料并不是IC的配套產(chǎn)業(yè)，相反，而是IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的決定性因素。從上世紀80年代末期開始，半導體設(shè)備企業(yè)開始把工藝能力整合在設(shè)備中，讓用戶買到設(shè)備就能保證使用，并且達到工藝要求，因此有“一代器件，一代設(shè)備”之說。“這個領(lǐng)域的特點是技術(shù)和資金門檻極高，要經(jīng)過漫長的投入期才能看到回報，也可以起到控制他國集成電路發(fā)展速度的作用?！?/span>
集成電路（以下簡稱IC）產(chǎn)業(yè)制高點的競爭，歸根結(jié)底，還是裝備制造業(yè)的競爭。
“IC裝備制造是我國芯片產(chǎn)業(yè)鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)，經(jīng)過20余年的追趕，中國芯片制造領(lǐng)域與世界還有兩代差距?！比~甜春斬釘截鐵地說，“IC制造業(yè)最核心的競爭力還是IC裝備制造。中國IC產(chǎn)業(yè)要想掌握發(fā)展主導權(quán)，IC裝備是必須要解決的問題?！?/span>
這是一場生死競速。
瓜分殆盡的蛋糕
從隨處可見的沙子變成手機、電腦里不斷運算的芯片，魔術(shù)般變化的背后，是復雜且耗時的IC制造過程：上千道工藝，近兩個月的打磨。
據(jù)上海集成電路行業(yè)協(xié)會原副秘書長、高級顧問王龍興介紹，集成電路設(shè)備通常可分為前道工藝設(shè)備（晶圓制造）、后道工藝設(shè)備（封裝與檢測）等。因生產(chǎn)工藝復雜，工序繁多，所以生產(chǎn)過程所需要的設(shè)備種類多樣。其中，在晶圓制造中，共有七大生產(chǎn)區(qū)域，分別是擴散（ThermalProcess）、光刻（Photo-lithography）、刻蝕（Etch）、離子注入（IonImplant）、薄膜生長（DielectricDeposition）、拋光（CMP）、金屬化（Metalization），所對應(yīng)的七大類生產(chǎn)設(shè)備分別為擴散爐、光刻機、刻蝕機、離子注入機、薄膜沉積設(shè)備、化學機械拋光機和清洗機，其中金屬化是把集成電路里的各個元件用金屬導體連接起來，用到的設(shè)備也是薄膜生長設(shè)備。
雖然只有7個區(qū)域，但很多工藝需要反復進行，比如幾乎每個區(qū)域都會用到清洗機，因為生產(chǎn)工藝越來越復雜，幾乎每一兩步就要對硅片清洗一次。
設(shè)備的技術(shù)難度、價值和市場份額是成正比的。從銷售額來看，79%的市場為前端的晶圓處理設(shè)備，封裝和測試設(shè)備分別占7%和9%。在晶圓制造中，由于光刻、刻蝕、沉積等流程在芯片生產(chǎn)過程中不斷循環(huán)往復，是芯片前端加工過程的三大核心技術(shù)，其設(shè)備價值也最高，其中鍍膜設(shè)備、刻蝕設(shè)備、光刻機大約分別占半導體晶圓廠設(shè)備總投資的15%、15%、20-25%。
美國、日本、荷蘭是世界半導體裝備制造的三大強國，分別占據(jù)了全球市場份額的37%、20.6%和13.55%，留給其他國家的“蛋糕”不到30%。2016全球前十大半導體設(shè)備生產(chǎn)商中，只有美日荷三個國家的企業(yè)入圍。美國應(yīng)用材料（AppliedMaterials）、美國科林（LamResearch）、荷蘭阿斯麥爾（ASML）、日本東京電子、美國科磊（KLATencor）位列前五，占據(jù)半導體裝備市場份額的66%。
從各個裝備領(lǐng)域來看，這些企業(yè)也占據(jù)著絕對的主導地位。荷蘭的阿斯麥爾（ASML）占據(jù)了超過70%的高端光刻機市場，營收50.91億美元；在離子注入機上，美國應(yīng)用材料公司占據(jù)了70%市場份額，營收77.37億美元；在涂膠顯影機方面，東京電子占據(jù)90%的市場份額，營收46.81億美元。
相比之下，國內(nèi)IC裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)模要小得多。2016年中國半導體設(shè)備前十強單位占全球的市場份額僅約為2%，銷售收入總計57.33億元，遠低于美國應(yīng)用材料一家企業(yè)的銷售收入，而且主營業(yè)務(wù)其實還是光伏部分。國內(nèi)體量最大的中電科電子裝備和中微半導體，2017年銷售收入均僅為11億元，遠小于國際知名廠商。
和市場份額不相匹配的，是國內(nèi)日益火熱的IC市場。從2014年開始，全球IC制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始向中國大陸轉(zhuǎn)移。中國大陸作為未來全球新增產(chǎn)線的重點區(qū)域，將迎來千億量級的設(shè)備采購。未來一至三年，中國大陸將至少有7條12英寸產(chǎn)線采購設(shè)備，采購金額將達到2000多億元。SEMI預(yù)計2018年我國大陸地區(qū)設(shè)備投資額將達到86億美元，超過中國臺灣地區(qū)，成為第二大半導體裝備市場。
盡管中國大陸半導體投資大增，但中國大陸設(shè)備廠商的供應(yīng)能力卻嚴重不足，特別是缺乏成套設(shè)備的供應(yīng)，“在這個領(lǐng)域，我們處于受制于人的局面。一旦國外停止向我國出口這些裝備產(chǎn)品，中國大陸的集成電路生產(chǎn)線都要停工。”王龍興急切地說。面對巨大的市場需求和歷史性的發(fā)展機遇，中國大陸設(shè)備廠商亟需突破。
一面是巨大的市場藍海，一面是巨頭的虎視眈眈，對國內(nèi)IC裝備產(chǎn)業(yè)而言，既是機遇也是挑戰(zhàn)。
“一臺光刻機相當于一架波音737”
隨著IC行業(yè)納米的加工已接近物理化學的極限，加工的精度接近單個原子的水平，IC裝備產(chǎn)業(yè)也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。
光刻機，就像一臺精密復雜的特殊照相機，是芯片制造中“定義圖形”中最為重要的一種機器。一閃之間，母版上復雜的電路設(shè)計圖形轉(zhuǎn)化為硅片上細微繁密的溝壑紋理。光刻機的主要難點聚焦在準分子光源、光學系統(tǒng)和超精密運動高速工作臺。一臺光刻機有上萬個零部件，在電腦程序的控制下進行復雜協(xié)調(diào)的聯(lián)動，其運動精準程度的誤差不得超過一根頭發(fā)絲的千分之一，這無異于在頭發(fā)上“繡花”！
高端光刻機集精密光學、機械、控制、材料等先進科技和工程技術(shù)于一體，是集成電路裝備中技術(shù)難度最高、價格最昂貴的關(guān)鍵設(shè)備，被稱為人類技術(shù)發(fā)展的制高點和制造工業(yè)“皇冠上的明珠”。相應(yīng)的，其價值也高到難以想象的地步。王龍興感慨地說，在光刻機市場，荷蘭的阿斯麥爾公司一家獨大，掌握著28納米以下的高端光刻機技術(shù)，處于絕對的壟斷地位。一臺40納米的光刻機售價高達3000萬美元，相當于一架波音737飛機，而最先進的極紫外光刻機（EUV）售價高達1.1億美元。
到了20納米工藝制程以下，已經(jīng)沒有能滿足直接生成20納米線寬的光刻機產(chǎn)品，需要用刻蝕機通過多道工藝去除多余的部分。一臺刻蝕機每年要刻百萬萬億個又細又深的接觸孔或者線條，孔底的直徑要準確到幾個納米。一個高端芯片生產(chǎn)出來通常需要經(jīng)過近千道工序，刻蝕機的準確度要達到99.99%才能滿足整個硅片的良品率要求，如果設(shè)備的準確度只能達到99%，那么近千道工序過后，良品率幾乎為零。不到1%的差距，結(jié)果卻是天壤之別。
在IC產(chǎn)業(yè)的百米競賽中，裝備產(chǎn)業(yè)不僅要跑贏自己，還要跑在制造工藝的前面。一般來說，一代設(shè)備的開發(fā)總要超前當代芯片的研發(fā)兩到三年，而超前當代芯片大量生產(chǎn)的三到五年。比如中微半導體開發(fā)的28納米到20納米的ADRIE介質(zhì)刻蝕機，要核準的就是10納米的刻蝕要求。
而對于起步晚了幾十年的國內(nèi)IC裝備產(chǎn)業(yè)來說，這一難度被拉大了無數(shù)倍。2008年，“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”國家科技重大專項（02專項）開始啟動實施，跨出了從0到1的第一步。
但第二步也絕不輕松。一臺設(shè)備從研發(fā)、樣機開始，必須經(jīng)過大量硅片的工藝試驗，才能發(fā)現(xiàn)問題，并進行改型。另外，出廠前還要經(jīng)過馬拉松試驗，測算平均無故障時間等參數(shù)。
產(chǎn)品驗證環(huán)節(jié)，決定了設(shè)備最終的市場競爭力。一位下游企業(yè)的老總曾向王龍興坦言，即使國產(chǎn)設(shè)備性能可以做到和國際巨頭一樣，但他們還是不會輕易使用?！耙驗橘I設(shè)備看重的不只是性能，還有設(shè)備的運行成本。簡單來說，就是生產(chǎn)一個芯片的成本?！蓖觚埮d介紹說，運行成本和多種因素有關(guān)，包括產(chǎn)能、良品率、安全使用時間、維修及使用壽命，這些往往是需要產(chǎn)線驗證和技術(shù)積累的。
事實上，國際巨頭大多有自己的設(shè)備驗證生產(chǎn)線。如美國應(yīng)用材料公司，產(chǎn)線驗證工廠整整占了一個街區(qū)。此外，它還兼并了16個其他領(lǐng)域的設(shè)備企業(yè)，產(chǎn)品線覆蓋光刻機之外幾乎所有的半導體裝備，為其產(chǎn)品驗證提供了極大的便利和條件。
“集成電路是高度國際化的產(chǎn)業(yè)，一定要進入國際市場?！眹H排名第4的中芯國際，2017年的市場份額僅僅只有6%。王龍興表示，如果一個設(shè)備公司沒有進入三星、英特爾和臺積電的大生產(chǎn)線，沒有用在大量芯片生產(chǎn)上，是沒有生存和發(fā)展可能的。但是國際領(lǐng)先的芯片制造公司的門檻極高，且牢牢掌握在頂尖的設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)手里，想要“虎口奪食”，難度極大。
“像是一場戰(zhàn)爭?！被叵肫鹬袊鳬C裝備產(chǎn)業(yè)的艱難發(fā)展史，02專項技術(shù)副總師、上海微系統(tǒng)所所長王曦院士感慨地說。
國家意志的博弈
事實上，IC作為國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展需要克服的不僅僅是技術(shù)本身，還有不對稱的國際競爭環(huán)境，有關(guān)半導體的一切技術(shù)、設(shè)備都受到了嚴格的輸出限制。
在集成電路上我國曾長期受制于人。《瓦森納協(xié)定》是美國等國家為防止高技術(shù)擴散而設(shè)定的管控“腳鐐”，許多集成電路生產(chǎn)線核心裝備就在限制清單中；如果要出口，美方會對交易反復審查，確認符合美國產(chǎn)業(yè)安全利益后才會放行；此后，買方還必須按美方要求作出一些使用上的承諾。
長期以來的技術(shù)封鎖，導致IC裝備產(chǎn)業(yè)日益呈現(xiàn)寡頭壟斷的局面，后來者面臨的是極高的進入門檻、極少的市場份額，以及寡頭們的圍追堵截。僅存的幾個大廠不但可以通過產(chǎn)品打包銷售等手段控制客戶和市場，幾十年的技術(shù)積累，使得大廠可以輕松玩轉(zhuǎn)專利武器，冷不防地給后來者致命打擊。“在這樣的國際競爭環(huán)境中，中國的IC裝備產(chǎn)業(yè)處于全面落后的狀態(tài)。”王龍興感慨說，“中國的IC裝備企業(yè)活下來真不容易！”
研發(fā)投入的差距，是不對稱競爭的重要表現(xiàn)形式。IC產(chǎn)業(yè)素有“碎鈔機”之稱，是當前信息產(chǎn)品制造業(yè)中投資最大的產(chǎn)業(yè)。就設(shè)備行業(yè)而言，從投入到產(chǎn)出至少需要5年，研發(fā)階段所需的資金投入如無底洞，且投資回報風險很大。一臺設(shè)備的研發(fā)投入往往需要幾十上百臺的銷售收入才能覆蓋，一旦產(chǎn)品研發(fā)失敗或沒能進入產(chǎn)線，巨額的研發(fā)投入只能打水漂。半導體設(shè)備開發(fā)周期長，國外龍頭廠商有相當體量的營收支撐后續(xù)的研發(fā)，美國應(yīng)用材料每年的研發(fā)投入高達7-8億美元，這樣的大手筆，對于國內(nèi)處于研發(fā)階段、尚無銷售收入，短期內(nèi)難以獲得一定成果的裝備企業(yè)而言，令人既艷羨又焦慮。
國內(nèi)IC裝備企業(yè)對資金的需求之大不言而喻。2017年7月，上海集成電路裝備材料基金簽約儀式在上海臨港舉行。由此，由100億元設(shè)計業(yè)并購基金、100億元裝備材料業(yè)基金、300億元制造業(yè)基金共同組成的上海500億元集成電路產(chǎn)業(yè)基金完成組建。
在國家02專項的支持下，中國的IC裝備企業(yè)帶著使命從零開始，艱難前行。賽道重點是光刻機這類制造業(yè)中最尖端的技術(shù)，“沿途下蛋”、在生存與使命之間尋找一個支點也好，死磕硬碰、一開始瞄準最尖端的市場也好，無論螺旋前進還是一往無前，沒有人是輕而易舉的。
在這條路上，理想與現(xiàn)實交融，情懷與機遇并存，掌聲與質(zhì)疑同行。在這里，他們都是英雄。
浴血奮戰(zhàn)十年，國內(nèi)的關(guān)鍵裝備產(chǎn)品終于實現(xiàn)重大突破，實現(xiàn)了從無到有，建立了中國IC裝備技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系。北京中電科電子裝備目前是國內(nèi)唯一一家集研發(fā)、制造、服務(wù)于一體的離子注入機供應(yīng)商，自主研發(fā)的200mmCMP商用機也完成內(nèi)部測試，正在進行上線驗證。
上海微電子裝備的90納米“沉浸式光刻機”2017年10月通過國家專項現(xiàn)場驗收測試，實現(xiàn)國產(chǎn)高端光刻機零的突破；先進封裝光刻機已出貨40余臺，占國內(nèi)先進封裝光刻機的80%市場份額。中微半導體MOCVD設(shè)備進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，2017年實現(xiàn)銷售訂單200臺，設(shè)備發(fā)貨106臺，占據(jù)國內(nèi)市場60%的份額，位居全球第一；其7納米的介質(zhì)刻蝕設(shè)備進入臺積電全球五大供應(yīng)商之一。盛美半導體自主開發(fā)的12英寸單晶圓片清洗設(shè)備在多個客戶端45-22納米技術(shù)的產(chǎn)線上大規(guī)模應(yīng)用……
但不可否認的是，國內(nèi)IC裝備產(chǎn)業(yè)取得的只是“點”上的突破，還面臨成套性較差、穩(wěn)定性不一、高端設(shè)備缺位等眾多難題?！敖鉀Q了有無的問題，下一階段要解決做大做強的問題?！痹谌~甜春看來，中國IC裝備產(chǎn)業(yè)正在尋找一條新的出路。
集成電路進口替代迫在眉睫，2018年國內(nèi)有望迎來裝機大戰(zhàn)，占集成電路制造投資比例最高的生產(chǎn)設(shè)備的“煉金術(shù)”也將更受矚目。中國電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會副秘書長金存忠認為，在新建集成電路生產(chǎn)線推動下，2018年-2020年國產(chǎn)集成電路設(shè)備銷售的年均增長率將超過15%。到2020年銷售額將達到50億元左右。
“未來，我們希望培育若干具有國際競爭力的龍頭企業(yè)?！蓖蹶卣f，下一步打算依托落戶臨港的裝備產(chǎn)業(yè)基金，按照“基金+基地”的模式，整合一批小而散的國內(nèi)裝備材料企業(yè)，抓住下游廠商增線擴產(chǎn)的有利契機，圍繞國內(nèi)薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵領(lǐng)域，在關(guān)鍵細分領(lǐng)域培育若干具有全球影響力的裝備材料企業(yè)，帶動我國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的整體躍升。
前路艱險，但未來可期。
來源:科Way
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