晶片製造「大國重器」背後的九九八十一難

智東西（公眾號：zhidxcom）文 | 韋世瑋

國產化替代已經成為了我國改革開放四十餘年中，引領核心技術產業發展的一面旗幟，也是一場革命。

在這場革命藍圖一隅，半導體產業國產化的這場馬拉松已經衝刺多年，從上游材料設備到中游設計製造，再到下游封測，我國半導體產業鏈各個環節的國產化發展和競爭也異常激烈。

晶圓製造過程的上千道工序中，有三類十分重要的設備，分別為光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備，其設備合計價值占晶圓加工前道總設備近70%，設備性能的高低無疑決定了晶圓製造水平的優劣。

據國際半導體產業協會SEMI統計，2017年按全球晶圓製造設備銷售金額占比類推，刻蝕設備、光刻機、薄膜沉積設備分別占晶圓製造設備價值量約24%、23%和18%。

實際上，歷經20年發展，某些國產之光的代表已在部分領域真正衝進了世界前列。

4月17日，中微半導體發布2019年財報，其5nm刻蝕機已批量供貨台積電，成為繼7nm製程之後，唯一進入台積電5nm產線的大陸本土半導體設備廠商，這代表了我國刻蝕機在提高國產化和全球競爭中的階段性成果。

但與已經沖在全球市場前列的國產刻蝕機相比，我國在的光刻機賽道卻跑得較為緩慢。

現階段，我國光刻機技術已推進至22nm節點，但離商業化還存在一定距離，而國外領先的光刻機已達到5nm EUV（極紫外光刻）水平。

從2000年國內半導體創業第一波浪潮席捲至今，無數晶片設計、製造和封測等企業如雨後春筍拔地而起，而晶圓製造前道設備歷經了20年長跑，各類設備在製程節點發展上卻仍存在較大差距。

究其因，既是技術壁壘的差異化而導致，也有著政策、市場乃至全球競爭的影響。

為了探究我國半導體產業的變化與發展，智東西將目光聚焦於光刻機和刻蝕機兩類最花錢和最容易被「卡脖子」的半導體製造設備，對光刻機和刻蝕機的國產化進程進行深入的調查和研究，試圖摸清國內重要玩家的戰略和打法。

我國光刻機和刻蝕機產業是如何從一片荒蕪慢慢地聚沙成海，在國內或是全球市場中占據一定份額？這兩類設備的國產化進程又經歷了哪些重要關鍵節點？從同一起點賽跑的它們，又為何跑出了如今不一樣的光景？

一、刻蝕機落地5nm賽道，光刻機剛邁入22nm「半隻腳」

實際上，中微半導體早在2018年就宣布已掌握5nm刻蝕機技術，並已通過台積電5nm工藝驗證，將「殺」入台積電的5nm工藝生產線。

據悉，目前台積電的5nm製程工藝也已獲得包括蘋果、高通和華為等重要公司的大量訂單，其中蘋果將採用5nm工藝設計iPhone 12的A14晶片，以及基於A14研發的Mac晶片。

不僅如此，中微半導體在2019年年度報告中透露，其刻蝕設備已取得5nm邏輯晶片、64層3D NAND晶片製造廠商的重複訂單，並在先進客戶驗證成功並實現量產。

這也意味著，我國國產刻蝕機已成功打入全球晶片先進位程產業鏈，且設備水平已和國際前沿技術成功接軌。

相比刻蝕機的衝刺速度，我國的光刻機國產化進程則略顯緩慢。

2018年11月，中科院光電所經過7年研發，成功驗收了「超分辨光刻裝備項目」。

據悉，這是世界上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻裝備，能夠在365nm光源波長下生產22nm工藝晶片。

而在中科院光電所之後，上海微電子在今年4月也宣布實現了22nm光刻機的研發突破，卻並未透露更多信息。

但在22nm工藝國產光刻機的光芒背後，仍存在兩個關鍵問題，一是該技術離商業化落地還較遠，短時間內無法迅速落地並進行生產；二是國外領先光刻機技術已推進至5nm EUV（極紫外）節點，國內外光刻機的技術鴻溝仍然存在。

一面是已經搶先落地商業化的5nm刻蝕機，一面是離產業化還有一定距離的22nm光刻機，兩者國產化進度的巨大差異，實則源於刻蝕與光刻工藝之間的技術壁壘。

我們做個類比，如果將晶片的製造過程比作雕刻，那麼光刻機就像是將雕刻線稿（電路圖）描繪在材料上（晶圓表面）的畫筆，畫筆的精度直接決定了晶片的尺寸和能夠集成的電晶體數；刻蝕機就像是一把雕刻刀，負責剔除線稿中的多餘部分，逐漸呈現出「作品」完整的模樣。

從工序上看，光刻機對解析度、對準精度、曝光方式和光源波長等方面有著極高的要求，涉及精密光學、精密運動、高精度環境控制等多項高尖技術，是晶片製造過程中最複雜和最關鍵的一步。

尤其當工藝推進到EUV技術階段後，光刻還需要全程在真空環境下完成，設備要求進一步提高。

據格羅方德數據，光刻設備約占晶圓生產線設備總成本的27%，同時光刻工藝時間成本占晶片總製造時間的40%至50%。

相比光刻機，刻蝕機在精密定位和環境控制等技術方面的要求較低，更多需要依靠化學反應來對晶圓進行選擇性的腐蝕或剝離，其技術要求和門檻也比光刻機更低。

但不論是國產刻蝕機的迅速發展，還是光刻機的艱難爬坡，作為晶片製造環節中的重要設備，它們的發展無疑是我國半導體產業國產化水平的重要指標之一，同時也是我國半導體產業在相關技術領域突破國外限制，掌握自主核心能力的關鍵。

二、緣起2000年，國產光刻機與刻蝕機的起步

光刻機和刻蝕機的國產化起點，源於我國21世紀初的第一波晶片創業浪潮。

彼時，全球半導體設備市場正步入增速逐漸放緩的階段。

當時，國外刻蝕機市場已經經歷了一番激烈的龍頭角逐激戰，市場占有率第一的寶座已易主泛林半導體，昔日霸主應用材料掉落「神壇」。

但全球刻蝕機市場仍是泛林半導體、應用材料和東京電子三足鼎立的局面。

另一頭全球光刻機市場中，新秀玩家荷蘭ASML正在製程工藝上緊咬日本尼康，並與台積電一同押注「浸沒式光刻」技術，市場份額逐漸升高。

那時的全球光刻機還不是ASML一家獨大，而是和刻蝕設備市場相似，為日本尼康、日本佳能、荷蘭ASML三強爭霸，但ASML已有猛衝市場規模第一之勢。

▲尼康NSR-S631E光刻機

全球市場的激烈紛爭下，我們將目光放回國內半導體設備市場。

21世紀初，我們的光刻機與刻蝕機賽道才剛剛建起。

那時，國內的晶片代工廠商幾乎都是從國外採購生產設備，尤其是先進技術的半導體設備進口仍然受到國外巨頭的嚴格管制，而國內光刻機和刻蝕機技術基礎十分薄弱。

市場環境方面，以信息技術為代表的高新技術和產業正飛速發展，全球亦掀起了一股以信息產業發展為主的綜合國力競爭。

其中，軟體產業和集成電路（IC）產業的發展，已成為這場全球競賽的重要技術基礎與核心。

2000年6月，國務院出台《鼓勵軟體產業和集成電路產業發展的若干政策》，通過鼓勵資金、人才引進、稅收優惠等方式發展IC產業，力爭到2010年使我國IC產業成為世界主要開發和生產基地之一。

與此同時，該政策還希望經過5至10年的發展，我國的IC產品能夠滿足國內市場的大部分需求，並實現一定數量的出口。

這一政策直接催生了一股IC產業創業潮，中興微電子、匯頂科技、兆易創新等一眾企業興起。

其中，在產業鏈上游的半導體製造設備領域，北方華創、上海微電子和中微半導體等公司相繼成立。

歷經十餘年發展，如今匯頂科技、兆易創新已成功在上海證券交易所上市，而北方華創和中微半導體則分別登陸深圳證券交易所、科創板上市。

1、北方華創：已成功研發28nm刻蝕機

成立於2001年的北方華創，前身為七星電子，當時主要布局半導體裝備和精密電子元器件領域，並在2010年以高端IC裝備為主營業務在深圳證券交易所上市。

直到2015年，七星電子與北方微電子開始了為期兩年的重組之旅。

在2017年完成內部業務和資產的整合後，七星電子正式宣布更名為北方華創科技集團股份有限公司，並推出全新品牌「北方華創」。

完成重組後的北方華創擁有了一支50餘人的高端人才隊伍，逐漸在IC製造設備和先進封裝等技術領域加強研發和投入。

北方華創現任董事長、CTO為趙晉榮，曾任北京建中機器廠微電子設備研究所副所長、北京建中機器廠副廠長等職務，並於2014年入選國家百千萬人才工程，2019年被授予「北京學者」稱號。

▲北方華創現任董事長、CTO為趙晉榮

現階段，北方華創的主要業務布局半導體裝備、真空裝備、新能源鋰電裝備及精密元器件等領域，並主要分為電子工藝裝備業務和電子元器件業務兩大塊。

其中，最主要的電子工藝裝備業務在2019年實現了31.91億人民幣的營收，同比增長26.58%。

具體在刻蝕領域，北方華創的刻蝕機技術水平已發展至12英寸90-28nm製程，其14nm工藝設備也已經進入了工藝驗證階段。

據悉，2019年北方華創還宣布募資了20億人民幣，將主要用於7nm和5nm刻蝕機的製造與研發。

2、上海微電子：16年實現90nm光刻機突破

上海微電子的創建緣起2002年，這一年光刻機被正式列入國家863重大科技攻關計劃，重點研發100nm光刻機。

在此背景下，國家科技部和上海市政府共同牽頭，國內多家企業和投資公司投資組建了上海微電子，以承擔國家863計劃項目。

為了在激烈的市場競爭中擁有「造血」能力，上海微電子創始人賀榮明決定在進行100nm光刻機樣機研發的同時，研發另一種能夠在短期內實現產業落地的先進封裝光刻機。

2009年，上海微電子的首台先進封裝光刻機正式交付用戶，並在2012年首次實現海外銷售。

此後，上海微電子逐步在LED光刻機和前道光刻機領域加大研發投入。

2017年，該公司承擔的02重大科技專項「90nm光刻機樣機研製」任務通過了專家組現場測試，並在第二年通過正式驗收。

人才方面，據2019年上半年數據，上海微電子擁有約1150名研發人員，占公司總員工數的76.7%。

同時，截至2018年12月，上海微電子直接持有的各類專利及專利申請已超過2400項。

現階段，上海微電子的主要業務布局已覆蓋半導體設備、泛半導體裝備，以及高端智能裝備，包括IC前道、先進封裝、FPD面板、MEMS和LED等製造領域。

但該公司在先進位程領域仍以90nm光刻機為主，其在今年宣布突破的22nm光刻機距離落地還有較遠距離。

3、中微半導體：先進位程刻蝕設備已打入台積電產線

比北方華創晚了三年，成立於2004年的中微半導體主要涉及晶片前端製造、先進封裝、LED、MEMS製造等半導體設備領域，並在2007年成功研製出首台CCP（容性耦合等離子體）刻蝕設備，成立日本及韓國子公司。

隨後幾年，中微半導體不斷加大對CCP刻蝕設備的研發，持續疊代刻蝕設備技術，並在2018年將工藝推進至5nm領域。

這一系列技術積累亦為中微半導體的成功上市奠定了基礎，2019年7月，中微半導體成功在A股科創板上市。

中微半導體所取得的成就與其創始人、董事長尹志堯息息相關。

博士畢業於加州大學洛杉磯分校的尹志堯曾任職於英特爾、泛林半導體和應用材料公司，擁有二十多年的半導體開發經驗，其個人在半導體領域還擁有超60項技術專利。

▲中微半導體創始人、董事長尹志堯博士

目前，中微半導體主要進行刻蝕設備和MOCVD（金屬有機化學氣相沉積系統）設備的開發，其等離子刻蝕設備覆蓋55nm至5nm製程工藝，其中7nm和5nm高端刻蝕設備已投入台積電生產線使用。

研發方面，2019年中微半導體研發開發支出共4.25億人民幣，占總營收21.81%，同比下降2.84%。

現階段，中微半導體正在研發新一代電容性等離子體刻蝕設備，覆蓋5nm及更先進位程工藝的刻蝕需求和關鍵應用。

中微半導體在5nm刻蝕機領域的重大突破，不僅意味著我國刻蝕設備技術成功於全球半導體先進位程領域接軌，同時亦成為我國刻蝕設備步入國際前列的國產之光。

三、國產光刻機與刻蝕機的「九九八十一難」

對於長期面臨國外技術封鎖，且技術薄弱的國內光刻機和刻蝕機產業來說，想要實現國產化並非一帆風順。

一方面，中國大陸在光刻機和刻蝕機領域的技術基礎薄弱，台灣地區以及西方已開發國家對中國大陸的半導體產品進口實行嚴格的管制，就連在中國大陸建廠，產線都必須比當前的工藝落後至少三代；另一方面，在國內半導體設備廠商想要實現技術突破的同時，也需繞過巨頭們先前留下的層層技術專利，以及美國商務部的各類清單管制。

創業浪潮席捲至2004年，時值60歲高齡的尹志堯毅然放棄了美國的百萬年薪，決定與倪圖強等40多位半導體設備行業的華裔專家先後回國，共同創業。

但成立後，中微半導體也開始面臨三家國際半導體設備巨頭髮起的專利戰，包括應用材料和科林研發在內，最後均以中微半導體的勝訴或雙方和解而告終。

為了限制中微半導體的技術發展，美國商務部曾一度將中微半導體列入商業控制清單。

直到2015年，由於中微半導體已開發並量產具有和美國設備公司同等質量，且數量相當的等離子體刻蝕設備，美國商務部工業安全局才正式將該公司從清單中剔除。

如今，中微半導體的7nm和5nm刻蝕機設備已成功打入台積電的先進位程產線。

與此同時，據2020年3月數據，截至今年2月底，在長江存儲對外公開的中標信息中，中微半導體的刻蝕機中標數量占比15%，僅次於排名第一的泛林半導體。

▲中微半導體工作車間

在國產光刻機的故事中，由國家牽頭成立的上海微電子在發展過程中也同樣受到了阻礙。

「中國現在每年花2000多億美金的外匯去購買晶片。

」上海微電子技術副總監儲兆祥曾談到，如果沒有高端光刻機，那麼中國在高端晶片的製造領域將會受制於人。

在研發光刻機的過程中，曝光系統是光刻機設備的核心，同時也是研發難度最大的環節。

但在2002年，國內並沒有廠商生產高端投影曝光系統，而國際上能夠提供高端投影曝光系統的公司都不約而同地拒絕幫助上海微電子。

一面是尋找供應商屢屢碰壁，一面是幾十億人民幣的研發成本，上海微電子一咬牙，決定自研規曝光系統！於是從2002年至2008年，上海微電子花了六年時間，投入數百人進行研發，從零基礎開始研究，終於在2008年實現應用。

與此同時，上海微電子在研發過程中所需要的特殊材料，則依靠和國內研究所、大學進行合作研發，包括原材料的加工方法和工藝，亦是從一片空白慢慢地摸索出屬於自己的方法。

2018年，上海微電子歷時16年研發的90nm光刻機項目通過國家正式驗收，並持續向65nm、45nm甚至22nm製程推進。

此外，近年來上海微電子的自主創新能力亦不斷提升，截至2018年12月，上海微電子直接持有各類專利及專利申請已超過2400項。

▲上海微電子工作車間

天時、地利、人和，在國內半導體創業浪潮發展的同時，國產光刻機和刻蝕機的發展也迎來了時代給予的發展機會。

在信息技術技術產業發展的推動下，國內對晶片的市場需求亦不斷擴大，智慧型手機等行業的發展對晶片工藝提出了更高要求。

與此同時，國務院於2014年提出了《國家集成電路產業發展推進綱要》。

其中，綱要提到至2020年，我國移動智能終端、網絡通信、雲計算、物聯網、大數據等重點領域IC設計技術達到國際領先水平，16nm及14nm製造工藝實現規模量產，關鍵裝備和材料進入國際採購體系，基本建成技術先進、安全可靠的集成電路產業體系。

如今，我國包括光刻機和刻蝕機的半導體設備實力正迅速加強。

據東興證券發研報數據，2005年我國大陸半導體設備銷售額約13億美元（約人民幣92.09億元），而到2018年已上升至131億美元（約人民幣927.96億元），全球市場占比也從4%增長至20%。

四、國內外研發費用差距大，光刻機國產化仍被「卡脖子」

但國產半導體設備產業的國產化「革命」還尚未成功。

我們將視野放大至全球市場，自2004年ASML和台積電共同研發出193nm浸沒式光刻機後，其市場份額一路飆升，從上世紀80年代的不到10%，增長至2009年的70%，開始常年坐擁光刻機市場的大半壁江山。

2019年，ASML歷時20年研發的EUV光刻機誕生，率先邁入7nm和5nm製程領域，直接奠定了ASML的全球光刻機霸主之位。

至此，日本尼康和日本佳能「暗淡」退居二線，集中生產技術和價值量更低的後道光刻機和面板光刻機，前道光刻機徹底被ASML壟斷。

此時，我國的量產光刻機還在一整代技術鴻溝對岸的60nm製程，22nm工藝也只是堪堪飄過，未能落地，國內外的技術差距將近20年。

而在刻蝕機領域，從上世紀90年代ICP（感應耦合等離子體刻蝕）概念引入後，泛林半導體憑藉主打ICP刻蝕設備逐漸上升，在隨後的十幾年發展中和東京電子一同趕超應用材料。

由於刻蝕機的技術門檻遠小於光刻機，我國刻蝕設備在技術上的追趕已取得明顯成果。

但從全球市場來看，我國刻蝕設備的市場占比仍有非常大的增長空間。

據市場研究數據，2017年泛林半導體的全球市場份額為55%，排名世界第一，而東京電子和應用材料分別以20%和19%位列世界第二、第三，剩下包括中微半導體和北方華創在內的刻蝕設備玩家，市場份額僅為6%。

而這背後的差距，不僅僅是長達數十年的技術經驗差距，還有巨大的資金投入差異。

以ASML為例，該公司每年研發費用投入高達10億歐元（約人民幣76.67元），並還在逐年增長。

據ASML在今年1月公布的2019年Q4及全年財報，其在2020年Q1的研發費用就達到5.5億歐元（約人民幣42.17億元）。

相比之下，中微半導體在2019年年度報告中透露，其2019年的總研發支出約4.25億人民幣，占總營收21.81%；北方華創在2019年年度報告中提到，其2019年總研發支出約11.37億人民幣，占總營收28.03%；而上海微電子研發投入尚未公開。

結語：一次跨度20年的國產化浪潮

回看我國光刻機和刻蝕機的國產化浪潮，這是一個對外突破層層限制封鎖，對內從無到有逐步萌芽與發展的故事，它們幾乎從同一起跑線出發，卻因技術壁壘的差異跑出了兩種不同的光景。

在這場跨度20年的國產化進程中，我們既看到了以尹志堯為代表的創業先鋒，晚年毅然放棄國外高薪待遇回國，帶領國內刻蝕機水平突破先進位程領域；更看到中國作為一名長跑型選手在追趕先進技術領域的信心和決心，將半導體產業提升到國家越來越重要的發展地位，各路政策、資金、人才等資源全力支持。

現階段，我國追趕國際半導體設備巨頭的玩家仍屈指可數。

在光刻機領域有上海微電子一馬當先，在刻蝕機領域則有中微半導體和北方華創雙雙出擊。

但在階段性的成果背後，我們也要看到國內玩家與全球巨頭在技術水平、市場規模上還存在較大差距，而造成這一差距的不僅僅是落後了數十年的技術經驗，也有著巨大的資金投入差異。

未來，我國的光刻機和刻蝕機仍需面對許多挑戰，但經歷20年發展所取得的階段性成果，我們有理由相信在未來，國產光刻機和刻蝕機終將發揮無限的潛力。

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