逆風(fēng)十年，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備曙光初現(xiàn)

2015年2月，美國商務(wù)部悄悄更新了一則聲明，五千多個單詞重點講了一件事：取消向中國出口等離子刻蝕機(jī)的限制。

國人對半導(dǎo)體設(shè)備禁令的印象，大多始于2019年聲勢浩大的科技戰(zhàn)，但早在互聯(lián)網(wǎng)還沒有記憶的1996年，美國就集結(jié)了“巴統(tǒng)” 17國在內(nèi)的33個國家，以《瓦森納協(xié)定》的形式確定了密不透風(fēng)的技術(shù)出口管控。

協(xié)定的3.B條款嚴(yán)格限制了芯片制造前、中、后道幾乎所有核心設(shè)備，其中就包括刻蝕機(jī)。

2015年的聲明是美國迄今唯一一次“讓步”，原因也很樸實： “有一家非美國公司已經(jīng)有能力供應(yīng)足夠數(shù)量和同等質(zhì)量的刻蝕機(jī)。”

美國商務(wù)部的解除限制證明

這家“非美國公司”名叫中微公司，創(chuàng)始人尹志堯是應(yīng)用材料（AMAT）的刻蝕機(jī)事業(yè)部的一把手，后者是美國乃至全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備公司。

2003年，尹志堯代表應(yīng)用材料來中國參展，遇到高中校友江上舟。江上舟可謂上海半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“總設(shè)計師”，主導(dǎo)了大批在美國工作的華人工程師回國創(chuàng)業(yè)，上一個被江上舟請到上海的就是張汝京創(chuàng)辦的中芯國際。

應(yīng)用材料在展會上公開了其刻蝕機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造，江上舟忍不住對尹志堯感嘆道： “看來造刻蝕機(jī)比造原子彈還復(fù)雜。”

一年后，中微公司落戶上海金橋，成立第三年量產(chǎn)首款刻蝕機(jī)，第七年實現(xiàn)45nm介質(zhì)刻蝕機(jī)的國產(chǎn)突破，成為臺積電5nm產(chǎn)線上唯一一家中國大陸刻蝕機(jī)供應(yīng)商。

同一時期，國內(nèi)規(guī)模最大的半導(dǎo)體設(shè)備公司北方華創(chuàng)在北京成立，由七星電子與北方微電子重組合并而來。其中七星電子的歷史可以追溯到蘇聯(lián)援建時期，開發(fā)過中國第一臺擴(kuò)散爐和等離子刻蝕機(jī)，繼承了上個世紀(jì)中國半導(dǎo)體設(shè)備開發(fā)的幾乎全部遺產(chǎn)。

在“卡脖子”這個詞還沒普及的年代，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備已經(jīng)開始在逆風(fēng)中疾行了。

權(quán)力與秩序

2023年，光刻機(jī)生產(chǎn)商ASML問鼎全球最大半導(dǎo)體設(shè)備制造商，蟬聯(lián)榜一大哥三十年的應(yīng)用材料淪為背景板。

經(jīng)歷多年科技戰(zhàn)，光刻機(jī)已然成為“卡脖子”這一概念具體的表征。但作為人類迄今為止最復(fù)雜的工程，芯片制造的工序和環(huán)節(jié)極端復(fù)雜。一般來說，半導(dǎo)體制造有光刻、刻蝕、薄膜沉積“三大主設(shè)備”的說法，三種設(shè)備占據(jù)整個市場六成以上的份額。

通俗來說，一顆芯片并不是被“光刻”出來的，而是“刻蝕”出來的。拿刻印章類比，光刻類似在印章上畫好草圖，刻蝕會把光刻標(biāo)記的草圖，通過物理或化學(xué)方法去除，類似用刀具刻出具體的圖案。

芯片制造的原理并不復(fù)雜，但高端制造業(yè)的核心在于對精度和誤差的控制。生產(chǎn)1厘米直徑的鋼管和生產(chǎn)1.00001厘米直徑的鋼管，后者的難度與利潤比前者大上百倍千倍。

一塊硅晶圓變成芯片，所有的流程精度都在納米計量的區(qū)間游走，工匠精神含量遠(yuǎn)非搓壽司能望其項背。與光刻機(jī)類似，全球刻蝕設(shè)備由泛林、應(yīng)用材料和東京電子分而治之，三者幾乎壟斷了整個市場。

相比之下，薄膜沉積設(shè)備奮起多年，國產(chǎn)化率尚且爬升到35%，刻蝕機(jī)在20%徘徊，光刻機(jī)甚至不到3%。

芯片制程會跟隨摩爾定律進(jìn)步，但生產(chǎn)芯片的設(shè)備卻不受摩爾定律支配，很容易形成強(qiáng)者恒強(qiáng)的局面。因此，美國制造業(yè)雖然日常衰落，但在半導(dǎo)體設(shè)備市場，美國公司都快站不下了。

另一方面，芯片制造是一個非常年輕的產(chǎn)業(yè)，在各個半導(dǎo)體設(shè)備公司不斷出清整合的過程中，幸存者所積累的Know How會成為某種意義上的“標(biāo)準(zhǔn)”，進(jìn)一步提高了后來者的入場門檻。

俗話說“一流企業(yè)做標(biāo)準(zhǔn)”，但標(biāo)準(zhǔn)并不是被“制定”出來的，而是在漫長的市場競爭中不斷磨合推敲，最終成為行業(yè)心照不宣的標(biāo)準(zhǔn)。

上世紀(jì)90年代，伴隨電子設(shè)備小型化和消費電子市場的繁榮，芯片制造開始從垂直整合走向水平分工。

當(dāng)芯片公司不斷將生產(chǎn)環(huán)節(jié)外包出去，芯片制造流程不斷標(biāo)準(zhǔn)化，上游的設(shè)備制造商被動或主動地參與了標(biāo)準(zhǔn)的確立。

ASML創(chuàng)辦于1984年，光刻機(jī)已經(jīng)在美日廠商之間打了個來回。尼康的首臺商用步進(jìn)式光刻機(jī)NSR-1010G與“銷冠”GCA的DSW-4800針尖對麥芒，市場份額開始平起平坐。

上圖NSR-1010G，下圖DSW-4800

泛林80年代初發(fā)明了等離子刻蝕機(jī)，確立了刻蝕機(jī)的頭把交椅；應(yīng)用材料憑借劃時代的CVD（化學(xué)氣象沉積）Precision 5000和PVD（物理氣相沉積）Endura 5500，在薄膜沉積一統(tǒng)江湖。

這個過程中，設(shè)備生產(chǎn)商會根據(jù)晶圓廠的生產(chǎn)方法確定投資方向，晶圓廠也會自發(fā)依照生產(chǎn)設(shè)備調(diào)整生產(chǎn)流程，大家心照不宣的“標(biāo)準(zhǔn)”就會逐漸形成。基于標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)綁定關(guān)系，是一堵密不透風(fēng)的幕墻。

因此，半導(dǎo)體“后進(jìn)國”很容易淪為買票進(jìn)場的看客，直接引進(jìn)國外設(shè)備變成建立芯片產(chǎn)線最具性價比的方案，但也會為前者澆筑越來越厚的技術(shù)壁壘。

如果上不去牌桌，贏錢就是空談。

關(guān)關(guān)難過關(guān)關(guān)過

每個壟斷市場的設(shè)備巨頭的背后，都對應(yīng)著一個擁有絕對話語權(quán)的供應(yīng)鏈帝國。

2012年，ASML拿出一半的營收，收購了一家名叫Cymer的美國公司。后者是ASML的光源供應(yīng)商——通過每秒5萬次二氧化碳激光轟擊液態(tài)錫，產(chǎn)生強(qiáng)度足夠大的EUV光源，通過多次鏡面反射，在晶圓上刻畫電路。這是美國限制EUV光刻機(jī)出口的技術(shù)源頭。

2016年，ASML再接再厲，收購鏡片供應(yīng)商蔡司25%的股權(quán)。后者為ASML提供的鏡片是地球上最光滑的東西，負(fù)責(zé)為光源創(chuàng)造光路。

High-NA EUV光刻機(jī)鏡片，蔡司將其形容為“世界上最精確的鏡子”，圖片來源：蔡司

通過類似“讓利、共同研發(fā)、獨家供應(yīng)”三板斧[4]，ASML將一家家零部件供應(yīng)商綁上戰(zhàn)船。時至今日，ASML EUV光刻機(jī)零部件個數(shù)已經(jīng)超過了10萬，背后是5100多個供應(yīng)商。

中微公司第一款刻蝕機(jī)的設(shè)計在2004年就已定稿，但尹智堯發(fā)現(xiàn)，量產(chǎn)的最大困難在于找不到趁手的零部件供應(yīng)商[1]。

當(dāng)時，中微刻蝕機(jī)采用了兩個反應(yīng)臺同時加工的設(shè)計，刻蝕效率成倍提高，但這種設(shè)計意味著必須對零部件進(jìn)行重新設(shè)計，問題由此產(chǎn)生。

一是經(jīng)過漫長的整合，供應(yīng)商與設(shè)備生產(chǎn)商往往緊密綁定，類似ASML與Cymer的關(guān)系。這也是眾多“后進(jìn)生”遇到的共同問題：供應(yīng)商都與設(shè)備生產(chǎn)商緊密綁定，封死了后來者的路徑。

二是即便供應(yīng)上不受限制，也天然缺乏參與意愿。半導(dǎo)體設(shè)備市場高度集中，一家供應(yīng)商很可能90%的產(chǎn)品都對應(yīng)一個客戶。在這種情況下，供應(yīng)商為新客戶定制零部件，在商業(yè)上存在極大的不確定性。

2007年，中微的首臺刻蝕機(jī)歷時三年終于量產(chǎn)，但直到2023年，也尚未實現(xiàn)零部件100%的國產(chǎn)化。

供應(yīng)鏈問題還沒解決完，還得應(yīng)付另一座大山壓頂：專利。

中微的首臺刻蝕機(jī)量產(chǎn)后，很快收到了來自“前同事”們的問候。應(yīng)用材料、泛林先后向中微提起專利訴訟。雖然因為尹志堯提前做了準(zhǔn)備，最終兩起訴訟分別以證據(jù)不足和專利無效結(jié)案[1]。但中微并非毫發(fā)無傷。

與應(yīng)用材料的訴訟歷時兩年半，律師費就高達(dá)2500萬美元[2]；泛林?jǐn)≡V后又上訴，前后糾纏整整七年。緊接著又陷入和Veeco關(guān)于石墨盤的專利糾紛。尹智堯后來坦言，相對于勝訴的欣喜，感受到更多的是壓力。

有備而來的公司是少數(shù)，死于專利擠兌的是多數(shù)。追逐者們即使排除萬難量產(chǎn)了產(chǎn)品，大部分都會倒在這里，不是被賠款壓破了產(chǎn)，就是打不過就加入——被巨頭收購。

最后一個難關(guān)是說服芯片制造商“試試”。設(shè)備關(guān)系到產(chǎn)線良率和單顆芯片成本，是芯片制造商的生殺線，因此在設(shè)備的選擇上沒有感情全是技術(shù)，講了技術(shù)還得論可靠和穩(wěn)定性。

然而，當(dāng)“斷供”的屠刀襲來，一切標(biāo)準(zhǔn)都得從長計議。

遲到的禁令

2021年，全球半導(dǎo)體設(shè)備Top10迎來一位新面孔——韓國公司SEMES。

SEMES異軍突起的核心因素是日本的制裁：2019年，日本宣布限制向韓國出口光刻膠等芯片制造核心材料，設(shè)備雖然不在打擊范圍內(nèi)，但不足20%的國產(chǎn)化率，成為韓國人的心腹大患。

此后三年，韓國巨頭開始緊急補(bǔ)課。以三星為代表，通過存儲芯片龐大的產(chǎn)能扶持本土設(shè)備廠，輻射范圍從CVD、測試機(jī)、清洗機(jī)到供氣系統(tǒng)、刻蝕機(jī)用的真空泵[5]。SEMES作為三星的全資子公司，自然是訂單管飽。

將SEMES的營收堆進(jìn)Top10的訂單大多來自清洗機(jī)——一個僅占據(jù)整體市場5%的偏門領(lǐng)域。但三星壟斷全球的存儲芯片產(chǎn)能，硬生生催熟了SEMES的技術(shù)水平。

正在清洗晶圓的清洗機(jī)；圖片來源：TDK

一年后，相似的劇情在中國上演。三大刻蝕設(shè)備生產(chǎn)商連夜將設(shè)備撤出中國工廠，恐慌情緒開始蔓延。這種情況下，沒有被制裁的企業(yè)，也會形成一種“早晚被制裁”的預(yù)期，從而動力尋求備選方案。

同時，迅速增長的芯片產(chǎn)能，恰好給國產(chǎn)設(shè)備提供了參與市場驗證的空間。

一條先進(jìn)制程產(chǎn)線，設(shè)備并不一定全得先進(jìn)。被應(yīng)用在多個步驟的刻蝕機(jī)，根據(jù)刻蝕對象（硅、金屬等）、線寬、厚度的不同，對設(shè)備的要求存在很大差異。一條14nm的產(chǎn)線可以與28nm產(chǎn)線共用一部分設(shè)備，這就給國產(chǎn)替代留出了空間。

而長周期的驗證過程，在代工廠“時間緊、任務(wù)重”的產(chǎn)能規(guī)劃面前，也變得不再難以逾越。截至2023年底，中國大陸在建12英寸晶圓廠24座，規(guī)劃興建或改造13座[7]；據(jù)SEMI，2024年全球有42座晶圓廠投產(chǎn)，中國大陸占了其中18個。

耐人尋味的是，“撤離中國工廠”后，涉事三巨頭在中國大陸的營收占比不降反增，普遍從30%左右增長到如今的40%以上，ASML和東京電子甚至直逼50%。

競爭對手的武器從封鎖變成了傾銷，不失為一種褒獎。

而在高端沉積設(shè)備ALD（原子層沉積）的追趕上，國內(nèi)設(shè)備公司也取得了不錯的進(jìn)展。ALD的特點是將材料以單層原子的形式，一層一層沉積在襯底表面，在28nm以下制程不可或缺。

2022年，微導(dǎo)納米宣布量產(chǎn)國內(nèi)第一臺High-K ALD，并應(yīng)用于國內(nèi)某代工廠28nm產(chǎn)線。2024年，北方華創(chuàng)一口氣推出三款A(yù)LD。直到去年9月，美國政府開始將ALD視為重點打擊對象，但顯然為時已晚。

時至今日，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備在全球市場的份額仍然以個位數(shù)計量，諸多設(shè)備種類的國產(chǎn)化率依然還處于偏低水平。

但看似微小的突破，在二十年前也被視作難以逾越的高山。

尾聲

2021年，時任ASML總裁溫寧克被問及地緣政治對中國自主設(shè)備的影響，他表示： “物理規(guī)則是一樣的，封鎖只會加速中國自主研發(fā)的速度。”

半導(dǎo)體設(shè)備雖然是一個先發(fā)者壟斷的市場，但它同時也是一個極端成熟的市場。市場規(guī)模、工藝流程、技術(shù)原理與技術(shù)實現(xiàn)路徑都非常確定，能限制后發(fā)者的不是政府文件，而是物理學(xué)。

人工智能這類前沿技術(shù)，反倒處處彌漫著“戰(zhàn)爭迷霧”，因為其技術(shù)發(fā)展路線、應(yīng)用落地方向、市場規(guī)模與投資回報率都不甚清晰，市場參與者反而需要面對極大的不確定性。

另一方面，芯片制造的分工極端復(fù)雜，各個環(huán)節(jié)相互依存，彼此依賴。這也是為什么江上舟會說， “我們不一定要樣樣精通，只要有幾樣走在國外前面，就可以走出我們的發(fā)展道路。”

可惜江上舟在2011年因癌癥辭世，并未看到自己播撒的種子在夾縫中生長萌芽。去年7月，80歲的尹志堯做客央視節(jié)目[9]，依然保持著樂觀： “我并沒有看到技術(shù)上有越不過去的坎。”

參考資料

[1] 年輕的挑戰(zhàn)者：中微公司的天時、地利、人和，橙子不糊涂

[2] 專訪中微公司創(chuàng)始人、董事長尹志堯：花甲再創(chuàng)業(yè)，只為不再“芯”痛，上財商學(xué)評論

[3] 光刻巨人：ASML崛起之路，瑞尼·雷吉梅克/金捷幡譯

[4] 光刻機(jī)之戰(zhàn)，尼康輸給ASML的真相解析，Monoist

[5] 日本“斷供”兩年后，三星猛砸3800億，布局14家半導(dǎo)體設(shè)備和材料公司，芯東西

[6] 美系半導(dǎo)體設(shè)備廠商撤離中國，工程師“連客戶電話都不能接！”電子工程專輯

[7] 2023年中國晶圓制造產(chǎn)線和產(chǎn)能情況，芯思想研究院

[8] 未曾忘卻的記憶：回旋在酒仙橋地區(qū)的集成電路夢，朱貽瑋

[9] 中微公司尹志堯：從設(shè)備角度我沒看到瓶頸，技術(shù)上沒啥過不去的坎兒，央廣網(wǎng)

編輯：李墨天

視覺設(shè)計：疏睿

責(zé)任編輯：李墨天