國產(chǎn)芯片設備的現狀、觀(guān)察與思考

來(lái)源：芯聞路1號

據消息稱(chēng)，1月27日美國已與荷蘭和日本達成協(xié)議，限制向中國出口一些先進(jìn)的芯片制造設備。該協(xié)議將把美國 10月份通過(guò)的一些出口管制擴大到這兩個(gè)盟國的公司，包括ASML、尼康和東京電子。

目前，日荷尚未公布出口管制措施的詳細細節，但中國半導體制造廠(chǎng)面臨關(guān)鍵設備即將“斷糧”，這無(wú)疑是對中國半導體行業(yè)乃至整個(gè)信息數字行業(yè)的沉重警鐘。

數字時(shí)代的產(chǎn)業(yè)鏈呈“倒金字塔”結構，最上面是應用層， 如軟件、網(wǎng)絡(luò )、電商、傳媒、AI、VR/AR等，做應用的公司少說(shuō)也有大幾百萬(wàn)家；中間是硬件系統，如計算機系統、網(wǎng)絡(luò )系統、手機、PC等，做電子系統的相對要少一些；再往下就是芯片，芯片廠(chǎng)商比上一層更少，只有幾百家；最下層的塔底，則是設備廠(chǎng)商，全世界制造設備的廠(chǎng)商總也就幾十家，設備廠(chǎng)的重要性由此凸顯。

接下來(lái)，本文將從芯片設備環(huán)節、國內現狀以及一些思考展開(kāi)，試圖一窺國內芯片設備行業(yè)的全貌。?

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芯片設備

芯片的制作涉及50多個(gè)學(xué)科知識和技術(shù)，幾百到上千個(gè)步驟。一般將芯片制造分為七大生產(chǎn)領(lǐng)域，分別是光刻（Photo- lithography）、刻蝕（Etch）、薄膜沉積（Dielectric Deposition）、離子注入（Ion Implant）、化學(xué)機械拋光（CMP）、擴散（Thermal Process）、金屬化（Metalization）等七個(gè)區域，每個(gè)區域所對應的生產(chǎn)設備分別為光刻機、刻蝕機、薄膜設備、離子注入機、CMP設備、高溫爐、電化學(xué)沉積設備等。

一條先進(jìn)的芯片生產(chǎn)線(xiàn)，需要10大類(lèi)，300多種細分設備，共需要3000多臺各種設備。這些設備一類(lèi)是生產(chǎn)設備，另一類(lèi)是檢測設備，本文主要介紹生產(chǎn)設備。

生產(chǎn)設備以光刻為中心，在集成電路制作的過(guò)程中，光刻占據40%-50%的時(shí)間，其余工序圍繞光刻進(jìn)行。在其余工序中，我們又可以分為“加材料設備”和“減材料設備”。

打個(gè)比方，我們將制作芯片比喻為“剪窗花”，加材料設備是窗花紙，光刻機要在窗花紙上刻一些“花紋”，減材料設備像剪刀，遵循光刻機的花紋將多余部分去除，“剪”出想要的形狀。一顆高制程芯片，需要在一片晶圓上，來(lái)來(lái)回回貼50至60層這樣的“窗花”，其精度之高可見(jiàn)一斑。

圖注：數據內容來(lái)源網(wǎng)絡(luò )，芯查查制表

圖注：數據來(lái)源網(wǎng)絡(luò )，芯查查制表

半導體設備領(lǐng)域通常具有三個(gè)特點(diǎn)。其一，研發(fā)時(shí)間長(cháng)，一臺新設備的研發(fā)少則五年，多則十幾年，且需要在產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)中不斷改進(jìn)、優(yōu)化。其二，投資金額大，一條芯片產(chǎn)線(xiàn)70%的投資金額用在購買(mǎi)設備上，如ASML在過(guò)去20年用在設備研發(fā)和優(yōu)化的金額就高達200億歐元。其三，高度壟斷，每個(gè)細分領(lǐng)域的設備廠(chǎng)常常被2-3家壟斷，如ASML的光刻機可謂一騎絕塵，占據全球80%以上的市場(chǎng)份額，尤其是EUV光刻機獨此一家；ATAM在化學(xué)機械拋光和薄膜沉積設備方面處于領(lǐng)先地位；Lam則是全球刻蝕設備的龍頭企業(yè)，與TEL一并占據全球80%的刻蝕設備市場(chǎng)份額。

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國內芯片設備現狀

近年來(lái)，國產(chǎn)半導體設備逐步打入國內市場(chǎng)，去膠設備、CMP設備、清洗設備、刻蝕設備、物理氣相沉積（PVD）設備都已實(shí)現從0到1的突破。中微半導體12英寸刻蝕機已成功用于臺積電5nm生產(chǎn)；北方華創(chuàng )以實(shí)現28nmPVD產(chǎn)業(yè)化，其封裝PVD設備市占率接近70%；盛美的單片清洗機被國內生產(chǎn)線(xiàn)重復采購；中國電科中束流、高能、 特種應用離子注入機已經(jīng)實(shí)現全譜系離子注入機國產(chǎn)化，200mm CMP設備國產(chǎn)市占率達70%；華海清科累計2021年CMP設備出貨量超100臺。

圖注：數據來(lái)源網(wǎng)絡(luò )，芯查查制表

2021年，我國半導體設備銷(xiāo)售收入為385.7億元人民幣，在中國大陸市場(chǎng)占有率為19.6%，全球市場(chǎng)占有率不到5.65%；進(jìn)口金額為170.5億美元（約1150.2億人民幣）。其中，進(jìn)口最多的為等離子干法刻蝕機（1947臺）和化學(xué)氣相沉積設備（CVD，1965臺），而美日荷禁令中頻頻提及的光刻機在2021年進(jìn)口數為406臺。

圖注：中興國際（紹興）、長(cháng)江存儲、華虹宏力晶圓制造、量測、封測設備中標詳情

從上表格可以看出國內半導體設備基本擺脫完全受制于人的局面，但國內設備廠(chǎng)商目前仍然只是“點(diǎn)”的突破，尚未實(shí)現“面”的普及，缺乏成套設備的供應，設備的精度也不夠，只能滿(mǎn)足中低端芯片的生產(chǎn)，難以打入高端芯片生產(chǎn)線(xiàn)。尤其是如光刻機等“卡脖子”等關(guān)鍵設備研發(fā)尚未有明顯進(jìn)展，在實(shí)際產(chǎn)線(xiàn)應用中的國產(chǎn)率基本為0。

針對芯片設備的工藝升級，中微半導體創(chuàng )始人尹志堯曾說(shuō)道：“國內半導體設備廠(chǎng)商想要在全球市場(chǎng)占有一席之地，只能超越，不能追趕。”還是以設備龍頭ASML舉例，2021年上半年，ASML公司的研發(fā)投資為12.572億歐元，同比增長(cháng)13.2%。在EUV光刻機上，ASML繼續投資進(jìn)行光刻機定制化改造，完成NXE3600D機型研發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化上一代光刻機的生產(chǎn)率和穩定性；DUV光刻機方面，ASML已開(kāi)發(fā)出NTX2050i浸潤式光刻機和最新XT860N干式光刻機。此外，ASML斥資持續投入單光束檢測、電子束計量和光學(xué)計量等設備，確保其光刻機多波束檢測設備開(kāi)發(fā)。

除了工藝升級，產(chǎn)線(xiàn)驗證也是國產(chǎn)芯片設備廠(chǎng)商一大難題。產(chǎn)品驗證得到的技術(shù)參數才能最終決定該設備的市場(chǎng)競爭力。芯片設備必須經(jīng)過(guò)大量的工藝試驗和驗證才能發(fā)現問(wèn)題、迭代升級。產(chǎn)線(xiàn)驗證還能提供這批設備產(chǎn)能、 良品率、安全使用時(shí)間、維修、使用壽命等一手數據。畢竟，研發(fā)一臺樣機和能在產(chǎn)線(xiàn)上重復、穩定、安全使用的機器是不一樣的。除了樣機和工藝，還有該設備的售后、市場(chǎng)推廣、客戶(hù)評價(jià)等一系列需要解決的問(wèn)題。此外，設備出廠(chǎng)前要經(jīng)過(guò)馬拉松實(shí)驗以檢測設備穩定性，國際半導體設備大廠(chǎng)基本都有自己的設備驗證線(xiàn)，而國內設備廠(chǎng)基本沒(méi)有，這與多省政府在有關(guān)集成電路發(fā)展文件中提及“支持建設先導線(xiàn)、中試線(xiàn)等混合集成芯片創(chuàng )新平臺”的思路不謀而合。

芯片設備的設計、零件供應也是我國急需攻克的難關(guān)。目前國內大多半導體設備廠(chǎng)的創(chuàng )始人都有國際大廠(chǎng)的工作背景，專(zhuān)利問(wèn)題需要格外注意。零部件方面，相較于國外成熟的芯片設備零部件供應，我國零部件供應鏈尚且在形成當中，核心零部件替代大部分仍依賴(lài)進(jìn)口。核心零部件對于半導體設備穩定性、產(chǎn)能、精度的影響非常大，ASML、ATAM、TEL大多通過(guò)自己的技術(shù)或者并購相關(guān)廠(chǎng)商的方式將關(guān)鍵零部件核心掌握在自己手里。 

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一些思考

國內芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，芯片設計公司最多，用“春秋戰國”來(lái)形容也不為過(guò)，重復性勞動(dòng)、內部競爭比較嚴重。相反，芯片設備公司最少，泱泱大國也不過(guò)寥寥幾十家，我國在設備領(lǐng)域一直比較薄弱，雖然多年來(lái)產(chǎn)學(xué)研政都在通力合作，但遲遲無(wú)法追上國際大廠(chǎng)的腳步。美日荷此次再次對華禁芯片設備，就3-5年來(lái)說(shuō)，對中國市場(chǎng)打擊是比較大的，同理，國內設備領(lǐng)域短期內突破先進(jìn)制程的可能性也不大。

在設備領(lǐng)域，我國和國外的行業(yè)規模是極其不對稱(chēng)的，尤其是國內一些領(lǐng)先設備公司同樣還肩負上市企業(yè)的身份。公司盈利的多少會(huì )影響股價(jià)，想要盈利規模大，就要減少研發(fā)費用；增大研發(fā)費用，相應盈利額就會(huì )減少，是個(gè)兩難的問(wèn)題。而國外的芯片設備廠(chǎng)如上文所說(shuō)，在各自市場(chǎng)領(lǐng)域基本處于壟斷狀態(tài)，研發(fā)費用投入極大，技術(shù)突破速度相對更快。

即使這些設備國內夠用了，是否能打入國際市場(chǎng)也要畫(huà)個(gè)問(wèn)號。技術(shù)壁壘、政治壁壘、法律壁壘等是國內設備廠(chǎng)想要打入國際市場(chǎng)需翻過(guò)的崇山峻嶺。所以，設備領(lǐng)域不能僅僅滿(mǎn)足于追趕，要超越，要有超越常人的優(yōu)勢，質(zhì)量要有，價(jià)格也需實(shí)惠。當然，此話(huà)還為時(shí)尚早，目前先要實(shí)現關(guān)鍵領(lǐng)域設備的突破，形成一條完整、穩定的零部件產(chǎn)業(yè)鏈以應對動(dòng)蕩的國內外市場(chǎng)。

即使不足的地方仍有許多，對于國內半導體設備行業(yè)，我們還是需抱有信心，政府和市場(chǎng)都已看到美方等國對我國芯片行業(yè)窮追猛打的態(tài)度，未來(lái)對于半導體行業(yè)利好政策只多不少，國內市場(chǎng)對國產(chǎn)設備需求將進(jìn)一步擴大，無(wú)論是產(chǎn)業(yè)還是民間，我們都已看到半導體對于國家發(fā)展的重要性，擰成一股繩，鉚足一股勁，我國半導體設備領(lǐng)域終會(huì )突破。

光有信心是不夠的，還需要持之以恒地堅持和等待。堅持，是政府、企業(yè)、學(xué)校要對該行業(yè)源源不斷地投入人力、物力、財力，要始終以關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控為最終目標，以市場(chǎng)為導向開(kāi)發(fā)、優(yōu)化產(chǎn)品。等待，是指對于這個(gè)行業(yè)要有耐心，技術(shù)研發(fā)周期長(cháng)、投資大，不能被資本牽著(zhù)鼻子走，不能急于一時(shí)的成果和利益，芯片投資市場(chǎng)要“降溫”，要“擠泡泡”。

此外，還要加強產(chǎn)學(xué)研方面的合作，雖是老生常談的話(huà)題，但也是急需解決的部分。要以國內高校、科研機構力量為基地，研究結果為“我”所用， 人才定向培養、定向輸送；建立校企合作，盡快搭建學(xué)生動(dòng)手能力、科研能力體系。加快與全球供應鏈的合作，鼓勵留學(xué)生、華人學(xué)成歸國。

ASML CEO彼得·溫寧克對美國近段時(shí)間的所作所為表示：“針對中國半導體領(lǐng)域發(fā)展的各種限制措施，最終只有會(huì )帶來(lái)一個(gè)結果，也就是西方的封鎖將推動(dòng)中國在高端芯片領(lǐng)域的發(fā)展，成功研發(fā)出屬于自己的技術(shù)?！彼^“東方不亮西方亮，黑了南方有北方”，芯片設備限制出口固然有著(zhù)極其不利的影響，但不代表到了沒(méi)有回旋余地的程度。抓緊一切機會(huì )和時(shí)間投入研發(fā)，加快核心技術(shù)突破腳步，韜光養晦，而已經(jīng)領(lǐng)先的領(lǐng)域要繼續鞏固在國際芯片產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈地位，保證中國在國際供應鏈體系中占據重要位置。

對于各種技術(shù)封鎖，毛澤東早在1949年發(fā)表的《別了，司徒雷登》中就給出了答案：“封鎖吧，封鎖十年八年，中國的一切問(wèn)題都解決了。中國人死都不怕，還怕困難嗎？”