中國芯片刻蝕機第一人：77歲尹志堯12句話說透芯片制造

作者 |  心緣
編輯 |  漠影
芯東西4月26日報道，上周二，新一期楊瀾訪談錄節(jié)目《逐風(fēng)者》專訪我國半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)的重要領(lǐng)軍人物之一——尹志堯。尹志堯現(xiàn)年77歲，在技術(shù)及產(chǎn)品的開發(fā)中獲得過400多項各國專利，被評價為“硅谷最有成就的華人之一”。至今，全世界超過一半的刻蝕設(shè)備都有他參與領(lǐng)導(dǎo)和開發(fā)的身影。從硅谷歸國的他，人生經(jīng)歷頗有一些傳奇色彩。尹志堯1944年出生于北京，18歲考入中科大化學(xué)物理系，24歲被分配至蘭州煉油廠，36歲獲北大化學(xué)系碩士學(xué)位，后赴美國加州洛杉磯分校攻讀物理化學(xué)博士。2004年，他選擇放棄美國百萬年薪，帶領(lǐng)著15人小團隊，空手回祖國創(chuàng)辦中微公司，專注于研發(fā)芯片制造不可或缺的刻蝕設(shè)備。作為幾代等離子體刻蝕技術(shù)及設(shè)備的主要發(fā)明人和工業(yè)化應(yīng)用的推動者之一，尹志堯曾幫助泛林半導(dǎo)體、應(yīng)用材料成為等離子體刻蝕設(shè)備的領(lǐng)先公司。但當(dāng)中微做出自己的首個刻蝕機產(chǎn)品時，卻被尹志堯的美國老東家告上法庭。因為懷疑中微拿了其商業(yè)機密，美國應(yīng)用材料、科林半導(dǎo)體接連起訴中微專利侵權(quán)，面對國際設(shè)備巨頭屢屢發(fā)難，中微卻從容應(yīng)對，不僅在每一場專利官司中從未敗陣，而且進入了美國出口控制設(shè)備的白名單。經(jīng)過十幾年發(fā)展，如今，中微公司已是全球半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備5大供應(yīng)商之一，截至2020年年底已申請1755項專利。其12英寸高端刻蝕設(shè)備已用于迄今最先進的5nm生產(chǎn)線上；其3nm刻蝕機Alpha原型機的設(shè)計、制造、測試及初步的工藝開發(fā)和評估也已完成。

在最新的訪談中，尹志堯不僅生動地介紹了光刻機、刻蝕機等設(shè)備如何像蓋高樓、剪窗花一樣應(yīng)用于芯片制造，而且分享了他對芯片制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深入見解。他提到投資一條5nm動輒花費100億美元，其中約70%~80%用于采購各種設(shè)備，而研發(fā)高端芯片制造設(shè)備需要投入大量時間和資金。例如全球光刻機老大過去20年花費約1500億人民幣，中微自身過去16年也花費了約20億人民幣。此外，據(jù)其觀察，在芯片制造領(lǐng)域，大陸與國際先進水平間的差距在三代左右，約為5~10年。由于華人對美國集成電路發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，他相信中國集成電路將來必然能達(dá)到世界最先進水平，但從近期來講，必須認(rèn)真對待人才培養(yǎng)、不對稱競爭、資本過熱等問題。同時，尹志堯認(rèn)為，包括美國在內(nèi)，沒有任何一個國家僅憑一國之力就能做出芯片，他相信科技創(chuàng)新的生產(chǎn)力會逐漸促進各國之間的合作。而想發(fā)展國際市場的公司，都應(yīng)確保不涉及專利侵權(quán)、尊重各國出口規(guī)則，避免給國家添麻煩

我們對此次訪談的干貨做了精編，內(nèi)容如下：
近60年，人類微觀加工能力已提升1萬億倍

從手機、電腦、家用電器到出門開車，人們的生活越來越離不開芯片。如果在家里排查一番，多則能找出大概數(shù)百個芯片。據(jù)尹志堯分享，近60年來，隨著數(shù)碼時代、智能時代的發(fā)展，人類將微觀器件面積縮小到原來的1萬億分之一，即微觀加工能力已提升1萬億倍。“相當(dāng)于200萬棟五層的大樓，里面全是電子管，現(xiàn)在縮到一個指甲蓋上去了，這是一個非常奇妙的革命?！币緢蛘f。而通過光刻機、薄膜機、等離子體刻蝕機的芯片制造設(shè)備的組合拳，尹志堯說：“（在一個米粒上）用手工刻，我見過最多的是不到300個字，我們現(xiàn)在可以在米粒上刻1億個字。”
芯片制造如同剪窗花，10000/1頭發(fā)絲上能蓋出五六十層的晶體管微觀大樓

芯片制造流程包括切割晶圓、涂膜、光刻、刻蝕、摻雜、測試等等。其中，光刻技術(shù)、刻蝕技術(shù)、薄膜沉積為主要生產(chǎn)技術(shù)。光刻技術(shù)是一種將圖紙上的芯片電路設(shè)計通過類似照片沖印的技術(shù)印制到硅片上的技術(shù)，而刻蝕技術(shù)主要用于在芯片上進行微觀雕刻。每個線條和深孔的加工精度，如同在人的頭發(fā)絲直徑的幾千萬分之一甚至上萬分之一的面積上，進行有50~60層大樓的“微觀世界”的建設(shè)。尹志堯?qū)⒔ㄔO(shè)其中的每一層，比作剪窗花。剪窗花需要一張紅紙，然后用筆來描圖，再用剪刀將不需要的部分剪掉，就做出來這一層的結(jié)構(gòu)了。光刻機、薄膜機、等離子體刻蝕機正是做類似的事情。薄膜機鋪一層材料，就如剪窗花要有一張紅紙，然后光刻機在上面畫各種花紋，等離子體刻蝕機將不要的東西刻掉。三步缺一不可。其中最重要的是光刻機，如果光刻機畫不出花紋來，等離子體刻蝕機就不知道怎么去刻。這樣一層一層往上蓋，如果做5nm，每一層大概有十幾個步驟，如果要蓋五六十層，需經(jīng)約1000個工藝步驟加工。就這樣，像蓋樓一樣，一層一層將芯片這個復(fù)雜而精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)做了出來。
等離子體刻蝕機16年花費了20億人民幣

一個芯片的制造涉及到50多個學(xué)科知識和技術(shù)、幾百到上千個步驟。建設(shè)一條先進的芯片生產(chǎn)線，需要10大類、300多種細(xì)分設(shè)備，共需要3000多臺各種設(shè)備。這帶來巨大的投資開銷。尹志堯說，要投資一條5nm生產(chǎn)線，大概需投資100億美金，1個月可以生產(chǎn)5萬~6萬片。這100億美金中，70%~80%用于采購各種設(shè)備。工欲善其事，必先利其器。尹志堯舉了兩個例子，一是全球光刻機霸主荷蘭ASML公司，二是中微公司自身。20年前，ASML已經(jīng)是世界最先進的光刻機公司之一，過去20年它花了約200億歐元，相當(dāng)于1500億人民幣。一個已經(jīng)成熟的公司尚且需要花費如此大的開銷，才開發(fā)出新一代EUV（極紫外線）光刻機。做等離子體刻蝕機的中微公司，在過去16年大約花費了20億人民幣，相比光刻機要少，但也已經(jīng)是相當(dāng)多的錢。尹志堯提到高端設(shè)備往往有3個共性特點：一是開發(fā)時間長，少則3年、5年，一般需要7~10年才能做出來的，長則可能10年、20年；二是投資需要幾十億元地投；三是在這個領(lǐng)域里，每一個具體設(shè)備，國際上僅有兩三家能夠做，即高度壟斷，所以它的競爭格局和一般的產(chǎn)業(yè)不一樣的。
國內(nèi)芯片制造與國際先進水平差距：大約三代、5~10年

國內(nèi)芯片制造為何會與國際先進水平存在差距？尹志堯認(rèn)為，這并不是因為中國人科學(xué)技術(shù)能力差，而是因為我國在過去40年改革開放，主要補了第一代工業(yè)革命的課，如今，在高鐵、蓋跨海長橋等基建方面，我們都是世界最好的。但在這40年期間，國外的重點在于智能和數(shù)碼時代的革命，所以我們現(xiàn)在要繼續(xù)直追。而如果沒有基礎(chǔ)工業(yè)的根基，是沒有辦法做芯片的，這是一個客觀原因。我國芯片發(fā)展速度已經(jīng)很快，中低端芯片都做得相當(dāng)不錯，但在高端芯片方面仍受制于國外設(shè)備及技術(shù)，這還需要一段時間才能趕上。據(jù)尹志堯分享，現(xiàn)在國內(nèi)14nm已經(jīng)在生產(chǎn)線上大量生產(chǎn)，7nm開始要進入生產(chǎn)；而國外5nm已經(jīng)量產(chǎn)，3nm大概會在明年進入試生產(chǎn)。因此，我們和國際先進水平的差距大概在三代左右，約為5~10年。而國外正以最快的速度發(fā)展，因此我們必須要加緊趕上去。
拒絕誤傳！中微不做芯片，5nm技術(shù)僅用于刻蝕機

2018年4月，隨著中微已掌握5nm刻蝕技術(shù)的消息發(fā)布，一些媒體跟風(fēng)散播“我國已掌握了5nm芯片工藝，國產(chǎn)芯片的春天到了”之類的消息。此類報道，令尹志堯感到十分驚異。他辟謠說，中微在2018年的確掌握了5nm技術(shù)，但這僅限于刻蝕機，中微公司并不是做芯片的，只是給做芯片的公司提供設(shè)備。對此，他有兩個想法。一是真正在業(yè)界工作的人士，都在努力做一件實事，不斷推進技術(shù)，然后產(chǎn)生的產(chǎn)品能夠回饋給社會，給老百姓用。這本來是一個好事兒，可以去宣傳，但是不要夸大宣傳，而應(yīng)該實事求是地宣傳。另外，他特別希望強調(diào)的是，集成電路是成千上萬的集成努力，不要太過分地突出一個人的作用，任何一個人是做不成任何事情的，只有很多企業(yè)的聯(lián)合作戰(zhàn)，才能將這個產(chǎn)業(yè)推向前進。2017年，許多國家的半導(dǎo)體制造還處在10nm和7nm階段，而四年后的今天，5nm的芯片已投入生產(chǎn)，與此同時，半導(dǎo)體行業(yè)的從業(yè)者們，還在不斷向物理極限發(fā)起挑戰(zhàn)，2nm、1nm……最后的極限還尚未可知。尹志堯認(rèn)為，很難說什么是最后極限，“最后的極限就是原子水平和分子水平的加工。其實我們刻蝕機已經(jīng)刻到一兩個原子這樣的準(zhǔn)確度。”
沒有國家能憑一國之力做出芯片，科技創(chuàng)新定會促進各國合作發(fā)展

尹志堯還特別強調(diào)說，集成電路產(chǎn)業(yè)需要全世界各國和很多公司上下協(xié)同努力才能做出來。“沒有任何一個國家，包括美國在內(nèi)，可以靠自己一國之力，把集成電路從頭做到尾?！?/span>美國雖然是半導(dǎo)體集成電路的發(fā)源地，但是經(jīng)過這四五十年的發(fā)展，美國本土能做的芯片或設(shè)備也是有限的。比如美國現(xiàn)在要在自己本國建一條生產(chǎn)線，尹志堯估計，它有將近一半的設(shè)備和材料要從日本、歐洲和亞洲進口。整個集成電路的技術(shù)是一個很長的生產(chǎn)鏈，沒有任何一個國家可以關(guān)起門來，獨立把它做起來。而且科技創(chuàng)新的生產(chǎn)力，會逐漸地促進各個國家之間的合作。當(dāng)然，最后每一個國家都要有自己獨立自主發(fā)展的戰(zhàn)略。特別是大國，不可能什么都依賴別人。有從芯片設(shè)計到制造、設(shè)備、材料等非常完整的產(chǎn)業(yè)鏈，是有后發(fā)優(yōu)勢的。“我們必須在這個基礎(chǔ)上，進一步地使我們各個產(chǎn)業(yè)上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)能夠有超常的發(fā)展，而且我們有些核心技術(shù)要超過國際上的先進水平，這一點我有非常強的信心?！币緢蛘f。
華人對美國集成電路發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)

尹志堯回憶道，在美國的集成電路歷史上，華人起到了非常關(guān)鍵的作用。1984年，尹志堯到英特爾中心研究開發(fā)部時，第一天就令他感到傻眼。中心研究開發(fā)部有兩個大的部門，一個是單元操作部門，就是光刻機、等離子體刻蝕機、薄膜機能做到什么樣的程度；另一個是工藝集成部門。他當(dāng)時以為這里都是美國人在做，但其實，單元操作部門研究題目組的組長、經(jīng)理絕大部分都是華人，工藝集成部門中幾位最主要的、能干的工程師人員，多數(shù)也是華人。“所以其實華人對美國集成電路歷史的發(fā)展，做出了非常大的貢獻(xiàn)。”尹志堯說。例如，當(dāng)前5nm芯片采用的晶體管結(jié)構(gòu)FinFET，是由華人教授胡正明在20多年前提出來的。在尹志堯看來，之所以華人在美國集成電路的發(fā)展歷程中起了非常大的作用，是因為中國人比較重視數(shù)理化工程，而且有耐心，而做集成電路一定要有耐心。因此，他對中國將來在集成電路能夠達(dá)到世界最先進水平?jīng)]有任何疑問，但是近期來講，我們必須要認(rèn)真對待目前的問題。
中國人才培養(yǎng)需要重視產(chǎn)研結(jié)合，但目前仍未認(rèn)真落實

談及集成電路教育，尹志堯希望加強產(chǎn)研交流。集成電路是多種知識的集成，光是做半導(dǎo)體設(shè)備，就需要50個學(xué)科并用。做集成電路，涉及機械設(shè)計，強電、弱電、軟件設(shè)計、工藝過程、材料科學(xué)等，有太多的知識領(lǐng)域要學(xué)習(xí)。因此他建議業(yè)界技術(shù)專家和高校教授之間有更多的交流，因為學(xué)校教育通常相對滯后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，希望也能請一些業(yè)界的人到學(xué)校做客座教授，或者做一些科學(xué)講演，讓學(xué)生也可以到公司來做實習(xí)。這個互動非常重要，不僅能讓學(xué)生很快就進入這個前沿領(lǐng)域，而且可以引起他們的興趣，產(chǎn)業(yè)、教育和科研之間，一定要想辦法真正找到一個結(jié)合點。
我國芯片制造面臨的主要問題：不對稱競爭

尹志堯認(rèn)為，當(dāng)前我們芯片制造面臨的主要矛盾，在于不對稱競爭。首先是公司規(guī)模的不對稱。比如國外占壟斷地位的公司，它的收入是我國相似公司的20倍，它的研發(fā)投入也是差不多20倍。這就有問題了，如果差了3代、5代，結(jié)果人家的研發(fā)經(jīng)費是我的20倍，那一個公司怎樣單打獨斗能夠盡快趕上去？這是一個非常難的事情。另外是市場準(zhǔn)入的不對稱。例如，國內(nèi)生產(chǎn)線買我們的設(shè)備，是近水樓臺，差不多設(shè)備能用就用了；但要打到國外去，一定要有什么東西比美國日本的設(shè)備更好，不但要好，性價比還要高，甚至要便宜很多，這樣人家才愿意試用你的設(shè)備，門檻是慢慢越來越高的。這里關(guān)鍵最大的問題，還是研發(fā)經(jīng)費的困擾。尹志堯說，特別是公司上市以后，擔(dān)心盈利的問題，但要盈利，唯一的辦法就是砍研發(fā)。“我們的研發(fā)就是把所有的銷售都拿去，100%投入研發(fā)，所以這個問題怎么解決？怎么能夠在這種情況下，不強調(diào)公司的盈利，而是強調(diào)公司研發(fā)的投入、它的增長速度和競爭力？這是我們政策深化改革要研究的課題。”他說道。我們在高端芯片設(shè)計上并不是那么卡脖子，現(xiàn)在關(guān)鍵問題在于制造精度。比如如果拿不到世界最先進的光刻機，那么芯片生產(chǎn)就會受限制。在他看來，我國芯片設(shè)計領(lǐng)域尤其呈現(xiàn)“春秋戰(zhàn)國”之態(tài)勢。工信部統(tǒng)計中國有超過1700家芯片設(shè)計公司，甚至有人說可能要到五六千家，而一家芯片設(shè)計公司只要三五十人，有計算機、設(shè)計軟件，就可以做簡單芯片了。在尹志堯看來，這是一個既好又不好的現(xiàn)象。好的地方在于很熱，大家都希望把它做好；不好的地方就是太多的重復(fù)性勞動，而且互相內(nèi)部的競爭也多，因此他認(rèn)為要做一些宏觀調(diào)控。
芯片類企業(yè)在資本市場熱度過高，需宏觀調(diào)控防止“爛尾”

同時，尹志堯也談到資本過熱現(xiàn)象。資本市場及大眾正越來越認(rèn)識到集成電路產(chǎn)業(yè)的重要，這一領(lǐng)域投資變多，在他看來，這是很好而且非常必要的事情，但也確實需要一定的宏觀調(diào)控，否則有些過熱。“因為中國國家大，只要一動員起來就是熱情很高，就會出現(xiàn)一些問題，現(xiàn)在有一些投資，我們管它講得不好聽，叫爛尾工程，還沒有剛剛啟動到什么程度，就搞不下去或者資金不到位了，或者領(lǐng)導(dǎo)集團沒有形成了等等之類的，效果不是很好。”尹志堯說，“所以我覺得這個方面，需要更多的引導(dǎo)，或者更多頂層設(shè)計，但也要放手讓各省市和這個產(chǎn)業(yè)能做好它自己的事?！?/span>另一點，尹志堯認(rèn)為一個企業(yè)的發(fā)展過程中，最主要的是有一個核心團隊。比如中微公司的核心團隊，很多人都合作了二三十年，所以彼此很了解很團結(jié)，這是非常重要的。“如果一個企業(yè)不是以核心的領(lǐng)導(dǎo)該團隊來驅(qū)動，而是被資本驅(qū)動的時候，就出問題了。因為資本它是有錢，但是外行。如果它來要想控制這個故事的話，這個故事就會出問題?！?/span>尹志堯的諫言就是要重視一個企業(yè)的發(fā)展，一定要培育和支持它領(lǐng)導(dǎo)集團的形成。
全員持股是為了公司更長遠(yuǎn)的發(fā)展

中微公司是全員持股的一個公司，這在其科創(chuàng)板上市時還引發(fā)過一些爭議。對于這一點，尹志堯提到他到硅谷時，非常有幸地首先加入了英特爾，后來到了泛林公司，再后來到了應(yīng)用材料公司，在這3個公司干了20年。“為什么這三個公司能成為世界目前是最好的公司？大家可能不知道里面有一個關(guān)鍵的東西，第一天就是全員持股?！?/span>尹志堯認(rèn)為全員持股的奇妙之處，在于將這個員工管理層長遠(yuǎn)的利益和公司的發(fā)展綁定。如果員工只有工資和獎金，那么如果另外一個公司來挖，給他20%~30%的高薪金，他就走了，他對公司沒有任何的利益相關(guān)，而且甚至?xí)兂稍瓉砉镜母偁幷摺?/span>但是如果有了這個股份，他把自己的利益和公司的長遠(yuǎn)發(fā)展就綁定了，而且按照一般的經(jīng)驗，大概是其股權(quán)的最后收入，是其工資的3倍到5倍。“我們公司剛開始的時候，我就立志一定要做一個全員持股的公司，其實也是為了公司的長遠(yuǎn)發(fā)展，就是每一個級別差20%的股****，而且每一級別的工資差10%，是一個非常扁平的，我叫中微的特色的社會主義集體所有制。”尹志堯說。
美方懷疑中微違反美國專利保護，充分溝通后不但放行，還取消了出口控制

剛回國時，尹志堯帶領(lǐng)的15人小團隊非常謹(jǐn)慎，深知絕不帶任何文件回來，不涉及任何商業(yè)機密，以避免引起法律糾紛。因為走得干干凈凈，當(dāng)時尹志堯他們并沒有引起美國政府的注意，直到三年后，做出刻蝕設(shè)備了，美國老東家懷疑中微拿到了他們的一些商業(yè)機密，將中微告上法庭。自知清白的中微底氣十足，聘請了美國一流的律師，徹查當(dāng)時已有的600萬件文件，確認(rèn)完全沒有對方的文件或技術(shù)機密，最終案件達(dá)成和解。但這些訴訟案引起了美國商務(wù)部的重視，于是尹志堯團隊主動到美國商業(yè)部、國務(wù)院等各部門做溝通，既提到集成電路生產(chǎn)及設(shè)備產(chǎn)業(yè)往亞洲遷移是不可避免的客觀規(guī)律，也承諾從美國回來的人絕對不帶任何的商業(yè)機密材料和細(xì)節(jié)、中微發(fā)明創(chuàng)造的所有產(chǎn)品不能違反任何專利，并承諾保持經(jīng)常溝通、遵守美國所限制的法律。“所以經(jīng)過這樣的充分溝通以后，他們認(rèn)為我們是比較職業(yè)化的而且守法的公司，所以就給我們放行了?！币緢蛘f，后來不但放行了，還讓中微進入終端客戶認(rèn)證名單，也就是美國出口控制設(shè)備的一個白名單，只要申請一次，就能自由采購。再后來，因為中微已經(jīng)做出了有競爭能力并且有相當(dāng)數(shù)量的等離子體刻蝕機，所以美國干脆將此前幾十年對中國刻蝕機的出口控制取消了。尹志堯認(rèn)為，無論是怎樣的公司，只要到達(dá)國際市場，一定要按照國際規(guī)則做事，一方面不能涉及專利侵權(quán)，有自己的專利保護，另一方面要尊重各國對出口的限制和管制，只要在這兩點上不出問題，公司就能安全健康的發(fā)展。各個公司不要因為這些點做得不好，而給國家?guī)砝_。同時，在他看來，相比打?qū)＠麘?zhàn)，用自身實力、更好的設(shè)計、更好的設(shè)備性能才是更好的競爭方式。來源：楊瀾訪談錄逐風(fēng)者