國產(chǎn)芯片設(shè)備的現(xiàn)狀、觀察與思考

來源：芯聞路1號(hào)

據(jù)消息稱，1月27日美國已與荷蘭和日本達(dá)成協(xié)議，限制向中國出口一些先進(jìn)的芯片制造設(shè)備。該協(xié)議將把美國 10月份通過的一些出口管制擴(kuò)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(xì)細(xì)節(jié)，但中國半導(dǎo)體制造廠面臨關(guān)鍵設(shè)備即將“斷糧”，這無疑是對(duì)中國半導(dǎo)體行業(yè)乃至整個(gè)信息數(shù)字行業(yè)的沉重警鐘。

數(shù)字時(shí)代的產(chǎn)業(yè)鏈呈“倒金字塔”結(jié)構(gòu)，最上面是應(yīng)用層， 如軟件、網(wǎng)絡(luò)、電商、傳媒、AI、VR/AR等，做應(yīng)用的公司少說也有大幾百萬家；中間是硬件系統(tǒng)，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、手機(jī)、PC等，做電子系統(tǒng)的相對(duì)要少一些；再往下就是芯片，芯片廠商比上一層更少，只有幾百家；最下層的塔底，則是設(shè)備廠商，全世界制造設(shè)備的廠商總也就幾十家，設(shè)備廠的重要性由此凸顯。

接下來，本文將從芯片設(shè)備環(huán)節(jié)、國內(nèi)現(xiàn)狀以及一些思考展開，試圖一窺國內(nèi)芯片設(shè)備行業(yè)的全貌。?

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芯片設(shè)備

芯片的制作涉及50多個(gè)學(xué)科知識(shí)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(jī)械拋光（CMP）、擴(kuò)散（Thermal Process）、金屬化（Metalization）等七個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備分別為光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜設(shè)備、離子注入機(jī)、CMP設(shè)備、高溫爐、電化學(xué)沉積設(shè)備等。

一條先進(jìn)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(tái)各種設(shè)備。這些設(shè)備一類是生產(chǎn)設(shè)備，另一類是檢測(cè)設(shè)備，本文主要介紹生產(chǎn)設(shè)備。

生產(chǎn)設(shè)備以光刻為中心，在集成電路制作的過程中，光刻占據(jù)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(shè)備”和“減材料設(shè)備”。

打個(gè)比方，我們將制作芯片比喻為“剪窗花”，加材料設(shè)備是窗花紙，光刻機(jī)要在窗花紙上刻一些“花紋”，減材料設(shè)備像剪刀，遵循光刻機(jī)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，來來回回貼50至60層這樣的“窗花”，其精度之高可見一斑。

圖注：數(shù)據(jù)內(nèi)容來源網(wǎng)絡(luò)，芯查查制表

圖注：數(shù)據(jù)來源網(wǎng)絡(luò)，芯查查制表

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

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國內(nèi)芯片設(shè)備現(xiàn)狀

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

圖注：數(shù)據(jù)來源網(wǎng)絡(luò)，芯查查制表

2021年，我國半導(dǎo)體設(shè)備銷售收入為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(jī)（1947臺(tái)）和化學(xué)氣相沉積設(shè)備（CVD，1965臺(tái)），而美日荷禁令中頻頻提及的光刻機(jī)在2021年進(jìn)口數(shù)為406臺(tái)。

圖注：中興國際（紹興）、長江存儲(chǔ)、華虹宏力晶圓制造、量測(cè)、封測(cè)設(shè)備中標(biāo)詳情

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

針對(duì)芯片設(shè)備的工藝升級(jí)，中微半導(dǎo)體創(chuàng)始人尹志堯曾說道：“國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備廠商想要在全球市場(chǎng)占有一席之地，只能超越，不能追趕。”還是以設(shè)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13.2%。在EUV光刻機(jī)上，ASML繼續(xù)投資進(jìn)行光刻機(jī)定制化改造，完成NXE3600D機(jī)型研發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化上一代光刻機(jī)的生產(chǎn)率和穩(wěn)定性；DUV光刻機(jī)方面，ASML已開發(fā)出NTX2050i浸潤式光刻機(jī)和最新XT860N干式光刻機(jī)。此外，ASML斥資持續(xù)投入單光束檢測(cè)、電子束計(jì)量和光學(xué)計(jì)量等設(shè)備，確保其光刻機(jī)多波束檢測(cè)設(shè)備開發(fā)。

除了工藝升級(jí)，產(chǎn)線驗(yàn)證也是國產(chǎn)芯片設(shè)備廠商一大難題。產(chǎn)品驗(yàn)證得到的技術(shù)參數(shù)才能最終決定該設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。芯片設(shè)備必須經(jīng)過大量的工藝試驗(yàn)和驗(yàn)證才能發(fā)現(xiàn)問題、迭代升級(jí)。產(chǎn)線驗(yàn)證還能提供這批設(shè)備產(chǎn)能、 良品率、安全使用時(shí)間、維修、使用壽命等一手?jǐn)?shù)據(jù)。畢竟，研發(fā)一臺(tái)樣機(jī)和能在產(chǎn)線上重復(fù)、穩(wěn)定、安全使用的機(jī)器是不一樣的。除了樣機(jī)和工藝，還有該設(shè)備的售后、市場(chǎng)推廣、客戶評(píng)價(jià)等一系列需要解決的問題。此外，設(shè)備出廠前要經(jīng)過馬拉松實(shí)驗(yàn)以檢測(cè)設(shè)備穩(wěn)定性，國際半導(dǎo)體設(shè)備大廠基本都有自己的設(shè)備驗(yàn)證線，而國內(nèi)設(shè)備廠基本沒有，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(shè)先導(dǎo)線、中試線等混合集成芯片創(chuàng)新平臺(tái)”的思路不謀而合。

芯片設(shè)備的設(shè)計(jì)、零件供應(yīng)也是我國急需攻克的難關(guān)。目前國內(nèi)大多半導(dǎo)體設(shè)備廠的創(chuàng)始人都有國際大廠的工作背景，專利問題需要格外注意。零部件方面，相較于國外成熟的芯片設(shè)備零部件供應(yīng)，我國零部件供應(yīng)鏈尚且在形成當(dāng)中，核心零部件替代大部分仍依賴進(jìn)口。核心零部件對(duì)于半導(dǎo)體設(shè)備穩(wěn)定性、產(chǎn)能、精度的影響非常大，ASML、ATAM、TEL大多通過自己的技術(shù)或者并購相關(guān)廠商的方式將關(guān)鍵零部件核心掌握在自己手里。 

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一些思考

國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，芯片設(shè)計(jì)公司最多，用“春秋戰(zhàn)國”來形容也不為過，重復(fù)性勞動(dòng)、內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)比較嚴(yán)重。相反，芯片設(shè)備公司最少，泱泱大國也不過寥寥幾十家，我國在設(shè)備領(lǐng)域一直比較薄弱，雖然多年來產(chǎn)學(xué)研政都在通力合作，但遲遲無法追上國際大廠的腳步。美日荷此次再次對(duì)華禁芯片設(shè)備，就3-5年來說，對(duì)中國市場(chǎng)打擊是比較大的，同理，國內(nèi)設(shè)備領(lǐng)域短期內(nèi)突破先進(jìn)制程的可能性也不大。

在設(shè)備領(lǐng)域，我國和國外的行業(yè)規(guī)模是極其不對(duì)稱的，尤其是國內(nèi)一些領(lǐng)先設(shè)備公司同樣還肩負(fù)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(guī)模大，就要減少研發(fā)費(fèi)用；增大研發(fā)費(fèi)用，相應(yīng)盈利額就會(huì)減少，是個(gè)兩難的問題。而國外的芯片設(shè)備廠如上文所說，在各自市場(chǎng)領(lǐng)域基本處于壟斷狀態(tài)，研發(fā)費(fèi)用投入極大，技術(shù)突破速度相對(duì)更快。

即使這些設(shè)備國內(nèi)夠用了，是否能打入國際市場(chǎng)也要畫個(gè)問號(hào)。技術(shù)壁壘、政治壁壘、法律壁壘等是國內(nèi)設(shè)備廠想要打入國際市場(chǎng)需翻過的崇山峻嶺。所以，設(shè)備領(lǐng)域不能僅僅滿足于追趕，要超越，要有超越常人的優(yōu)勢(shì)，質(zhì)量要有，價(jià)格也需實(shí)惠。當(dāng)然，此話還為時(shí)尚早，目前先要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵領(lǐng)域設(shè)備的突破，形成一條完整、穩(wěn)定的零部件產(chǎn)業(yè)鏈以應(yīng)對(duì)動(dòng)蕩的國內(nèi)外市場(chǎng)。

即使不足的地方仍有許多，對(duì)于國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)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(duì)我國芯片行業(yè)窮追猛打的態(tài)度，未來對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)利好政策只多不少，國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)國產(chǎn)設(shè)備需求將進(jìn)一步擴(kuò)大，無論是產(chǎn)業(yè)還是民間，我們都已看到半導(dǎo)體對(duì)于國家發(fā)展的重要性，擰成一股繩，鉚足一股勁，我國半導(dǎo)體設(shè)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(jiān)持和等待。堅(jiān)持，是政府、企業(yè)、學(xué)校要對(duì)該行業(yè)源源不斷地投入人力、物力、財(cái)力，要始終以關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控為最終目標(biāo)，以市場(chǎng)為導(dǎo)向開發(fā)、優(yōu)化產(chǎn)品。等待，是指對(duì)于這個(gè)行業(yè)要有耐心，技術(shù)研發(fā)周期長、投資大，不能被資本牽著鼻子走，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(qiáng)產(chǎn)學(xué)研方面的合作，雖是老生常談的話題，但也是急需解決的部分。要以國內(nèi)高校、科研機(jī)構(gòu)力量為基地，研究結(jié)果為“我”所用， 人才定向培養(yǎng)、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(yīng)鏈的合作，鼓勵(lì)留學(xué)生、華人學(xué)成歸國。

ASML CEO彼得·溫寧克對(duì)美國近段時(shí)間的所作所為表示：“針對(duì)中國半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展的各種限制措施，最終只有會(huì)帶來一個(gè)結(jié)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(shè)備限制出口固然有著極其不利的影響，但不代表到了沒有回旋余地的程度。抓緊一切機(jī)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(yǎng)晦，而已經(jīng)領(lǐng)先的領(lǐng)域要繼續(xù)鞏固在國際芯片產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈地位，保證中國在國際供應(yīng)鏈體系中占據(jù)重要位置。

對(duì)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，中國的一切問題都解決了。中國人死都不怕，還怕困難嗎？”