芯片制造“大国重器”背后的九九八十一难

智东西（公众号：zhidxcom）
文 | 韦世玮

国产化替代已经成为了我国改革开放四十余年中，引领核心技术产业发展的一面旗帜，也是一场革命。

在这场革命蓝图一隅，半导体产业国产化的这场马拉松已经冲刺多年，从上游材料设备到中游设计制造，再到下游封测，我国半导体产业链各个环节的国产化发展和竞争也异常激烈。

晶圆制造过程的上千道工序中，有三类十分重要的设备，分别为光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备，其设备合计价值占晶圆加工前道总设备近70%，设备性能的高低无疑决定了晶圆制造水平的优劣。

据国际半导体产业协会SEMI统计，2017年按全球晶圆制造设备销售金额占比类推，刻蚀设备、光刻机、薄膜沉积设备分别占晶圆制造设备价值量约24%、23%和18%。

实际上，历经20年发展，某些国产之光的代表已在部分领域真正冲进了世界前列。

4月17日，中微半导体发布2019年财报，其5nm刻蚀机已批量供货台积电，成为继7nm制程之后，唯一进入台积电5nm产线的大陆本土半导体设备厂商，这代表了我国刻蚀机在提高国产化和全球竞争中的阶段性成果。

但与已经冲在全球市场前列的国产刻蚀机相比，我国在的光刻机赛道却跑得较为缓慢。现阶段，我国光刻机技术已推进至22nm节点，但离商业化还存在一定距离，而国外领先的光刻机已达到5nm EUV（极紫外光刻）水平。

从2000年国内半导体创业第一波浪潮席卷至今，无数芯片设计、制造和封测等企业如雨后春笋拔地而起，而晶圆制造前道设备历经了20年长跑，各类设备在制程节点发展上却仍存在较大差距。究其因，既是技术壁垒的差异化而导致，也有着政策、市场乃至全球竞争的影响。

为了探究我国半导体产业的变化与发展，智东西将目光聚焦于光刻机和刻蚀机两类最花钱和最容易被“卡脖子”的半导体制造设备，对光刻机和刻蚀机的国产化进程进行深入的调查和研究，试图摸清国内重要玩家的战略和打法。

我国光刻机和刻蚀机产业是如何从一片荒芜慢慢地聚沙成海，在国内或是全球市场中占据一定份额？这两类设备的国产化进程又经历了哪些重要关键节点？从同一起点赛跑的它们，又为何跑出了如今不一样的光景？

一、刻蚀机落地5nm赛道，光刻机刚迈入22nm“半只脚”

实际上，中微半导体早在2018年就宣布已掌握5nm刻蚀机技术，并已通过台积电5nm工艺验证，将“杀”入台积电的5nm工艺生产线。

据悉，目前台积电的5nm制程工艺也已获得包括苹果、高通和华为等重要公司的大量订单，其中苹果将采用5nm工艺设计iPhone 12的A14芯片，以及基于A14研发的Mac芯片。

不仅如此，中微半导体在2019年年度报告中透露，其刻蚀设备已取得5nm逻辑芯片、64层3D NAND芯片制造厂商的重复订单，并在先进客户验证成功并实现量产。

这也意味着，我国国产刻蚀机已成功打入全球芯片先进制程产业链，且设备水平已和国际前沿技术成功接轨。

相比刻蚀机的冲刺速度，我国的光刻机国产化进程则略显缓慢。

2018年11月，中科院光电所经过7年研发，成功验收了“超分辨光刻装备项目”。据悉，这是世界上首台分辨力最高的紫外超分辨光刻装备，能够在365nm光源波长下生产22nm工艺芯片。

而在中科院光电所之后，上海微电子在今年4月也宣布实现了22nm光刻机的研发突破，却并未透露更多信息。

但在22nm工艺国产光刻机的光芒背后，仍存在两个关键问题，一是该技术离商业化落地还较远，短时间内无法迅速落地并进行生产；二是国外领先光刻机技术已推进至5nm EUV（极紫外）节点，国内外光刻机的技术鸿沟仍然存在。

一面是已经抢先落地商业化的5nm刻蚀机，一面是离产业化还有一定距离的22nm光刻机，两者国产化进度的巨大差异，实则源于刻蚀与光刻工艺之间的技术壁垒。

我们做个类比，如果将芯片的制造过程比作雕刻，那么光刻机就像是将雕刻线稿（电路图）描绘在材料上（晶圆表面）的画笔，画笔的精度直接决定了芯片的尺寸和能够集成的晶体管数；刻蚀机就像是一把雕刻刀，负责剔除线稿中的多余部分，逐渐呈现出“作品”完整的模样。

从工序上看，光刻机对分辨率、对准精度、曝光方式和光源波长等方面有着极高的要求，涉及精密光学、精密运动、高精度环境控制等多项高尖技术，是芯片制造过程中最复杂和最关键的一步。尤其当工艺推进到EUV技术阶段后，光刻还需要全程在真空环境下完成，设备要求进一步提高。

据格罗方德数据，光刻设备约占晶圆生产线设备总成本的27%，同时光刻工艺时间成本占芯片总制造时间的40%至50%。

相比光刻机，刻蚀机在精密定位和环境控制等技术方面的要求较低，更多需要依靠化学反应来对晶圆进行选择性的腐蚀或剥离，其技术要求和门槛也比光刻机更低。

但不论是国产刻蚀机的迅速发展，还是光刻机的艰难爬坡，作为芯片制造环节中的重要设备，它们的发展无疑是我国半导体产业国产化水平的重要指标之一，同时也是我国半导体产业在相关技术领域突破国外限制，掌握自主核心能力的关键。

二、缘起2000年，国产光刻机与刻蚀机的起步

光刻机和刻蚀机的国产化起点，源于我国21世纪初的第一波芯片创业浪潮。彼时，全球半导体设备市场正步入增速逐渐放缓的阶段。

当时，国外刻蚀机市场已经经历了一番激烈的龙头角逐激战，市场占有率第一的宝座已易主泛林半导体，昔日霸主应用材料掉落“神坛”。但全球刻蚀机市场仍是泛林半导体、应用材料和东京电子三足鼎立的局面。

（编辑：555手机网）

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