逆风十年国产刻蚀机取得新突破

时间: 2025-02-15 08:52:21 |   作者: 新闻资讯

  2015年2月,美国商务部悄悄更新了一则声明,五千多个单词重点讲了一件事:取消向中国出口等离子刻蚀机的限制。

  国人对半导体设备禁令的印象,大多始于2019年声势浩大的科技战,但早在互联网还没有记忆的1996年,美国就集结了“巴统” 17国在内的33个国家,以《瓦森纳协定》的形式确定了密不透风的技术出口管控。

  2015年的声明是美国迄今唯一一次“让步”,原因也很朴实:“有一家非美国公司已有能力供应足够数量和同等质量的刻蚀机。”

  这家“非美国公司”名叫中微公司,创始人尹志尧是应用材料(AMAT)的刻蚀机事业部的一把手,后者是美国乃至全球最大的半导体设备公司。

  2004年,中微公司落户上海金桥,成立第三年量产首款刻蚀机,第七年实现45nm介质刻蚀机的国产突破,成为台积电5nm产线上唯一一家中国大陆刻蚀机供应商。

  同一时期,国内顶级规模的半导体设备公司北方华创在北京成立,由七星电子与北方微电子重组合并而来。

  在“卡脖子”这个词还没普及的年代,国产半导体设备慢慢的开始在逆风中疾行了。

  对于尹志尧来说,2004年是其人生最重要的一年,已经六十岁高龄,在应用材料公司任职副总裁的他,受江上舟的竭力邀请,拿着拉来的5000万启动资金在上海成立中微半导体,希望可以做出世界领先的刻蚀机。

  作为全球刻蚀机的领军人物,来中国大陆创业并非最优选项,彼时半导体发展机会确实是在亚洲,但不是中国大陆,而是日韩和台湾。

  二十世纪初,日本是全球最大的芯片设备市场,韩国和台湾是增长最快的半导体市场,而中国大陆半导体产业如同一块滩涂荒漠。

  数据显示:2004年,全球半导体制造设备销售达到370.8亿美元,中国大陆半导体只有27亿美元,占比7.3%。半导体行业称,要做半导体,中国大陆除了水和空气之外,其他东西都要从国外进口。

  “我是一个中国人,在中国得到了很好的教育,也有十多年的生产和研发的工作经验。去美国的时候已经36岁了,我总觉得缺些啥东西,对祖国的欠缺,应该给自己的国家做事情”,相比日韩快速地发展且已经很成熟的半导体产业环境,尹志尧更希望回国内创业。

  理想很丰满,情怀很美好,但这也代表着中微半导体没有稳固的客户、只有少数的人才、没有相关配套设施,有的只是上海市政府对半导体技术的政策支持,所有的东西都要从零起步。

  尹志尧必须要在5000万资金耗尽之前研发出刻蚀机成品,尽快商业量产,要为刚刚诞生的中微半导体提供后续的正向资金流。

  对于这个60岁的老人来说,这不仅是个人理想照进现实的战争,也是中国半导体国产自主化浪潮中的前期战役之一,即关乎个人梦想,同样也关乎民族产业。

  虽然基础条件不足,但彼时上海已经将半导体作为城市未来发展的核心产业,并希望引进中芯国际、中微半导体等光刻机、刻蚀机等设备企业。

  刻蚀技术与光刻技术、薄膜沉积技术一起被称为芯片制造流程三大技术,对应的设备为光刻机、等离子体刻蚀机与薄膜机。

  可以说光刻机是在硅片上画出芯片形状,而刻蚀机则是根据形状进行雕刻,两者占到半导体设备总成本的43%,一旦拿下光刻机和刻蚀机技术,中国就能吃下整个半导体产业,迎接信息时代的产业红利。

  “美国在将近40年时间里,开发出不下10种国际先进设备,而这些设备百分之七八十是中国留学生干起来的”,尹志尧认为与先天基础不足相比,在中国做刻蚀机已经具备人才条件。

  但局势并非一帆风顺,尤其是后发者想要进入市场,重新分配蛋糕时,往往会受到巨头们的围攻。

  同2003年中芯国际遭到台积电专利侵权起诉一样,中微半导体研发成功可用于65~16纳米制芯片制造的等离子体刻蚀机后,应用材料公司、泛林半导体相继在2007年、2009年以专利侵权等名义对中微半导体起诉。

  起诉时间点选择很巧妙,之所以选择研发结束、产品量产前,就为了通过诉讼抓住侵权依据,让中微半导体前期的研发投入付之东流,达到一剑封喉的效果。

  但与中芯国际败诉,向台积电赔款2亿美元不同,在归国创业之初,尹志尧就意识到了专利纠纷,要求跟他回国的15名工程师不得带任何文件,并将将现有的3000多项专利全部梳理,避开专利壁垒,重新研发新的刻蚀技术。

  最后凭借手中的600万份文件证明刻蚀机技术为自研,应用材料公司与中微半导体庭外和解,而对泛林,中微半导体成功实现诉讼逆转,法院认定泛林半导体在专利上侵权中微半导体。

  也正是尹志尧回国创业时的谨慎,通过法律诉讼扫平外部障碍后,中微半导体在研发、量产上走向了快车道。

  2023年,光刻机生产商ASML问鼎全球最大半导体设备制造商,蝉联榜一大哥三十年的应用材料沦为背景板。

  经历多年科技战,光刻机已然成为“卡脖子”这一概念具体的表征。但作为人类迄今为止最复杂的工程,芯片制造的工序和环节极端复杂。

  一般来说,半导体制造有光刻、刻蚀、薄膜沉积“三大主设备”的说法,三种设备占据整个市场六成以上的份额。

  通俗来说,一颗芯片并不是被“光刻”出来的,而是“刻蚀”出来的。拿刻印章类比,光刻类似在印章上画好草图,刻蚀会把光刻标记的草图,通过物理或化学方法去除,类似用刀具刻出具体的图案。

  芯片制造的原理并不复杂,但高端制造业的核心在于对精度和误差的控制。生产1厘米直径的钢管和生产1.00001厘米直径的钢管,后者的难度与利润比前者大上百倍千倍。

  一块硅晶圆变成芯片,所有的流程精度都在纳米计量的区间游走,工匠精神含量远非搓寿司能望其项背。

  与光刻机类似,全球刻蚀设备由泛林、应用材料和东京电子分而治之,三者几乎垄断了整个市场。

  相比之下,薄膜沉积设备奋起多年,国产化率尚且爬升到35%,刻蚀机在20%徘徊,光刻机甚至不到3%。

  芯片制程会跟随摩尔定律进步,但生产芯片的设备却不受摩尔定律支配,很容易形成强者恒强的局面。因此,美国制造业虽然日常衰落,但在半导体设备市场,美国公司都快站不下了。

  另一方面,芯片制造是一个非常年轻的产业,在各个半导体设备公司不断出清整合的过程中,幸存者所积累的Know How会成为某一种意义上的“标准”,进一步提升了后来者的入场门槛。

  俗话说“一流企业做标准”,但标准并不是被“制定”出来的,而是在漫长的市场之间的竞争中不断磨合推敲,最终成为行业心照不宣的标准。

  上世纪90年代,伴随电子设备小型化和消费电子市场的繁荣,芯片制造开始从垂直整合走向水平分工。

  当芯片公司不断将生产环节外包出去,芯片制造流程不断标准化,上游的设备制造商被动或主动地参与了标准的确立。

  ASML创办于1984年,光刻机已经在美日厂商之间打了个来回。尼康的首台商用步进式光刻机NSR-1010G与“销冠”GCA的DSW-4800针尖对麦芒,市场占有率开始平起平坐。

  泛林80年代初发明了等离子刻蚀机,确立了刻蚀机的头把交椅;应用材料凭借划时代的CVD(化学气象沉积)Precision 5000和PVD(物理气相沉积)Endura 5500,在薄膜沉积一统江湖。

  这个过程中,设备生产商会根据晶圆厂的生产方法确定投资方向,晶圆厂也会自发依照生产设备调整生产流程,大家心照不宣的“标准”就会逐渐形成。基于标准的强绑定关系,是一堵密不透风的幕墙。

  因此,半导体“后进国”很容易沦为买票进场的看客,直接引进国外设备变成建立芯片产线最具性价比的方案,但也会为前者浇筑越来越厚的技术壁垒。

  突破卡脖子,打造“国之重器”是条艰难的道路,过去的20年,尹志尧走的就是这条路。

  半导体是中国最薄弱但最重要的产业之一,半导体关键设备则是半导体发展的基础。半导体设备最关键的三种分别是:光刻机、刻蚀机、薄膜机。

  尹志尧所创办的中微公司,目前已是全球排名第四的刻蚀机企业,可全面自主支持中国在这一领域的需求与发展。

  在尹志尧的比喻里,芯片微观加工就像是剪窗花,薄膜机铺一层材料红纸,光刻机在红纸上画好花纹,刻蚀机把不要的部分刻掉。

  如今,中微公司的刻蚀设备技术能力已达到5纳米以及更先进工艺水平,可以全面取代国际先进设备。

  5纳米的加工能力相当于在人头发丝直径万分之一的尺度上,修建50-60层楼房。

  不仅如此,凭借行业首创的刻蚀设备双台机技术,中微公司率先提出“皮米级”加工精度概念,其刻蚀精度已达到100“皮米”以下水平,相当于人的头发丝350万分之一的精准度。

  当前,中微公司的刻蚀机已被一线半导体制造商广泛采用,涵盖了65纳米、14纳米、7纳米及5纳米等制程,主要客户包括台积电、SK海力士、联电、中芯国际和长江存储等。

  从能力上看,中微公司基本和国外设备公司处在同一水平,且能够给大家提供双台机和单台机两种选择,而国际几大设备厂商只有单台机,这是中微公司独特的亮点所在。

  尹志尧说:“在国内外竞争越来越激烈的情况下,我们没别的选择,一定要有自主可控、自立自强的精神,使我们国产设备尽快达到国际领先水平,甚至在部分领域超过国际领先水平。”

  与之对应,自2021年起,在全球刻蚀设备市场,中微公司的市场占有率位居第四位,前三名分别是LAM(泛林集团,又称科林研发)、TEL(东京电子)、AMAT(应用材料)三家国际大厂。

  尹志尧从小到大都是学生领袖,做了20多年,曾任少先队大队委员会主席、共青团委委员。

  “一直受到社会主义教育。所以我梦想就是当我有机会搞一个团体的时候,一定要是共同劳动,共同享受。这是基因,没有很好的方法改变的。”尹志尧说,这是他一辈子追求的愿望。

  此时,公司750人里有375人,也就是整整一半的人是1000万到1亿的身价;有50人是1亿到10亿的身价;还有325人,包括刚刚从学校毕业入职中微两三年的,也有100万到1000万的身价。

  尹志尧认为,真正的社会主义制度是有钱出钱,有力出力。资本是一种投资,劳动和智力也是一种投资,都应该产生价值的。

  所以,公司在价值生长过程中,可以拿出一部分,变成股权、期权,分给这些创造价值的人。

  在中微公司,每一个级别的股权差20%,每一个级别的工资差10%。这是一个非常扁平的分配体系,带有非常平均的社会主义色彩,尹志尧称之为“中微特色社会主义”。

  在尹志尧看来,全员持股的奇妙之处,是把员工和管理层的长远利益,和公司的发展绑定,激发团队活力,保证核心技术团队的稳定性和持续性。

  他强调,集成电路需要千百万人集成的努力,这个产业不是哪一个英雄可以创造出来的,而是千千万万的工程师和工人共同合作才能做起来的。

  “我没什么能耐,现在不会搞别的,就一直咬牙坚持做下去,就会做到世界最好。”返回搜狐,查看更加多