“芯片制造“大国重器”背后的九九八十一难”

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看点:国产化半导体设备徘徊和冲刺:光刻和蚀刻技术20年。

国产化替代已经成为我国改革开放40余年中领导核心技术产业快速发展的一面旗帜，也是革命。

在这个革命蓝图的角落，半导体产业国产化的这场马拉松已经冲刺多年，从上游的材料设备到中游的设计制造，再到下游的封测，我国半导体产业链各环节国产化的迅速发展和竞争也异常激烈。

在晶片制造过程的数千道工序中，有三种非常重要的设备，分别是光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备，其设备的总价值占晶片加工前总设备的近70%，设备性能的高低确实决定了晶片制造水平的优劣。

根据国际半导体产业协会semi的统计，全年按全世界晶片制造设备的销售金额比例类推，蚀刻设备、光刻机、薄膜沉积设备分别占晶片制造设备价格的约24%、23%、18%。

事实上，经过20年的迅速发展，一些国产光的代表已经在一些行业跻身世界前列。

4月17日，中微半导体发表了2019年的财务报告，其5nm刻蚀机已经大量供应台湾积体电路制造，成为继7nm工艺之后唯一进入台湾积体电路制造5nm生产线的大陆本土半导体设备制造商，这是中国的刻蚀机国产化和全球竞争

但是，与冲在世界市场前列的国产蚀刻机相比，我国的光刻机路走得很慢。 目前，我国的光刻机技术已发展到22nm节点，但离商业化还有距离，海外领先的光刻机已经达到5nm euv (极紫外光刻)水平。

自2000年国内半导体创业第一波席卷以来，无数芯片设计、制造和封装等公司如雨后春笋般站起，但晶圆制造前的设备经过20年的长跑，各种设备在工艺节点的迅速发展上依然有很大差距。 其原因是技术壁垒的差异化，也有政策、市场乃至全球竞争的影响。

为了探索我国半导体产业的一些变化和快速发展，智物关注光刻机和蚀刻机两种最昂贵、最“容易掐颈”的半导体制造设备，对光刻机和蚀刻机的国产化过程进行了深入的调查和研究，对国内的

我国的光刻机和蚀刻机产业如何从荒废中慢慢收集沙子成为大海，在国内或世界市场上占有一定的份额？ 这两种设备的国产化过程又经历了那些重要的节点吗？ 从同一起点赛跑的他们，为什么跳出了与现在不同的情景？

蚀刻机是着陆5nm跑道，光刻机刚进入22nm的“半单足”

实际上，中微半导体已经掌握了5nm刻蚀机的技术，用台湾积体电路制造5nm工艺进行验证，在台湾积体电路制造的5nm工艺生产线上宣布“杀死”。

现在台湾积体电路制造的5nm工艺技术也获得了包括苹果、高通、防火墙等重要企业的大量订单，其中苹果使用5nm工艺设计iphone 12的a14芯片和基于a14开发的mac芯片。

不仅如此，中微半导体在2019年的年度报告书中表明，其蚀刻设备取得了5nm逻辑芯片、64层3d nand芯片制造商的重复订单，在先进客户中验证成功，实现了批量生产。

这也意味着中国国产蚀刻机已经进入世界芯片先进的工艺产业链，设备水平已经成功地与国际先进技术接触。

与刻蚀机的冲刺速度相比，我国光刻机的国产化进程略慢。

年11月，中国科学院光电所经过7年的研究开发，成功检测了“超分辨率光刻装备项目”。 这是世界上分辨率最高的紫外超分辨率光刻装备，据说可以实现22nm的光刻工艺。

中国科学院光电所后，上海微电子也于今年4月宣布了22nm光刻机的研发突破，但越来越多的消息尚未透露。

但是在22nm工艺国产光刻机的光后面还有两个重要的问题。 一是这项技术离商业化落地还很远，不能在短时间内迅速落地生产。 二是国外大型光刻机技术被推广到5nm euv (极紫外)节点，国内外光刻机的技术差距依然存在。

一种是先落地商业化的5nm蚀刻机，一种是离产业化还有距离的22nm蚀刻机，两者国产化进度的巨大差异实际上源于蚀刻和光刻技术之间的技术壁垒。

例如，如果把芯片的制造过程比作雕刻，光刻机就像在材料(电路图)上画雕刻线(电路图)的刷子，刷子的精度直接决定芯片的尺寸和可以集成的晶体管数。 刻蚀机就像雕刻刀，从线稿中去除多馀的部分，逐渐展现出“作品”整齐的样子。

从工程上看，光刻机在分辨率、对准精度、曝光方法、光源波长等方面有极高的要求，与精密光学、精密运动、高精度环境控制等多种尖端技术相关，是芯片制造过程中最多、最重要的一步。 特别是进入euv技术阶段后，光刻需要在真空环境下完成，设备的要求进一步提高。

格罗方德数据显示，光刻设备约占晶圆生产线设备总价格的27%，光刻技术的价值成本约占芯片总制造时间的40%到50%。

与光刻机相比，蚀刻机在精密定位和环境控制等技术方面的要求较低，依赖于化学反应，选择性地蚀刻或剥离晶片的必要性提高，其技术要求和阈值也比光刻机低。

但是，无论是国产蚀刻机的迅速发展，还是光刻机的艰难爬坡，作为芯片制造过程中的重要设备，它们的迅速发展确实是中国半导体产业国产化水平的重要指标之一，而且中国半导体产业在相关技术行业是海外的

从2000年开始了国产光刻机和蚀刻机

光刻机和蚀刻机国产化的起点来自中国21世纪初的第一波芯片创业浪潮。 那时，世界半导体设备市场进入了增长逐渐放缓的阶段。

当时海外蚀刻机市场已经经历了激烈的领先角逐激战，市场占有率第一的王座已经主要控制了泛林半导体，昔日霸主的应用材料落入了“神坛”。 但是，全球蚀刻机市场依然是泛林半导体、应用材料和东京电子鼎立的局面。

在另一个全球光刻机市场，新秀玩家荷兰asml在工艺中咀嚼日本尼康，与台湾积体电路制造一起按压“浸渍光刻”技术，市场份额逐渐提高。 当时世界的光刻机还不是asml的一家，与蚀刻设备市场相似，争夺着日本尼康、日本佳能、荷兰asml的三强霸权，但asml已经有了市场规模的第一势头。

▲尼康nsr-s631e光刻机

在世界市场激烈的纷争中，我们把眼球放回国内的半导体设备市场。 21世纪初，我们的光刻机和蚀刻机课程刚刚建成。

当时，国内芯片代工制造商几乎都从海外购买生产设备，特别是先进技术的半导体设备的进口依然受到海外巨头的严格限制，但国内光刻机和蚀刻机的技术基础非常薄弱。

在市场环境方面，以新闻技术为代表的高新技术和产业正在迅速发展，世界上也开始了以新闻产业迅速发展为主要的综合国力竞争。 其中软件产业和集成电路( ic )产业的迅速发展是这场全球竞赛的重要技术基础和核心。

2000年6月，国务院发布了《鼓励软件产业和集成电路产业快速发展的若干政策》，旨在通过资金、人才引进、税收优惠等方法迅速发展ic产业，到明年使中国ic产业成为世界主要开发和生产基地之一

而且，这项政策经过5到10年的迅速发展，我国ic产品希望能满足国内市场的大部分诉求，实现一定数量的出口。

这个政策直接引起了ic产业的创业潮、中兴微电子、汇顶科学技术( 603160，股票吧)、兆易创新( 603986，股票吧)等所有公司。 其中，位于产业链上游的半导体制造设备行业相继成立了北方华创( 002371，股票吧)、上海微电子、中微半导体等企业。

经过10余年的迅速发展，目前汇顶科技、兆易创新已在上海证券交易所上市，而北方华创和中微半导体则分别登陆深圳证券交易所、科学创板上市。

1、北方华创:成功研制了28nm刻蚀机

2001年成立的北方华创，前身是七星电子，当时将半导体装备和精密电子零部件行业放在第一位，年以高端ic装备为主要营业业务在深圳证券交易所上市。

到2010年七星电子和北方微电子开始了两年的重组之旅。 年完成内部业务和资产整合后，七星电子正式宣布更名为北方华创科技集团股份有限公司，并宣布了新的企业品牌“北方华创”。

重组后的北方华创拥有50多支高端人才队伍，在ic制造设备和先进包装等技术行业不断加强研发和投入。

北方华创现任理事长，cto为赵晋荣，担任北京建中机械厂微电子设备研究所副所长、北京建中机械厂副厂长等职务，年入选国家一百几十万人才工程，2019年被授予“北京学者”称号。

▲北方华创现任董事长，cto是赵晋荣

现阶段，北方华创的第一业务布局半导体装备、真空装备、新能源锂电装备及精密部件等行业主要分为电子技术装备业务和电子部件业务两大块。

其中，最主要的电子技术装备业务于2019年实现了31.91亿元的收益，比上年增加了26.58%。 在具体的蚀刻行业，北方华创的蚀刻机技术水平已经迅速发展到12英寸90-28nm工艺，其14nm工艺设备也进入了工艺验证阶段。

据悉，2019年北方华创将募集20亿元人民币，首先用于7nm和5nm的蚀刻机的制造和研究开发。

2、上海微电子: 16年实现90nm光刻机突破

上海微电子成立以来的2002年，这一年光刻机正式被列入国家863项重大科学技术攻关计划，以开发100nm的光刻机为要点。 在此背景下，国家科技部和上海市政府共同牵头，国内许多公司和投资企业投资建立了上海微电子，负责国家863计划项目。

为了在激烈的市场竞争中拥有“造血”能力，上海微电子创始人贺荣明决定开发100nm光刻机原型，开发另一种能够在短期内实现产业落地的先进光刻机。

2009年，上海微电子的第一批先进封装光刻机正式交付给客户，年实现了首次海外销售。

之后，上海微电子在led光刻机和前光刻机行业增加了研发的投资。 年，该企业负责的02重大科学技术专业“90nm光刻机试制机的研究开发”的任务通过了专家小组的现场测试，第二年通过了正式的检查。

在人才方面，根据2019年上半年的数据，上海微电子公司约有1150名研发人员，占企业总员工人数的76.7%。 另外，截至去年12月，上海微电子直接持有的各种专利和专利申请超过2400件。

目前上海微电子的主要业务布局涵盖了半导体设备、通用半导体装备、高端智能装备(包括ic前端负载、先进封装、fpd面板、mems、led等制造行业)。

但是，该企业在先进的工艺行业依然以90nm光刻机为中心，今年宣布突破的22nm光刻机离落地还有很远的距离。

3、中微半导体:先进的工艺蚀刻设备打入了台湾积体电路制造生产线

比北方华创晚3年，2004年成立的中微半导体主要与芯片前端制造、先进封装、led、mems制造等半导体设备行业相关，于2007年开发了第一批ccp (电容耦合等离子体)蚀刻设备，日本和韩国的子企业

随后几年，中微半导体扩大了ccp蚀刻设备的开发，继续重复设备技术，年将工艺推进到了5nm行业。 这一系列技术积累也为中微半导体上市成功奠定了基础。 2019年7月，中微半导体上市于a股科创板。

中微半导体取得的成果与其创始人、理事长尹志尧密切相关。 博士毕业于加利福尼亚大学洛杉矶分校的尹志尧曾经在英特尔、泛林半导体和应用材料企业工作，拥有20多年的半导体开发经验，其个体在半导体行业拥有60多项技术专利。

▲中微半导体创始人、会长尹志尧博士

目前，中微半导体主要开发了蚀刻设备和mocvd (金属有机化学气相沉积系统)设备，其等离子体蚀刻设备涵盖了55nm到5nm的工艺过程，其中7nm和5nm的高端蚀刻设备已经是台电生产拉

在研究开发方面，2019年微半导体研究开发支出共计4亿2500万元，占总收入的21.81%，同比减少2.84%。 目前，中微半导体正在开发新一代电容性等离子体蚀刻设备，涵盖了5nm及更先进工艺的蚀刻诉求和重要应用。

微半导体在5nm蚀刻机行业的重大突破不仅意味着中国的蚀刻设备技术在世界半导体先进工艺行业取得了成功，而且意味着中国的蚀刻设备成为了国际领先的国产之光。

国产光刻机和蚀刻机的“九九八十一难”

长期面临海外技术封锁，对技术薄弱的国内光刻机和蚀刻机产业来说，实现国产化并不顺利。

另一方面，中国大陆光刻机和蚀刻机行业的技术基础薄弱，中国台湾地区和西方发达国家对中国大陆的半导体产品进口实行严格的管制，在中国大陆建设工厂，生产线必须比现在的技术落后至少三代。 另一方面，国内的半导体设备制造商想实现技术革新，必须绕过大公司以前留下的分层技术专利和美国商务部的各种清单限制。

创业浪潮席卷到2004年，60岁高龄尹志尧毅然放弃美国百万年薪，先后与政策决定和倪图强等40多位半导体设备领域的华裔专家回国，共同创业。

但是，成立后，中微半导体也开始面临3家国际半导体设备巨头发起的专利战，包括应用材料和胆碱的研究开发，最终以中微半导体的胜诉或双方的和解告终。

为了限制中微半导体技术的迅速发展，美国商务部曾经把中微半导体列入商业控制名单。 到2010年，中微半导体与美国设备企业具有同等的质量，而且开发和批量生产了相当数量的等离子蚀刻设备，因此美国商务部工业安全局正式将该企业排除在名单之外。

中微半导体的7nm和5nm刻蚀机设备成功进入台积电的先进工艺生产线。 另外，据去年3月的数据显示，截至今年2月末长江存储对外公开的中标新闻中，中微半导体的蚀刻机中标数量占15%，仅次于第一位的泛林半导体。

▲中微半导体工厂

在国产光刻机的故事中，国家主导成立的上海微电子也在迅速发展的过程中同样受到阻碍。

“中国现在每年使用2000亿美元以上的外汇购买小费。 ”。 上海微电子技术副总裁贮藏兆祥表示，如果没有高端光刻机，中国高端芯片的制造行业将受制于人。

在开发光刻机的过程中，曝光系统是光刻机设备的核心，也是开发难度最高的环节。 但是，2002年，国内没有生产高端投影曝光系统的制造商，但是能够在国际上提供高端投影曝光系统的企业没有承诺支持上海微电子。

寻找供应商经常碰壁，另一方面以数十亿人民币的研发价格，上海微电子咬紧牙关，决定自我研规曝光系统！ 因此，从2002年到2008年，上海微电子花了6年时间，投入数百人进行研究开发，从零基础开始研究，终于在2008年实现了应用。

另外，上海微电子在研究开发过程中需要的特殊材料，依赖于与国内研究所、大学的共同研究开发，包括原材料的加工方法和技术，从一面空白色开始慢慢摸索自己的做法。

年，上海微电子16年开发的90nm步进项目通过了国家正式检查，继续推进了65nm、45nm、22nm的工艺。

另外，近年来，上海微电子的自主创新能力也有所提高，截至去年12月，上海微电子直接拥有各类专利和专利申请2400多件。

▲上海微电子事业所

天时地利、人和、国内半导体创业浪潮迅速发展，国产光刻机和蚀刻机的迅速发展也迎来了时代赋予的迅速发展机会。 随着新闻技术产业的迅速发展，市场对国内芯片的诉求也在扩大，高端智能手机等领域的迅速发展对芯片技术提出了更高的要求。

另外，国务院于年提出了《国家集成电路产业快速发展推进纲要》。 其中纲要提到年，中国移动智能终端、互联网通信、云计算、物联网、大数据等主要行业的ic设计技术达到了国际领先水平，16nm和14nm的制造技术实现了规模量产

目前，我国包括光刻机和刻蚀机在内的半导体设备的实力正在迅速加强。 根据东兴证券发研的数据，2005年中国大陆半导体设备的销售额约为13亿美元(约92.09亿元)，但去年上升到131亿美元(约927.96亿元)，世界市场占有率也从4%增加到20%。

国内外研究开发费差别很大，光刻机的国产化依然被“掐死”

但是国产半导体器件产业的国产化“革命”还没有成功。

我们将视野扩大到世界市场，2004年asml和台湾积体电路制造共同开发了193nm浸渍型光刻机后，其市场份额一下子上升，从1980年代的不到10%增加到2009年的70%，多年来开始拥有光刻机市场的大半江山。

2019年，asml开发了20年的euv光刻机，进入了7nm和5nm的工艺行业，直接奠定了asml全球光刻机的霸主地位。 到目前为止，日本尼康和日本佳能已经退居“黑暗”二线，集中了生产技术和价值更低的后路光刻机和面板光刻机，前路光刻机彻底被asml垄断。

此时，我国批量生产光刻机还处于一代技术缺口对岸的60nm工艺，22nm工艺也只是闲散，不能落地，国内外技术缺口近20年。

另一方面，在蚀刻机行业，自1990年代引进icp (电感耦合等离子体蚀刻)概念以来，泛林半导体因主要icp蚀刻设备而逐渐上升，在之后十几年的迅速发展中与东京电子一起超越了应用材料。

由于蚀刻机的技术阈值远远小于光刻机，我国蚀刻设备的技术追究取得了明显的成果。 但是，从世界市场来看，我国蚀刻设备的市场占有率仍处于非常大的增长空之间。

市场研究数据显示，年泛林半导体的世界市场份额为55%，居世界第一位，东京电子和应用材料分别为20%和19%，居世界第二、第三位，包括中微半导体和北方华创的蚀刻设备玩家的市场份额仅为6%。

背后的差距不仅是长达数十年的技术经验差距，还有巨大的资金投入差异。

以asml为例，这家企业每年研发费用达到10亿欧元(约人民币76.67元)，逐年增加。 根据asml今年1月发表的2019年q4及全年财务报告，当年q1的研发费用达到5.5亿欧元(约42.17亿元)。

对此，中微半导体根据2019年的年度报告，2019年的总研发支出约为4.25亿元，占总收入的21.81%。 北方华创在2019年年度报告中说，2019年总研发支出约为11.37亿元，占总收入的28.03%。 上海微电子在研发方面的投资尚未公开。

结语:一跨二十年的国产化浪潮

从我国光刻机和蚀刻机的国产化浪潮来看，这是对外突破层的限制封锁，内部没有逐渐萌芽和迅速发展的故事，它们几乎从同一起跑线出发，因技术壁垒的不同跳出了两种不同的情景。

在这20年的国产化过程中，我们看到以尹志尧为代表的创业先驱，晚年放弃海外高薪待遇回国，领导国内蚀刻机水平突破了先进的工艺路线行业。 中国作为长跑运动员追赶先进技术行业的信心和决心，把半导体产业提高到国家越来越重要的快速发展地位，看到各路政策、资金、人才等资源全力支持。

在现阶段，我国追赶国际半导体设备巨头的玩家依然屈指可数。 光刻机行业由上海微电子一马领先，蚀刻行业既有中微半导体也有北方华创出击。

但是，在阶段性成果的背后，也必须看到国内玩家和世界巨头在技术水平、市场规模上有很大的差距，制造这个差距的不仅仅是落后了几十年的技术经验，还有很大的资金投入差距。

将来，中国的光刻机和蚀刻机依然要面对很多挑战，但经历了20年快速发展所取得的阶段性成果，我们有理由相信将来国产光刻机和蚀刻机一定会发挥无限的潜力。

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来源：搜狐微门户