集成電路裝備：十年生死競速

在浦東張江中芯國際的工廠里，無時無刻不在上演著代表人類最高製造水平的「接力賽」。直徑30厘米的圓形硅晶薄片穿梭在各種極端精密的加工設備之間，由它們在矽片表面製作出只有髮絲直徑千分之一的溝槽或電路。熱處理、光刻、刻蝕、清洗、沉積……每塊晶圓要晝夜無休地被連續加工兩個月，經過成百上千道工序，最終集成了海量的微小電子器件，經切割、封裝，成為信息社會的基石——晶元。

半導體生產設備和材料，是半導體產品的最上游。據國際半導體產業協會公布的數據顯示，2017年全球半導體設備商出貨金額達到560億美元，比起上一年大幅增長接近40%，創下歷史新高。相比2016年全球半導體市場3389億美元的銷售額來說，規模其實並不大。

但在中國國家科技重大專項02專項技術總師、中科院微電子所所長葉甜春看來，與其他產業不同，半導體生產設備和材料並不是IC的配套產業，相反，而是IC產業發展的決定性因素。從上世紀80年代末期開始，半導體設備企業開始把工藝能力整合在設備中，讓用戶買到設備就能保證使用，並且達到工藝要求，因此有「一代器件，一代設備」之說。「這個領域的特點是技術和資金門檻極高，要經過漫長的投入期才能看到回報，也可以起到控制他國集成電路發展速度的作用。」

集成電路（以下簡稱IC）產業制高點的競爭，歸根結底，還是裝備製造業的競爭。

「IC裝備製造是我國晶元產業鏈中最薄弱的環節，經過20餘年的追趕，中國晶元製造領域與世界還有兩代差距。」葉甜春斬釘截鐵地說，「IC製造業最核心的競爭力還是IC裝備製造。中國IC產業要想掌握髮展主導權，IC裝備是必須要解決的問題。」

這是一場生死競速。

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瓜分殆盡的蛋糕

從隨處可見的沙子變成手機、電腦里不斷運算的晶元，魔術般變化的背後，是複雜且耗時的IC製造過程：上千道工藝，近兩個月的打磨。

據上海集成電路行業協會原副秘書長、高級顧問王龍興介紹，集成電路設備通常可分為前道工藝設備（晶圓製造）、後道工藝設備（封裝與檢測）等。因生產工藝複雜，工序繁多，所以生產過程所需要的設備種類多樣。其中，在晶圓製造中，共有七大生產區域，分別是擴散（Thermal Process）、光刻（Photo- lithography）、刻蝕（Etch）、離子注入（Ion Implant）、薄膜生長（Dielectric Deposition）、拋光（CMP）、金屬化（Metalization），所對應的七大類生產設備分別為擴散爐、光刻機、刻蝕機、離子注入機、薄膜沉積設備、化學機械拋光機和清洗機，其中金屬化是把集成電路里的各個元件用金屬導體連接起來，用到的設備也是薄膜生長設備。

雖然只有7個區域，但很多工藝需要反覆進行，比如幾乎每個區域都會用到清洗機，因為生產工藝越來越複雜，幾乎每一兩步就要對矽片清洗一次。

設備的技術難度、價值和市場份額是成正比的。從銷售額來看，79%的市場為前端的晶圓處理設備，封裝和測試設備分別佔7%和9%。在晶圓製造中，由於光刻、刻蝕、沉積等流程在晶元生產過程中不斷循環往複，是晶元前端加工過程的三大核心技術，其設備價值也最高，其中鍍膜設備、刻蝕設備、光刻機大約分別佔半導體晶圓廠設備總投資的15%、15%、20-25%。

美國、日本、荷蘭是世界半導體裝備製造的三大強國，分別佔據了全球市場份額的37%、20.6%和13.55%，留給其他國家的「蛋糕」不到30%。2016全球前十大半導體設備生產商中，只有美日荷三個國家的企業入圍。美國應用材料（Applied Materials）、美國科林（Lam Research）、荷蘭阿斯麥爾（ASML）、日本東京電子、美國科磊（KLA Tencor）位列前五，佔據半導體裝備市場份額的66%。

從各個裝備領域來看，這些企業也佔據著絕對的主導地位。荷蘭的阿斯麥爾（ASML）佔據了超過70%的高端光刻機市場，營收50.91億美元；在離子注入機上，美國應用材料公司佔據了70%市場份額，營收77.37億美元；在塗膠顯影機方面，東京電子佔據90%的市場份額，營收46.81億美元。

相比之下，國內IC裝備產業規模要小得多。2016年中國半導體設備前十強單位佔全球的市場份額僅約為2%，銷售收入總計57.33億元，遠低於美國應用材料一家企業的銷售收入，而且主營業務其實還是光伏部分。國內體量最大的中電科電子裝備和中微半導體，2017年銷售收入均僅為11億元，遠小於國際知名廠商。

和市場份額不相匹配的，是國內日益火熱的IC市場。從2014年開始，全球IC製造產業已經開始向中國大陸轉移。中國大陸作為未來全球新增產線的重點區域，將迎來千億量級的設備採購。未來一至三年，中國大陸將至少有7條12英寸產線採購設備，採購金額將達到2000多億元。預計2018年我國大陸地區設備投資額將達到86億美元，超過中國台灣地區，成為第二大半導體裝備市場。

儘管中國大陸半導體投資大增，但中國大陸設備廠商的供應能力卻嚴重不足，特別是缺乏成套設備的供應，「在這個領域，我們處於受制於人的局面。一旦國外停止向我國出口這些裝備產品，中國大陸的集成電路生產線都要停工。」王龍興急切地說。面對巨大的市場需求和歷史性的發展機遇，中國大陸設備廠商亟需突破。

一面是巨大的市場藍海，一面是巨頭的虎視眈眈，對國內IC裝備產業而言，既是機遇也是挑戰。

荷蘭ASML光刻機

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「一台光刻機相當於一架波音737」

隨著IC行業納米的加工已接近物理化學的極限，加工的精度接近單個原子的水平，IC裝備產業也面臨著前所未有的挑戰。

光刻機，就像一台精密複雜的特殊照相機，是晶元製造中「定義圖形」中最為重要的一種機器。一閃之間，母版上複雜的電路設計圖形轉化為矽片上細微繁密的溝壑紋理。光刻機的主要難點聚焦在準分子光源、光學系統和超精密運動高速工作台。一台光刻機有上萬個零部件，在電腦程序的控制下進行複雜協調的聯動，其運動精準程度的誤差不得超過一根頭髮絲的千分之一，這無異於在頭髮上「繡花」！

高端光刻機集精密光學、機械、控制、材料等先進科技和工程技術於一體，是集成電路裝備中技術難度最高、價格最昂貴的關鍵設備，被稱為人類技術發展的制高點和製造工業「皇冠上的明珠」。相應的，其價值也高到難以想像的地步。王龍興感慨地說，在光刻機市場，荷蘭的阿斯麥爾公司一家獨大，掌握著28納米以下的高端光刻機技術，處於絕對的壟斷地位。一台40納米的光刻機售價高達3000萬美元，相當於一架波音737飛機，而最先進的極紫外光刻機（EUV）售價高達1.1億美元。

到了20納米工藝製程以下，已經沒有能滿足直接生成20納米線寬的光刻機產品，需要用刻蝕機通過多道工藝去除多餘的部分。一台刻蝕機每年要刻百萬萬億個又細又深的接觸孔或者線條，孔底的直徑要準確到幾個納米。一個高端晶元生產出來通常需要經過近千道工序，刻蝕機的準確度要達到99.99%才能滿足整個矽片的良品率要求，如果設備的準確度只能達到99%，那麼近千道工序過後，良品率幾乎為零。不到1%的差距，結果卻是天壤之別。

在IC產業的百米競賽中，裝備產業不僅要跑贏自己，還要跑在製造工藝的前面。一般來說，一代設備的開發總要超前當代晶元的研發兩到三年，而超前當代晶元大量生產的三到五年。比如中微半導體開發的28納米到20納米的ADRIE介質刻蝕機，要核准的就是10納米的刻蝕要求。

而對於起步晚了幾十年的國內IC裝備產業來說，這一難度被拉大了無數倍。2008年，「極大規模集成電路製造裝備及成套工藝」國家科技重大專項（02專項）開始啟動實施，跨出了從0到1的第一步。

但第二步也絕不輕鬆。一台設備從研發、樣機開始，必須經過大量矽片的工藝試驗，才能發現問題，並進行改型。另外，出廠前還要經過馬拉松試驗，測算平均無故障時間等參數。

產品驗證環節，決定了設備最終的市場競爭力。一位下游企業的老總曾向王龍興坦言，即使國產設備性能可以做到和國際巨頭一樣，但他們還是不會輕易使用。「因為買設備看重的不只是性能，還有設備的運行成本。簡單來說，就是生產一個晶元的成本。」王龍興介紹說，運行成本和多種因素有關，包括產能、良品率、安全使用時間、維修及使用壽命，這些往往是需要產線驗證和技術積累的。

事實上，國際巨頭大多有自己的設備驗證生產線。如美國應用材料公司，產線驗證工廠整整佔了一個街區。此外，它還兼并了16個其他領域的設備企業，產品線覆蓋光刻機之外幾乎所有的半導體裝備，為其產品驗證提供了極大的便利和條件。

「集成電路是高度國際化的產業，一定要進入國際市場。」國際排名第4的中芯國際，2017年的市場份額僅僅只有6%。王龍興表示，如果一個設備公司沒有進入三星、英特爾和台積電的大生產線，沒有用在大量晶元生產上，是沒有生存和發展可能的。但是國際領先的晶元製造公司的門檻極高，且牢牢掌握在頂尖的設備生產企業手裡，想要「虎口奪食」，難度極大。

「像是一場戰爭。」回想起中國IC裝備產業的艱難發展史，02專項技術副總師、上海微系統所所長王曦院士感慨地說。

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國家意志的博弈

事實上，IC作為國家戰略性產業，其發展需要克服的不僅僅是技術本身，還有不對稱的國際競爭環境，有關半導體的一切技術、設備都受到了嚴格的輸出限制。

在集成電路上我國曾長期受制於人。《瓦森納協定》是美國等國家為防止高技術擴散而設定的管控「腳鐐」，許多集成電路生產線核心裝備就在限制清單中；如果要出口，美方會對交易反覆審查，確認符合美國產業安全利益後才會放行；此後，買方還必須按美方要求作出一些使用上的承諾。

長期以來的技術封鎖，導致IC裝備產業日益呈現寡頭壟斷的局面，後來者面臨的是極高的進入門檻、極少的市場份額，以及寡頭們的圍追堵截。僅存的幾個大廠不但可以通過產品打包銷售等手段控制客戶和市場，幾十年的技術積累，使得大廠可以輕鬆玩轉專利武器，冷不防地給後來者致命打擊。「在這樣的國際競爭環境中，中國的IC裝備產業處於全面落後的狀態。」王龍興感慨說，「中國的IC裝備企業活下來真不容易！」

研發投入的差距，是不對稱競爭的重要表現形式。IC產業素有「碎鈔機」之稱，是當前信息產品製造業中投資最大的產業。就設備行業而言，從投入到產出至少需要5年，研發階段所需的資金投入如無底洞，且投資回報風險很大。一台設備的研發投入往往需要幾十上百台的銷售收入才能覆蓋，一旦產品研發失敗或沒能進入產線，巨額的研發投入只能打水漂。半導體設備開發周期長，國外龍頭廠商有相當體量的營收支撐後續的研發，美國應用材料每年的研發投入高達7-8億美元，這樣的大手筆，對於國內處於研發階段、尚無銷售收入，短期內難以獲得一定成果的裝備企業而言，令人既艷羨又焦慮。

國內IC裝備企業對資金的需求之大不言而喻。2017年7月，上海集成電路裝備材料基金簽約儀式在上海臨港舉行。由此，由100億元設計業併購基金、100億元裝備材料業基金、300億元製造業基金共同組成的上海500億元集成電路產業基金完成組建。

在國家02專項的支持下，中國的IC裝備企業帶著使命從零開始，艱難前行。賽道重點是光刻機這類製造業中最尖端的技術，「沿途下蛋」、在生存與使命之間尋找一個支點也好，死磕硬碰、一開始瞄準最尖端的市場也好，無論螺旋前進還是一往無前，沒有人是輕而易舉的。

在這條路上，理想與現實交融，情懷與機遇並存，掌聲與質疑同行。在這裡，他們都是英雄。

浴血奮戰十年，國內的關鍵裝備產品終於實現重大突破，實現了從無到有，建立了中國IC裝備技術體系和產業體系。北京中電科電子裝備目前是國內唯一一家集研發、製造、服務於一體的離子注入機供應商，自主研發的200mmCMP商用機也完成內部測試，正在進行上線驗證。

上海微電子裝備的90納米「沉浸式光刻機」2017年10月通過國家專項現場驗收測試，實現國產高端光刻機零的突破；先進封裝光刻機已出貨40餘台，佔國內先進封裝光刻機的80%市場份額。中微半導體MOCVD設備進入大規模產業化，2017年實現銷售訂單200台，設備發貨106台，佔據國內市場60%的份額，位居全球第一；其7納米的介質刻蝕設備進入台積電全球五大供應商之一。盛美半導體自主開發的12英寸單晶圓片清洗設備在多個客戶端45-22納米技術的產線上大規模應用……

但不可否認的是，國內IC裝備產業取得的只是「點」上的突破，還面臨成套性較差、穩定性不一、高端設備缺位等眾多難題。「解決了有無的問題，下一階段要解決做大做強的問題。」在葉甜春看來，中國IC裝備產業正在尋找一條新的出路。

集成電路進口替代迫在眉睫，2018年國內有望迎來裝機大戰，占集成電路製造投資比例最高的生產設備的「鍊金術」也將更受矚目。中國電子專用設備工業協會副秘書長金存忠認為，在新建集成電路生產線推動下，2018年-2020年國產集成電路設備銷售的年均增長率將超過15%。到2020年銷售額將達到50億元左右。

「未來，我們希望培育若干具有國際競爭力的龍頭企業。」王曦說，下一步打算依託落戶臨港的裝備產業基金，按照「基金+基地」的模式，整合一批小而散的國內裝備材料企業，抓住下游廠商增線擴產的有利契機，圍繞國內薄弱環節和關鍵領域，在關鍵細分領域培育若干具有全球影響力的裝備材料企業，帶動我國集成電路產業鏈的整體躍升。

前路艱險，但未來可期。

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