跨越芯片业三座大山，绕不过芯片制造装备前三名？!

2023-06-25 07:06

作者：二马路的冰

排版：芯光猫

出品：SOlab

深度好文，约4900字=16分钟阅读

芯片产业已经成为中美高科技竞争的制高点。全球70%以上的电子终端产品在中国大陆制造和组装，其中大部分销往全球各地。一方面，2022年，中国电子信息制造业规模已经超过20万亿元。另一方面，由于我国的芯片生产无法满足国内市场，因此我们不得不大量进口芯片。来自国家统计局的数据显示，我国芯片进口数量总额5384亿块，进口额也达到了2.7663万亿元，占比达15.30%，尽管较2021年下降0.9%。

公开数据显示，2013年,中国大陆芯片进口额首次超过原油,成为第一大进口商品。

2022年，集成电路进口额仍然力压原油进口额，仍然持续成为第一大进口商品。

通常，我们用多少纳米来表征芯片性能的先进性。目前，7nm及以下的先进制程芯片，我国100%从境外进口，或者在中国台湾省的台积电公司代工。

国家统计局公布的2022年进出口主要商品数据。图源：国际统计局

芯片产业链主要分为支撑链（装备、材料和掩模）、设计链、制造链和终端应用链。2020年12月18日，美国将中芯国际列入“实体清单”。对用于10nm及以下技术节点的产品或技术，采取“推定拒绝”的审批政策进行审核，直接导致中国大陆无法进行7nm以下先进制程的技术升级。毫无疑问，作为信息产业生态最底层的基础硬件，当前中国大陆芯片产业链被支撑链和设计链“卡了脖子”，直接导致制造链的发展受阻。

那么，中国大陆先进制程芯片产业链发展面临了哪三座大山？绕不过的先进制程芯片制造装备前三名是什么呢？

且看芯光社特邀专家的独家解读。

中国大陆先进制程芯片业的三座大山

关于中国大陆先进制程芯片业的卡脖子问题，一直是一个被持续地热议的问题，国内许多专家给出了许多不同的解读。

2022年10月7日，美国商务部工业安全局宣布了对美国《出口管理条例》进行的一系列修订，即“出口管制新规”，这通常被解读为“史上最严厉的” 出口管制新规。本文的解读来自于这个所谓的“出口管制新规”。

根据“出口管制新规”，美国芯片制造商必须获得美国商务部批准才能对华出口半导体和芯片制造设备。美国供应商在向生产18nm或以下的DRAM芯片、128层或以上的NAND闪存芯片、14nm或以下的逻辑芯片的中国企业出口设备时，必须进行逐案审查。这就是所谓的中国大陆先进制程芯片业的三座大山。

2022年10月9日，“出口管制新规”颁布2天之后，中国半导体行业协会即发明了声明，指出了该新规造成的“巨大的负面影响”。

中国半导体行业协会2天后发布了声明。图源：中国半导体行业协会

第一座大山：18nm或以下的DRAM芯片

DRAM英文全称为Dynamic Random Access Memory，中文名为动态随机存取存储器，具备运算速度快、掉电后数据丢失的特点，常应用于系统硬件的运行内存，广泛应用于服务器、PC 和手机等。自1971年诞生之日起，DRAM一直是“芯片之王”，是最大宗（没有之一）的单一芯片产品。在约5600亿美元的全球芯片市场份额，DRAM的占比约为17%。

DRAM的技术发展已经进入12 nm级别，已经形成了三星电子（韩）、SK海力士(韩)、美光(美国)三大巨头垄断的局面。三巨头共同占据了约94%的DRAM市场份额。

当前三星电子和SK海力士的DRAM的量产技术已经采用EUV光刻机技术，美光的DRAM的量产技术正在考虑采用EUV光刻机技术。中国大陆的长鑫存储公司主攻DRAM产品，不得不停留在18nm技术节点。

DRAM的技术发展进程。图片来源：TechInsights

第二座大山：128层或以上的NAND闪存芯片

NAND其实不是缩写，是Not AND，意思是为：与非。NAND Flash全名为Flash Memory，属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device)，即断电后仍能保存数据。具有容量较大，读写速度快等优点，是一种比硬盘驱动器更好的大数据存储设备。

NAND闪存芯片的市场份额仅略低于DRAM芯片，是当之无愧的“芯片榜眼”。在约5600亿美元的全球芯片市场份额，NAND闪存芯片的占比约为12%。

NAND闪存芯片的技术发展已经逼近15nm节点。但是，层数是最关键技术指标，层数越多，单位空间存储密度就越大，总存储容量越容易提升。SK海力士(韩) 在2023年5月进入238层3D NAND大规模生产阶段。

三星电子（韩）、SK海力士(韩)、铠侠（日本），美光(美国)、西部数据（美国）五大巨头垄断约98%的3D NAND市场份额。

需要指出的是，3D NAND闪存芯片的立体结构更依赖于刻蚀机和物理沉积设备。当然，水浸没式193nm光刻机仍然是量产高性能3D NAND闪存芯片的必要前提。但是，并不需要EUV光刻机！

中国大陆的长江存储公司主攻3D NAND闪存芯片。2022年8月份，长江存储正式发布200层+3D NAND闪存芯片产品X3-9070，2022年12月开始进行量产。X3-9070是中国有史以来存储密度最高的闪存颗粒。

长江存储首创的Xtacking®架构，全球技术领先。图源：长江存储

第三座大山：14nm或以下的逻辑芯片

目前14nm或以下芯片制程主要应用于CPU、GPU、FPGA、APU、Soc等对性能要求比较高的逻辑芯片中，比如AMD和英特尔的CPU和英伟达的GPU等高端显卡。

目前，具备14nm 芯片制程能力的芯片厂主要包括：中国台积电、三星电子、英特尔、格芯、联电和中芯国际。具备7nm 芯片制程能力的芯片厂只有中国台积电、三星电子和英特尔三巨头。其中三星电子和中国台积电分别于2022上半年和下半年宣布量产3nm芯片。

近期，中国大陆的芯片代工一哥，中芯国际官网下线了14nm工艺技术的介绍，仅保留28nm及以上工艺的信息。原因大家都懂的。

目前被禁运的英伟达A100高端 GPU芯片，一芯难求。图源：英伟达

芯片制造装备第一名: 售价约1.48亿欧元的EUV光刻机

众所周知，光刻机的主要作用是将芯片电路图转移到硅片上，而光刻技术正是决定芯片电路大小的关键因素。在芯片制造中，特征尺寸越小，芯片性能越好！因为在相同空间中制造的晶体管越多，芯片的速度和能效就越高。

EUV光刻机是延续摩尔定律的重器，其基本功能是把EUV掩模上的图形通过缩小投影曝光的方式转移到硅片表面上的EUV光刻胶上。EUV光刻机是芯片制造中最复杂、最昂贵的设备。光刻工艺的费用约占芯片制造成本的1/3左右，耗费时间占比约为40-50%。

荷兰的ASML（阿斯麦）是当前唯一能量产EUV光刻机的厂商，一骑绝尘。EUV光刻机里面有10万多个零部件，全球超过5000家供应商（主要供应商约1000家）。整个光刻机中，荷兰腔体和英国真空占32%，美国光源占27%，德国光学系统占14%，日本的材料占27%。

目前，最为先进的3nm芯片，使用的就是ASML 0.33 NA EUV光刻机，型号为NXE:3400D。显然，EUV光刻机一直对中国大陆禁运。

ASML 0.33 NA EUV光刻机。图源：ASML

芯片制造装备第二名: 售价约0.7亿欧元的水浸没式193nm光刻机

在EUV光刻机出现之前，技术人员利用DUV光刻机制造芯片，也就是我们常说的水浸没式193nm光刻机制造14nm芯片。其原理是在透镜和晶圆之间插入浸没介质来缩短波长。浸没式光刻利用折射原理，通过用纯净水填充投影镜头和晶圆之间的空间来实现更高的分辨率——纯净水的折射率为1.44，高于空气的折射率1.00。单次曝光分辨率理论上可以达到38nm，实际上是40nm。

通过自对准双重图案技术、四重图案化工艺等，理论上是水浸没式193nm光刻机是可以实现7nm节点工艺制程，但是显然所需的掩模数量翻倍，而且工艺也十分复杂，量产难度很大。

2023年1月27日，美国与荷兰和日本在华盛顿就限制向中国出口一些先进的芯片制造设备达成协议，同意扩大对华芯片出口管制措施。该协议的目的是扼杀中国在芯片、超级计算机和人工智能领域的进步，挫败中国的“军事现代化”。

2023年5月23日，日本经济产业省公布外汇法法令修正案，正式将先进芯片制造设备等23个品类纳入出口管制，该管制将在7月23日生效。

预计将被日本禁运的两款尼康公司的水浸没式193nm光刻机。图源：芯光社整理

ASML公司的水浸没式193nm光刻机全球市占率达90%以上。根据知情人士透露，荷兰政府计划最早下周宣布新的出口管制措施，将限制ASML Holding NV对中国的芯片制造设备出口。预计规定最早会在6月30日或7月第一周公布。

预计将被荷兰禁运的两款ASML公司的水浸没式193nm光刻机。图源：芯光社整理

芯片制造装备第三名: 售价约0.45亿欧元的多束电子束光刻机

电子束光刻设备用于制作芯片设计公司输出的芯片图形，体现芯片设计者意图，在高精度掩模制备中有着不可替代的作用。芯片微纳结构制备精度强烈依赖于所使用的掩模精度，掩模精度的要求往往要高于芯片要求。对于目前3 nm制程，更是将这种掩模精度要求提高到极致。电子束光刻设备是唯一能能够实现这种高精度掩模制备的核心芯片制造装备，被誉为人类历史上最精密的“画笔”。

电子束光刻设备是EUV掩模制造中技术最复杂、成本最贵的环节。一款高端芯片通常需要60-90块光刻掩模，其中EUV掩模数量为5-10块，单块成本最高可达200万美元以上。

目前国际上具备变形束电子束光刻设备开发和生产能力的厂商有日本的JEOL公司、Nuflare公司、德国的Vistec公司和奥地利的IMS（ IMS Nanofabrication GmbH）公司。

其中日本Nuflare 公司的设备占据了市场份额的 90% 以上，其产品 EBM-9500PLUS 是唯一一个具备 5/3 nm 掩模制备能力的变形束设备，其束流密度远超同类产品，使生产效率极大提高。

EBM-9500电子束光刻机。图片来源：NuFlare 官网

美国英特尔公司最初于2009年投资奥地利的IMS公司，于2015年收购了IMS公司业务。IMS公司2015年发明多电子束技术，并推出首款商用多束掩模写入器。第二代多波束掩模写入器MBMW-201已于2019年进入5nm节点的掩模制造市场。自收购以来，IMS为英特尔带来了巨大的投资回报，同时将其员工和生产能力增长了四倍，并提供了三代额外的产品。

2023年6月21日，英特尔公司宣布，已同意将其IMS公司业务约20%的股份出售给贝恩资本特殊情况公司（“贝恩资本”），这笔交易估值约为43亿美元。该交易预计将于2023年第三季度完成。这项投资将使IMS通过加速创新和实现更深入的跨行业合作，抓住多波束掩模写入工具的重大市场机遇。