美国人为什么“支持”一家中国半导体设备公司？

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2023-08-20 14:08

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7月底，日本限制23种半导体设备出口的新规生效，这些设备主要针对的是10~14纳米及以下的先进制程设备。

上一次，我们给大家讲了光刻胶国产化的紧迫性；这一次，我们就针对性地来讲讲半导体设备的国产化。

同光刻胶不同，中国有一些种类的半导体设备，已经跑出了一些头部企业。

比如北方华创、中微公司等等，他们在2023年上半年的业绩预告中，净利润同比预增100%以上。

因为美国对华出口管制的影响，中国国产的半导体设备销售额已经增长到5年前的6倍。

原本很多半导体下游厂商用惯了进口设备，是不愿意大费周章试用国产设备的。

但现在，因为美国的作妖，所有人都会考虑如果眼下正用的设备被卡脖子了该怎么办。

加上中国本就是全球最大的半导体设备市场，在过去的一两年中，中国半导体设备国产化率快速增长。

2022年，在国内晶圆厂的招标项目当中，国产设备中标的比例达到了36%，这是史无前例的一个比例。

而这其中增长最显著的，就是刻蚀设备。

说起这个，很多人觉得陌生，不如光刻机熟悉。

但事实上，刻蚀设备的市场规模早就超过了价值连城的光刻设备。

打个比方，从硅片到芯片，就像一张纸雕刻成了窗花。

化学薄膜沉积就是先做一层薄膜材料；

光刻机是在上面画花纹；

刻蚀机是根据花纹进行雕刻的刀；

这样三种机器轮番作战，经过1000多步，就能做成现在几纳米先进制程中多达几十层的复杂结构。

不要以为刻蚀的过程就比光刻容易多少。

为了加工芯片，一台等离子刻蚀机一年的工作量是加工10的18次方个孔，也就是100亿亿个孔，几乎每个孔的刻准精度都要达到头发丝的几千分之一到数万分之一。

一块先进制程的芯片，每一步刻蚀都要达到99.99%的准确率，经过1000多个步骤，才能达到90%以上的合格率。

半导体制造流程中的三大关键正是——光刻、刻蚀、薄膜沉积，而在这其中，中国的刻蚀技术算是最早突破的，现在已经实现了5纳米制程设备的量产。

而中国人能做到这一点，要感谢两个人：中国半导体行业的功臣江上舟和中微公司的掌门人尹志尧。

“我是个癌症病人，只剩下半条命了。哪怕豁出命去，也想为国家造出光刻机、等离子刻蚀机来，我们一起干吧！”

江上舟，时任上海市经委副主任兼国家中长期科学和规划重大专项组长，他是尹志尧的学弟——二人都是北京四中毕业的。

2004年，为了劝这位老学长回国，他使出了浑身解数。

尹志尧后来说：直到今天，我还是认为，没有江上舟就没有中微这家企业。

在创办中微之前，尹志尧先后在中科大、北大和加州大学洛杉矶分校取得了本科、硕士和博士学位。在美国读书期间，他被英特尔邀请，协助美国泛林半导体测试他们生产的介质刻蚀机。

测试完，尹志尧直言不讳地说，泛林的技术有待改进，还提了很多建议。

结果英特尔不仅没有恼羞成怒，反而邀请他进入了英特尔的中心技术开发部，加入刻蚀机研发团队。

不出所料，在英特尔待了两年，他就加入了泛林，主导研制了一款“彩虹号”氧化物刻蚀机，成了泛林的拳头产品，帮助泛林在20世纪90年代成为全球规模最大的刻蚀机公司，市占率达到40%。

1991年，在泛林内部动荡之际，美国应用材料公司将尹志尧招入麾下，他在那里工作了13年，担任过等离子体刻蚀机事业群总经理，到他退休的时候，应用材料已经取代泛林，成了刻蚀机市场的第一名。

在此期间，他还协助日企东京电子制作刻蚀机。

这些刻蚀机巨头的崛起背后都有他的功劳。

在硅谷闯荡的20年里，他在半导体行业积累了86项美国专利和200多项国际专利，被誉为“硅谷最有成就的华人之一。”

2004年，尹志尧回国创立中微公司，专门研发刻蚀设备，走的时候，他没有携带一张纸的技术资料。

有人问他，为什么60岁还要回国创业。

尹志尧说：

“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，我总觉得缺些什么东西——对祖国的欠缺，应该给自己的国家做事情。我们家前面三代都是学成回国报效祖国的，参加了民主革命和社会主义建设，所以我一定要效仿前辈的精神。所以就回国工作了。”

结果回国以后他发现，人才问题十分严峻。集成电路要综合50个学科的知识，涉及机械设计、强电、弱电、软件设计、工艺过程、材料科学等等。

尹志尧不禁发问：“我们有着世界上最多的大学毕业生，却找不到几个半导体可用人才，实在说不过去，我们的人才都哪儿去了？”

人才紧缺，中微就从物理、化学、自动化、材料、机械这些专业里招聘，经过十几年的培养，其中很多人已经成了顶梁柱。

一点一点解决内部的人才和知识问题，又面临着外部的知识产权挑战。

花了3年时间，他们把中微第一代刻蚀机研发成功，结果他的老东家应用材料就以窃密为由，把中微告上了法庭。

理由是：中微30多人是从应用材料出走的，用了这么短时间做出这么好的设备，一定盗取了原公司的商业机密技术。

尹志尧义正辞严地告诉他们：

我承诺过不会把美国技术带回中国，我们在中国做的肯定不一样，而且会做得比你们更好。

比方说，等离子体刻蚀要解决等离子源的问题，回国后尹志尧团队提出一个新概念，用甚高频（频带由30MHz到300MHz的无线电电波）和低频的交流射频一起放在下电极，产生一个甚高频耦合的反应离子刻蚀。中微率先采用了这个技术，后来外国公司纷纷跟进。

原来在研发过程中，尹志尧就带着团队研究了竞争对手的3000多件专利，避开了所有雷区，自己还申请了1000多件专利保护，甚至都清楚对手可能在哪些领域对他们发难。

面对诉讼，中微公司自掏腰包2500万美元，请了美国最好的专利律师彻查员工电脑和600万份文件，自证清白。美国老东家也要对等地查，电脑中有没有中微的文件。结果证明了中微的清白。

最后老东家打不过了，选择跟他们和解，甚至还说以后可以合作。

在2007~2021年期间，尹志尧和中微同老东家泛林、应用材料等几大巨头打了4场大官司，没有一次是对方胜诉。

研发半导体设备非常烧钱，但中微得到了国家的鼎力支持，这里面的“国家”不只是中国，甚至还包括美国。

2014年，中微成为国家半导体大基金的第一个被投企业，一次拿到了4.8亿人民币。

2015年，眼看着中国人用自主技术做出来的刻蚀机将达到国际先进水平，再进行封锁已毫无意义，于是美国商务部宣布解除对中国出口等离子体刻蚀设备的限制。

公告中是这样说的：

“在中国已经有一家非美国的公司有能力供应足够数量以及同等质量的刻蚀机，继续维持现在的国家安全出口管制已达不到其目的了。”

他们说的，正是中微。

此后，中微的发展一日千里。

2018年，中微率先突破5纳米刻蚀技术，在业界引发轰动。

一些自媒体直接宣布“中国突破5纳米芯片制造工艺”，搞得尹志尧也很苦恼，因为5纳米刻蚀机只能完成5纳米制程工艺中的一个环节。

2020年，中微公司的5纳米刻蚀设备进入台积电先进制程产线，现在已经成为了台积电五大等离子体刻蚀设备厂商之一。

中微公司是大陆唯一向台积电供货的半导体设备商。

时至今日，不夸张地说，全球有一半的刻蚀设备都是由尹志尧参与或主导开发的。

也是在2020这一年，中微公司在科创板上市，在第一批上市的企业中，第一个达到千亿元市值，给上海市政府和国家大基金的投资赚回了20倍的回报。

作为一家有“公家”投资背景的民营企业，中微很有趣的一点就是——全员持股。

尹志尧还记得公司市值突破1000亿元的时候，全公司700多人，其中一半的人身价超过1000万，剩下的人只要不是刚来的，全都有百万身价。

从创业的第一天起，用他的话来说，公司就实行了“彻底的社会主义分配制度”，连开车的司机和看门的招待员都有股票，而尹志尧本人持股不到1%。

这也是他在美国工作几十年，从那些先进的半导体设备公司中学到的一大宝贵经验。他待过的英特尔、泛林、应用材料三家公司都是从第一天开始就全员持股。

这或许也是企业留住人才、长期保有高水平作战能力的一大武器。

2021年，尹志尧在采访中透露，中微5纳米以下刻蚀机Alpha原型机的设计、制造、测试及初步的工艺开发和评估等系列工作已经完成。

也正是因为在技术路线上频频做出了正确的选择，积累了足够的实力，中微已经成为中国半导体设备行业一道亮丽的风景线。

但是我们依然要清醒地认识到两大问题：一是行业像中微这样的企业凤毛麟角，他们还不够多、不够大、不够强；二是即便设备企业实现了设备整机的国产化，其中还有一部分（关键）零部件，以及生产零部件的原材料没能实现国产化。

半导体设备国产化一个大体上的规律是：市场规模越大的设备领域，国产化率相对更低，市场规模越小的几个领域，国产化率相对较高。

国产化率最高，达到90%的设备是干法去胶设备，也是相对比较容易的一种，其他设备国产化率均不超过40%，有的只有个位数。

可喜的是，各类设备（除了光刻机以外）基本全部覆盖了28纳米的成熟制程，正在向先进制程提速进军中。

但是如果再深入一步，考察中国半导体设备的核心零部件，国产化率不足10%。

可以说零件国产化进程滞后于设备。

比方说做薄膜沉积的时候要用到PECVD（等离子体增强化学气相沉积）设备，这种设备可能已经整机国产化了。

但PECVD设备中需要用到射频电源，这个东西很重要。

如果射频系统不稳定，那么刻蚀过程中可能出现各种缺陷。

国产射频电源主要用在工业低端设备中，半导体射频电源主要由美、日、德企业垄断，也有英杰电气、恒运昌、北方华创等企业推动了射频电源的国产化。

但即便如此，中国射频电源中要用到的晶体管大多都是国外进口的。

除了射频电源以外，半导体的核心零部件还有阀门、磁流体、腔体、电源、泵等等。

如果要想真真正正不被“卡脖子”，我们要做的工作不是以“年”为单位来计算的，至少也得是“十年”之功。

当年为了做成EUV光刻机，荷兰阿斯麦公司用了20年，花了200亿欧元，也就是1500亿人民币。

现在做刻蚀机和薄膜的几家企业，每年的研发经费都在10~20亿美元的水平。

阿斯麦最贵的一台光刻机可以卖到2亿美元，而中微的刻蚀机是400万美元一台，这已经是中国能拿得出手的最高端的半导体先进制程设备了。

所以说，大家不能心急，我们要从芯片国产化、设备国产化、零部件国产化到原材料国产化，一步一步来。

毕竟我们已经连续三年成为全球最大半导体设备市场，占全球销售额的26%。为了这个市场做国产化，我们动力十足。

从2008年到2022年，中国半导体设备销售额从17亿元增长到了593亿元，但国产设备只占到国内设备采购的15%左右。

如果想实现进一步突破，中国电子专用设备工业协会副秘书长李晋湘表示，我国半导体设备厂商正面临三个挑战：

一是缺乏某类设备，还不能形成体系化生产流程；

二是设备齐全，但无法满足特殊的工艺要求；

三是设备和工艺虽然完善，但关键工艺依然不稳定、不可靠。

同光刻胶等半导体材料一样，不是说做出一台设备来，就是完成了国产替代，而是还要经过数年的客户试用、反馈、修改、迭代，再试用、小规模量产、大规模量产等一系列步骤，才能一步步完成国产设备对进口设备的替代。

在半导体领域，从0到1很重要，但从1到N同样重要。

一条半导体生产线的投资金额动辄就是上百亿美元，当中至少需要3000台设备，我们的国产替代要一台一台、一种一种地去做。

流水不争先，争的是滔滔不绝。

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