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2023-01-31
造出光刻機，其實不用急
更新時間：2022-09-28 12:45:07作者：智慧百科
圖片來源@視覺中國
鈦媒體注：本文來源于微信公眾號億歐網(wǎng)（ID： i-yiou），作者 | 陳俊一，編輯 | 常亮，鈦媒體經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
最近，中國影視領(lǐng)域罕見的芯片創(chuàng)業(yè)題材電視劇《縱橫芯?！沸細⑶?。該劇講述的，是集成電路產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)特別是上海浦東從0到1的創(chuàng)業(yè)故事。
作為劇集重要發(fā)生地的上海，恰好在前不久召開新聞發(fā)布會，透露上海在集成電路領(lǐng)域已經(jīng)取得的重要成績：上海企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)14納米先進工藝規(guī)模量產(chǎn)，90納米光刻機、5納米刻蝕機、12英寸大硅片、國產(chǎn)CPU、5G芯片等實現(xiàn)突破……
盡管光刻機取得部分突破，但90納米光刻機通過極限三次曝光才能達到22納米水平，要再想通過更多次曝光生產(chǎn)14納米芯片基本不可能。但ASML用于7納米及以下芯片制造的EUV光刻機依然對中國禁售，只有制造14納米及以上工藝芯片的DUV光刻機才有限制地出售給我們，今年第一季度ASML就向國內(nèi)出貨了23臺DUV光刻機。在14納米先進工藝規(guī)模量產(chǎn)上，我們依賴的還是ASML的光刻機。
芯片行業(yè)的篳路藍縷，遠比電視劇中表現(xiàn)出的更加艱難，至今我們依然在半導體領(lǐng)域被卡脖子。但路總是一步一步走，結(jié)要一環(huán)一環(huán)解。就如在國產(chǎn)90納米光刻機基礎(chǔ)上要想更進一步，就需要全球最頂尖的物鏡以及光源，這些零部件哪怕ASML也無法生產(chǎn)，需要依賴德國蔡司及美國Crymer等企業(yè)。沒有這些最優(yōu)秀的零部件供應商，目前還沒有任何一家企業(yè)、任何一個國家可以獨自生產(chǎn)制造7納米工藝芯片以下的光刻機。
國產(chǎn)半導體零部件、設備中標量雙提升
ASML的成功，美國EUV LLC聯(lián)盟的助力也是重要的一環(huán)。
因為1997年由美國能源部與英特爾牽頭，集結(jié)全球領(lǐng)先巨頭與科技力量成立的EUV LCC，將ASML的競爭對手尼康、佳能排除在外，確保ASML能夠獲得最先進的零部件與技術(shù)。從1997年成立到2003年解散，EUV LLC聯(lián)盟集中全產(chǎn)業(yè)鏈之力，發(fā)表了數(shù)百篇論文，驗證了EUV光刻技術(shù)的可行性。
正是這些幕后的支持，讓ASML成為世界上唯一能夠生產(chǎn)最先進EUV光刻機的制造商。當然，美國也不可能平白無故為他人作嫁衣裳。ASML也知道投桃報李、利益捆綁，在2012年提出“客戶聯(lián)合投資計劃”（CCIP），ASML的客戶可以通過注資成為股東并擁有優(yōu)先訂貨權(quán)。
英特爾等美國客戶就是ASML的股東之一，經(jīng)過多輪復雜交易之后，公開數(shù)據(jù)顯示ASML第一大股東是Capital Research and Management Company（美國資金研究與管理公司），擁有15.81%的股份；第二大股東是BlackRock Inc.（美國黑巖集團），擁有7.95%的股份。第三大股東是Baillie Gifford（英國柏基投資），擁有4.54%的股份。
前兩大股東都是美國機構(gòu)，且ASML股權(quán)非常分散，持股機構(gòu)高達1000多家，除Top3之外都是低于3%的小機構(gòu)、小股東持股。所以美國資本才對ASML擁有最大的控制力。
資本、客戶、最先進的零部件供應商，缺失任何一環(huán)，ASML恐怕都未必能如此成功。
中國的半導體設備廠商，其實也有大基金，也不缺客戶。最難的一環(huán)，依然是零部件。
目前大部分零部件還是被海外巨頭壟斷，據(jù)芯謀研究數(shù)據(jù)，石英、反應腔噴淋頭、邊緣環(huán)等自給率大于10%，各種泵、陶瓷部件國內(nèi)自給率在5%-10%之間，射頻發(fā)生器、機械手、MFC等自給率在1%-5%之間，閥門、測量儀器等自給率甚至不到1%，半導體零部件整體國產(chǎn)化率處于較低水平。
但中國半導體零部件產(chǎn)業(yè)，也正走在快速崛起的路上。
據(jù)財聯(lián)社，近期發(fā)布的券商研報援引數(shù)據(jù)顯示，國產(chǎn)半導體零部件中標數(shù)量，8月環(huán)比增長200%；1-8月，共計中標22項，同比增長近四成，其中電源及氣體反應系統(tǒng)15項，同比增長50%；熱管理系統(tǒng)2項，真空系統(tǒng)3項，同比增長50%。多家本土零部件制造商名列設備廠商儀器儀表類、電氣類、連接器、結(jié)構(gòu)件、電器類、腔體零部件等零部件的供應商名單，國產(chǎn)零部件加速向本土廠商滲透。
零部件國產(chǎn)率的提升，也帶動設備國產(chǎn)率的提升。
德邦證券就梳理國內(nèi)外半導體零部件廠商中標情況，發(fā)現(xiàn)受國內(nèi)測試、檢測、清洗等設備廠家拉動，中標國產(chǎn)率持續(xù)提升。2022年8中國大陸設備中標數(shù)量為13臺，國產(chǎn)率達31.0%；1-8月開標的666臺設備中，源自中國大陸廠家制造的設備共計239臺，國產(chǎn)率達35.9%。分設備看，1-8月國產(chǎn)率較高的環(huán)節(jié)主要為干法去膠設備（國產(chǎn)率80.6%）、刻蝕設備（58.9%）、清洗設備（53.7%）、拋光設備（42.9%）、涂膠顯影設備（38.9%）。
當然，國產(chǎn)設備廠商距離國際巨頭還有很大距離。據(jù)SEMI統(tǒng)計，ASML、AMAT（應用材料）、LAM（拉姆研究）、TEL（東京電子）、KLA（科磊）五大設備廠商2021年收入合計788億美元，占全球市場約77%。
其中，光刻機的霸主自然是ASML；硅基刻蝕主要被LAM和AMAT壟斷，介質(zhì)刻蝕主要被TEL和LAM壟斷；AMAT在沉積設備（CVD、PVD）領(lǐng)域市占率也非常高，其中CVD市場全球占比約為30%，PVD市場全球占比約為85%；TEL優(yōu)勢在小賽道如涂膠、去膠、熱處理；KLA優(yōu)勢在過程控制，市占率約50%。
不過，中國設備和零部件企業(yè)的優(yōu)勢，在于各細分領(lǐng)域均有入局，比如中微公司MOCVD設備已在客戶芯片生產(chǎn)線上驗證，北方華創(chuàng)在刻蝕機、PVD、CVD、ALD、爐管、清洗等六大類設備上也有自己的優(yōu)勢。盡管國產(chǎn)化率較低，但我們已經(jīng)過了從0到1的階段，正進入從1到10的快速成長階段。隨著關(guān)鍵工藝節(jié)點的技術(shù)突破以及國內(nèi)晶圓產(chǎn)線產(chǎn)能的放量，多點開花的中國企業(yè)，也將會有一批企業(yè)收獲到賽道紅利。
光刻機拼的不僅是錢和技術(shù)，還是朋友圈
據(jù)VLSI分類，半導體設備由八大關(guān)鍵子系統(tǒng)組成：氣液流量控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制程診斷系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、電源及氣體反應系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、晶圓傳送系統(tǒng)及其他關(guān)鍵組件。其中，真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)是較為關(guān)鍵的子系統(tǒng)，成本占比均在10%以上。前者主要包括各類閥、泵等零部件，后者則以射頻電源等為主。
不同的半導體設備，所需要用的零部件也不盡相同。當然也有很多通用性零部件可以用在不同的設備上面，比如閥門、密封圈、軸承、真空泵、MFC（氣體流量計）等。
成千上萬的零部件，共同組成了半導體設備，而零部件的性能、質(zhì)量和精度直接決定著設備的可靠性和穩(wěn)定性，也直接決定著我國能否打破高端光刻機上美國的禁令。
正因為半導體設備零部件眾多，所以行業(yè)人士大都贊同一個觀點：光刻機拼的就不是錢和技術(shù)，是國際上的朋友圈，沒有哪個國家可以在機械，光學，化學材料，軟件，模擬通訊，工業(yè)精度，壓力儀表，流量計等所有設備零部件領(lǐng)域都做到頂尖，即便美國自己也不行。
不過，半導體設備中光刻機雖然重要，但其他設備的重要性也并不輸給光刻機。
集成電路的制造工藝行業(yè)中有“三大四小”工藝之分：所謂三大（約占設備投入75%）即光刻、刻蝕、沉積；所謂四?。s占設備投入25%）即清洗、氧化、檢測、離子注入。
并不是有了光刻機就能造芯片，光刻只是芯片制造工藝流程中地位處于“三大”中的一個，還需要其他六類前道工藝設備的支撐。
比如前不久上海取得突破的中微半導體5納米刻蝕機，其實現(xiàn)難度并不弱于光刻機。光刻決定了水平的精度，蝕刻決定了垂直的精度，兩種工藝都是對制造極限的挑戰(zhàn)。據(jù)了解，中微半導體5納米刻蝕機經(jīng)過臺積電驗證后性能優(yōu)良，已經(jīng)用于其5納米制程生產(chǎn)線。
在光刻、刻蝕、沉積“三大”中，數(shù)據(jù)顯示，光刻機投資占比最高，占比約30%；其次為刻蝕機，占比約20%；再次PVD（物理氣相沉積）占比約15%，PVD/CVD/ALD（物理氣相沉積/化學氣相沉積/原子層沉積）三種沉積設備總共占比約25%。而量測設備、離子注入機、CMP、擴散/氧化設備等在晶圓制造資本投入占比就相對較低。
光刻機投入并不比刻蝕機、沉積設備高出很多，卻吸引了最多的關(guān)注，以至于成為了某種圖騰。但光刻機并不是芯片業(yè)的全部。而且禁令只限制高端光刻機，實際上中國并沒有停止進口光刻機，用來生產(chǎn)14納米及以上成熟制程芯片。
利用中低端產(chǎn)能，逐漸實現(xiàn)高端技術(shù)突破，本就是中國制造業(yè)的長項。
零部件企業(yè)是巨頭征戰(zhàn)全球背后的功臣
由于半導體設備零部件處于半導體產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，也是國產(chǎn)化替代進程中非常艱難的一環(huán)。不過，隨著國內(nèi)半導體晶圓廠及設備公司營收規(guī)模持續(xù)上升，面對國外零部件供應鏈可能出現(xiàn)斷供的威脅，帶動國內(nèi)零部件相關(guān)企業(yè)發(fā)展也將成為應有之義。
實際上，國內(nèi)也已經(jīng)涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的零部件企業(yè)。東北證券就指出，按半導體設備零部件的分類來看，機械類國內(nèi)上市公司有富創(chuàng)精密和菲利華等，電器類有英杰電氣和北方華創(chuàng)等，氣液真空系統(tǒng)類有萬業(yè)企業(yè)和新萊應材等。
而2022年以來，全球主要晶圓廠資本支出依然維持高位，這種對上游零部件供應鏈的需求也為零部件產(chǎn)業(yè)提供了發(fā)展助力。在這個意義上，大陸雖然不能進口EUV光刻機，但成熟制程光刻機帶動的一系列資本支出，反倒對更熟悉成熟制程國產(chǎn)零部件企業(yè)有利。
從2018年以來，美國對中國半導體產(chǎn)業(yè)打壓的力度越來越大，采取了包括提高關(guān)稅、擴大出口管制清單、企業(yè)持股比例控制、研發(fā)交流與科技合作管制等一系列打壓手段。但這些打壓其實影響大的是在先進制程方面，而在成熟制程領(lǐng)域，隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，中國企業(yè)后起直追反而更加從容。
美國的有識之士其實已經(jīng)認識到，禁止出口中國先進光刻機，是損人不利己的，
美中貿(mào)易全國委員會前主席埃文·格林伯格在6月份就曾呼吁，要讓美國企業(yè)更多進入中國市場，而不是強硬“脫鉤”：“我們以前做過這個實驗。此前，美國單方面禁止向中國出售衛(wèi)星技術(shù)。結(jié)果是什么？美國公司失去了收入，歐洲競爭對手填補了真空并獲得了利潤，而中國獲得了它所尋求的能力?！?/p>
因為，一旦零部件大批量國產(chǎn)化以后，下一步就是半導體制造設備的國產(chǎn)替代，再下一步，就是中國獲得了整個半導體產(chǎn)業(yè)的完整能力。而那時，美國不僅失去了挾制中國半導體的能力，更將失去中國半導體的全球最大市場。這是美國企業(yè)不想看到，但美國政客卻在促成的事情。
從零部件到建成完整產(chǎn)業(yè)鏈，韓國有三星這種典型案例：既是全能型 IDM 廠商，擁有芯片設計、芯片制造、芯片封測三大核心能力；也是僅次于臺積電的晶圓代工廠，與臺積電在3納米工藝上貼身肉搏，并首先采用全環(huán)繞柵極晶體管（GAA）技術(shù)。
但韓國還有一些名不見經(jīng)傳的中小企業(yè)，對于中國企業(yè)逆襲或許更有可借鑒之處：例如?產(chǎn)半導體蝕刻耗材硅電極和硅環(huán)的Waldex。
Waldex 創(chuàng)立于2000 年，創(chuàng)始人Jong-shik Bae（音：裴宗植）甚至完全沒有半導體從業(yè)經(jīng)歷，僅是一名法律系畢業(yè)生。但他在韓國首次嘗試將這些原本完全進?的零件本地化生產(chǎn)，2001年成功開發(fā)出硅電極微孔加?技術(shù)， 2009 年開發(fā)出由?純度?英制成的蝕刻部件，甚至還在當年收購了美國硅錠公司W(wǎng)CQ 100%的股權(quán)，使用子公司硅錠來?產(chǎn)硅部件，從?確保了成本競爭?，建?了自己的綜合?產(chǎn)系統(tǒng)。
但在剛創(chuàng)立之時，半導體制造商對Waldex這種初創(chuàng)公司的產(chǎn)品興趣不?，裴宗植在拜訪日本半導體大客戶時，甚至被對方質(zhì)疑，“韓國中?企業(yè)有質(zhì)量管理能?嗎？”經(jīng)過不斷的研發(fā)、成品、打磨、迭代，Waldex的半導體零部件才在韓國、?本得到客戶認可，并逐漸打入美光、臺積電等國際巨頭供應鏈。
現(xiàn)在，Waldex 已經(jīng)成為硅電極和硅環(huán)細分領(lǐng)域具有全球影響力的企業(yè)，還確立了 2025 年實現(xiàn) 2500億韓元銷售額的目標。這種細分領(lǐng)域具有自主研發(fā)實力的眾多零部件供應商，才是韓國半導體產(chǎn)業(yè)冠絕全球看不見的底色，它們?yōu)槿?、海力士等巨頭提供了更多睥睨全球市場的底氣。
系統(tǒng)集成能力，更是核心競爭力
半導體高精尖市場的高端設備，離不開高端零部件。一臺EUV光刻機重達180噸，需要超過5000家供應商的超過10萬個零件，需要40個集裝箱運輸，甚至安裝調(diào)試都要超過一年時間。
我們可以說，是最先進的零部件支撐起ASML。但反過來，如果ASML沒有足夠成熟的系統(tǒng)集成技術(shù)，能夠?qū)⑷绱藦碗s的設備組裝、調(diào)配成功，再先進的零部件也不過是一盤散沙。
ASML生態(tài)伙伴 圖源：ASML2021年報
國內(nèi)擁有最夠多的零部件供應商，本就可以為國內(nèi)設備廠商提供錘煉系統(tǒng)集成能力的機會。
像近日在科創(chuàng)板上市的富創(chuàng)精密，招股書顯示其2019-2021年，實現(xiàn)營業(yè)收入分別為2.53億元、4.81億元及8.43億元，同期凈利潤分別為-3334.40萬元、9350.50萬元、1.26億元。而且，2019-2021年公司對最終客戶為美國客戶的銷售收入占營收比例分別為76.74%、74.75%和58.61%。營收逐年增加，而美國客戶占營收比例逐年下降。這或許意味著國外市場開拓稍有阻礙，但更意味著中國客戶采用國產(chǎn)零部件練手的機會已經(jīng)越來越多。
大陸市場足夠大，也吸引臺灣零部件企業(yè)在大陸擴充產(chǎn)能。據(jù)中時新聞網(wǎng)，在關(guān)鍵零部件及自動化設備需求同步轉(zhuǎn)強下，臺灣地區(qū)半導體零部件企業(yè)京鼎預期第三季營收將優(yōu)于第二季及去年同期，且因應客戶需求強勁，京鼎大陸廠區(qū)今年新產(chǎn)能陸續(xù)開出，今年營運展望樂觀、營收目標維持雙位數(shù)成長不變。
半導體產(chǎn)業(yè)，從零部件到設備，到晶圓制造、芯片封測，所有的環(huán)節(jié)都是緊密聯(lián)動在一起的。芯片從硅料到成品之間，何止幾千道工序：即使每個工序的良率為99%，經(jīng)過幾千道工序之后，良率也已經(jīng)趨近于零。
據(jù)華西證券，先進制程芯片基本都是多層結(jié)構(gòu)，且各層之間連接極為復雜，僅是建立60層復雜結(jié)構(gòu)，就需要至少1000個工序。只有1000個工序每步合格率均達到99.99%，才能實現(xiàn)總體良率90%以上，從而制造出合格良率的芯片。
這對設備的精密度、不同工序間的配合聯(lián)調(diào)、零部件質(zhì)量等等都提出了前所未有的要求，“良率爬坡”從來都是一件非常困難的事情。所有這些要求，對于設備廠商、晶圓廠商等零部件下游企業(yè)都意味著：誰的系統(tǒng)集成能力更強，能夠用好數(shù)十萬種零部件、在數(shù)千道工序中制造出良率合格的芯片，誰才能最終生存下來。
而造出更先進制程的光刻機，雖然很迫切，但也需要產(chǎn)業(yè)鏈更多零部件企業(yè)的崛起，需要半導體設備企業(yè)的系統(tǒng)集成能力在更多練手之后躋身更高水平，這還需要一些時間。但中國半導體，一定有機會在突破層層難關(guān)之后淡然說出那句話——“無他，惟手熟爾”。