星海情報局：一台光刻機，能不能救中國半導體？
【文/星海情報局】
2021年對中國半導體產業來説，或許是一個“時來運轉”的年份。
一月份，鐵了心要封鎖中國科技的特朗普競選失敗，灰溜溜地離開了白宮。以至於繼任者會不會“蕭規曹隨”延續特朗普的政策之類的問題都沒什麼討論的必要了，畢竟，不論誰在白宮當總統，情況都要比特朗普好太多。
3月3日，又有一個好消息傳來——中芯國際剛剛獲得了14nm光刻機的供貨許可，今年將計劃斥資12億美元來購買荷蘭ASML（阿斯麥）公司的光刻機。經過了去年那個充滿了動盪和制裁的夏天，中國半導體產業似乎又回到正常的發展軌道上了。
但問題是：光刻機，救不了中國半導體。
或許是光刻機太過於特殊，以至於我們已經把它看做了半導體行業“救命稻草”的代名詞。但實際上，**光刻機只不過是漫長芯片生產線上的一個部件而已。**一條生產線上少説也有幾十上百種設備，單純地進口一個光刻機，顯然並不能從根本上解決問題。
當公眾將關注的重點全部都放在了光刻機這一種設備身上的時候，我們不自覺地就“失焦”了——我們漸漸地忽略了那些和光刻機一樣重要，卻沒它那麼出名的半導體裝備。
俗話説得好，“工欲善其事，必先利其器”，半導體行業裏更是信奉“一代裝備，一代芯片”，半導體裝備的水平決定了芯片的水平。
當人們都還在操心“中國芯片”的時候，老司機們的關注重點早就全都放在了諸如北方華創、上海微電子這樣的企業上了。套用那句名言就是——“不要問芯片怎麼樣，要問設備怎麼樣！”
半導體設備體系有多複雜？
半導體裝備是一個極其複雜的系統。
常規來看，諸如台積電、中芯國際這樣的大型晶圓廠往往會劃分七個獨立的區域來完成芯片製造的不同工序，不同的區域中之中，安裝相應的設備和準備的材料也不盡相同。
這七個區域分別是：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）。
具體來看，每個區域又需要如下設備來完成相應的工藝：
粗略來看，半導體裝備至少也有20幾種，光刻機不過只是其中一個而已。“一代設備，一代芯片”，除了光刻機之外，其他的設備也都需要達到足夠先進的水平才能滿足高級製程工藝芯片生產的需要。
以中芯國際位於天津的T3 12寸集成電路生產線項目為例：
在一個成熟的、月產1萬片12寸晶圓的生產線上，
擴散設備需要22台，CVD設備需要42台，
塗膠去膠設備需要15台，光刻機需要8台，
刻蝕設備需要25台，離子注入設備需要13台，
PVD設備需要24台，研磨拋光設備需要12台，
清洗設備需要17台，檢測設備需要50台，
測試設備需要33台，其他各種設備需要17台。
所以，半導體行業是不折不扣的重資產行業——錢基本上都用在買設備上了。而上述的這些晶圓處理設備又是設備中最為重要的組成部分，佔了設備投資總額的80%。
如果只是設備種類多，倒也沒什麼稀奇的。但隨着如今芯片的製程工藝越來越走向物理極限，隨着台積電、三星這樣的大廠開始試製5nm製程的芯片，芯片加工工藝的複雜度也越來越高，所需要的工序也越來越多。
尤其是當製造工藝達到了22nm以下的時候，傳統的沉浸式光刻技術已然無能為力，必須使用多重曝光技術。因此，整個芯片的工藝步驟直接突破了1000步的大關。
工序變多了，工藝變複雜了，生產時間也就拉長了——為了保證產能，工廠必須要在生產線上安裝更多的設備。因此，在同樣的產能下，先進工藝生產線所需要的設備數量遠遠高於非先進工藝的生產線。
目前，中國國產晶圓廠絕大多數產品的工藝製程仍然相對落後。即便是對於中芯國際這樣的頭部晶圓廠，14nm/28nm製程的產品也僅僅佔比14.6%，佔絕大多數份額的仍然是45nm以上製程的產品。
由此我們也可以推斷：國內晶圓廠確實缺乏高端、先進的生產設備，整體水平相較於台積電和三星這樣的同行較為落後。
在外部封鎖越來越嚴苛的當下，如果國內半導體裝備產業一日不能提供足夠先進的設備，那麼國內的晶圓廠就一日沒辦法生產更先進的芯片。
國產半導體裝備發展情況
綜合上圖的信息，我們大概可以得到這樣的兩個結論：
第一，中國半導體裝備的產業鏈很完整。擴散、光刻、刻蝕、薄膜生長……半導體產業中的各種核心設備，我們都能生產。
第二，中國半導體整體落後外國1-2代，部分產品落後3代以上。國際領先水平已經達到了7nm，而我們的整體水平還停留在28nm。少數產品達到了國際先進水準（中微半導體刻蝕機），而另外的少數產品落後外國3代（國產光刻機）。
説實話，最後分析出了這個結果，我是很欣慰的——落後不要緊，偏科才要命。雖我們目前的水準不如美國、日本這樣的老牌半導體強國，但我們產業的完整程度和他們比起來並不弱。
如今，集成電路的工藝製程已經越來越逼近物理的極限，每往前走一步都要付出巨大的努力，國外廠商的研究速度已經放緩。客觀來看，中國的半導體產業獲得了一個非常短暫又寶貴的窗口期。
只要我們能繼續堅持下去，遲早有一天能夠追上。
美國的制裁就像一根彈簧——你強它就弱，你弱它就強。一件先進的裝備，如果我們沒有，那麼制裁和封鎖的大棒就會砸在頭上。而如果我們有了，對方瞬間就會知趣地解除限制。
2015年2月4日，美國商務部下屬的產業安全局簽署了一份命令，解除了針對中國的“刻蝕機禁令”，其理由便是“中國已經從事實上獲取了來自中國企業的、和美國產品數量、品質相當的刻蝕設備，繼續實施國家安全出口管制措施已然毫無意義。”
我們有信心追趕世界先進水平，我們也知道只要自己能做出來，禁令就會解除。那麼，擺在中國半導體裝備企業面前的問題就只剩下一個——如何儘快地追趕先進水平。
尾聲：如何追趕
中國半導體裝備產業的發展速度和研發實力是很強的，實際上，我們並不用擔心中國科研人員的水平和國家政策方面的支持。
中國半導體裝備企業最缺的東西，其實是機會。
根據北方華創董事長趙晉榮的觀點，中國半導體裝備產業的強項在於研發速度和服務質量，弱勢則在於起步較晚、缺少產業內的口碑和影響力。
半導體行業是絕對的重資產行業，晶圓廠採購設備必然慎之又慎，一旦出現問題，帶來的損失將不可估量。另外，晶圓廠對於技術升級的需求極高，必然堅持選擇能力範圍內最尖端的技術。
在這樣的因素作用下，晶圓廠更多考慮的是設備的可靠性和先進程度，關鍵在於快速、穩定地實現先進工藝的量產。因此，晶圓廠對於設備質量有嚴格的要求，往往傾向於購買早已成熟的外國設備。
國產設備由於起步較晚，一方面普遍落後世界先進水平，另一方面也缺少業內的口碑，也就很難進入大型晶圓廠的採購名單。
台積電、三星之類的大廠不買國產設備，國內的晶圓廠看了之後，自然也“求穩”，轉身選擇購買進口設備。因此，國產半導體設備的市場佔有率即使是在中國市場上也不太好看。
這種現象帶來的負面影非常嚴重——芯片的生產不是設備到位就能立刻開始進行的，不同的芯片，加工的工藝也不盡相同。生產線上的幾十上百種設備，按照什麼順序、什麼時候用什麼設備，怎麼使用這些設備都需要複雜、嚴格的論證和試生產。國產裝備不被採購，連試生產的機會都沒有，自然也就沒有在實踐中快速改進的機會。
在半導體產業中，裝備生產商和晶圓廠之間是密切合作的關係——裝備生產商需要根據晶圓廠反饋的一線生產信息來改進設計，晶圓廠也會投資裝備生產商來研發領先對手的裝備。荷蘭光刻機巨人ASML先後就接受了英特爾、台積電和三星總計超39億歐元的投資，恰恰就是這種關係的體現。
從客觀上來説，美國的封鎖反而給中國的半導體廠商提供了絕好的機會——受到禁令影響的中國晶圓廠由於很難再採購國外設備，只能選擇和國產裝備商合作，整個產業鏈也都在積極進行“國產替代”——在正常情況下需要付出大量成本才能做成的事情，在禁令作用下卻迅速推進了。
中芯國際作為中國最大的晶圓廠，由於受到了美國的制裁，如今只能採購國內的半導體設備。藉助中芯國際，國產裝備也就提高了在產業內的認可度，各大廠商也會更加願意選擇國產設備。現在，已經有很多國內晶圓廠主動向北方華創、中微半導體這樣的企業尋求合作了。
現在，國產設備企業的產品已經開始呈現“0-1-n”的迭代特點，實現了核心技術“從零到一”的突破後，剩下的“從1到n”的改良式進步就會快很多。
正如前文我們所説，中國半導體裝備產業鏈很完整，各個領域也都取得了一定的突破，和外國的整體差距正在逐漸縮小。國內的設備廠商目前處於“從零到一”和“從1到n”之間的區域，假以時日，就能夠進入國際先進水平。
中國的半導體產業，即將進入屬於它自己的良性循環。
現在，中芯國際又能夠正常購買ASML的14nm製程光刻機了。這不是因為美國人大發慈悲，而是因為中芯國際已經可以成熟量產14nm製程芯片了。
荷蘭進口的光刻機，是結果而不是原因。
光刻機救不了中國半導體，但中國人的智慧與汗水可以。
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