2015年2月,美国商务部悄悄更新了一则声明,五千多个单词重点讲了一件事:
取消向中国出口等离子刻蚀机的限制。
国人对半导体设备禁令的印象,大多始于2019年声势浩大的科技战,但早在互联网还没有记忆的1996年,美国就集结了“巴统” 17国在内的33个国家,以《瓦森纳协定》的形式确定了密不透风的技术出口管控。
协定的3.B条款严格限制了芯片制造前、中、后道几乎所有核心设备,其中就包括刻蚀机。
2015年的声明是美国迄今唯一一次“让步”,原因也很朴实:
“有一家非美国公司已经有能力供应足够数量和同等质量的刻蚀机。”
美国商务部的解除限制证明
这家“非美国公司”名叫中微公司,创始人尹志尧是应用材料(AMAT)的刻蚀机事业部的一把手,后者是美国乃至全球最大的半导体设备公司。
2003年,尹志尧代表应用材料来中国参展,遇到高中校友江上舟。江上舟可谓上海半导体产业的“总设计师”,主导了大批在美国工作的华人工程师回国创业,上一个被江上舟请到上海的就是张汝京创办的中芯国际。
应用材料在展会上公开了其刻蚀机的内部构造,江上舟忍不住对尹志尧感叹道:
“看来造刻蚀机比造原子弹还复杂。”
一年后,中微公司落户上海金桥,成立第三年量产首款刻蚀机,第七年实现45nm介质刻蚀机的国产突破,成为台积电5nm产线上唯一一家中国大陆刻蚀机供应商。
同一时期,国内规模最大的半导体设备公司北方华创在北京成立,由七星电子与北方微电子重组合并而来。其中七星电子的历史可以追溯到苏联援建时期,开发过中国第一台扩散炉和等离子刻蚀机,继承了上个世纪中国半导体设备开发的几乎全部遗产。
在“卡脖子”这个词还没普及的年代,国产半导体设备已经开始在逆风中疾行了。
权力与秩序
2023年,光刻机生产商ASML问鼎全球最大半导体设备制造商,蝉联榜一大哥三十年的应用材料沦为背景板。
经历多年科技战,光刻机已然成为“卡脖子”这一概念具体的表征。但作为人类迄今为止最复杂的工程,芯片制造的工序和环节极端复杂。一般来说,半导体制造有
光刻
、
刻蚀
、
薄膜
沉积“三大主设备”的说法,三种设备占据整个市场六成以上的份额。
通俗来说,一颗芯片并不是被“光刻”出来的,而是“刻蚀”出来的。拿刻印章类比,光刻类似在印章上画好草图,刻蚀会把光刻标记的草图,通过物理或化学方法去除,类似用刀具刻出具体的图案。
芯片制造的原理并不复杂,但高端制造业的核心在于对精度和误差的控制。
生产1厘米直径的钢管和生产1.00001厘米直径的钢管,后者的难度与利润比前者大上百倍千倍。
一块硅晶圆变成芯片,所有的流程精度都在纳米计量的区间游走,工匠精神含量远非搓寿司能望其项背。与光刻机类似,全球刻蚀设备由泛林、应用材料和东京电子分而治之,三者几乎垄断了整个市场。
相比之下,薄膜沉积设备奋起多年,国产化率尚且爬升到35%,刻蚀机在20%徘徊,光刻机甚至不到3%。
芯片制程会跟随摩尔定律进步,但生产芯片的设备却不受摩尔定律支配,很容易形成强者恒强的局面。因此,美国制造业虽然日常衰落,但在半导体设备市场,美国公司都快站不下了。
另一方面,芯片制造是一个非常年轻的产业,在各个半导体设备公司不断出清整合的过程中,幸存者所积累的Know How会成为某种意义上的“标准”,进一步提高了后来者的入场门槛。
俗话说“一流企业做标准”,但标准并不是被“制定”出来的,而是在漫长的市场竞争中不断磨合推敲,最终成为行业心照不宣的标准。
上世纪90年代,伴随电子设备小型化和消费电子市场的繁荣,芯片制造开始从垂直整合走向水平分工。
当芯片公司不断将生产环节外包出去,芯片制造流程不断标准化,上游的设备制造商被动或主动地参与了标准的确立。
ASML创办于1984年,光刻机已经在美日厂商之间打了个来回。尼康的首台商用步进式光刻机NSR-1010G与“销冠”GCA的DSW-4800针尖对麦芒,市场份额开始平起平坐。
上图NSR-1010G,下图DSW-4800
泛林80年代初发明了等离子刻蚀机,确立了刻蚀机的头把交椅;应用材料凭借划时代的CVD(化学气象沉积)Precision 5000和PVD(物理气相沉积)Endura 5500,在薄膜沉积一统江湖。
这个过程中,设备生产商会根据晶圆厂的生产方法确定投资方向,晶圆厂也会自发依照生产设备调整生产流程,大家心照不宣的“标准”就会逐渐形成。基于标准的强绑定关系,是一堵密不透风的幕墙。
因此,半导体“后进国”很容易沦为买票进场的看客,直接引进国外设备变成建立芯片产线最具性价比的方案,但也会为前者浇筑越来越厚的技术壁垒。
关关难过关关过
每个垄断市场的设备巨头的背后,都对应着一个拥有绝对话语权的供应链帝国。
2012年,ASML拿出一半的营收,收购了一家名叫Cymer的美国公司。后者是ASML的光源供应商——通过每秒5万次二氧化碳激光轰击液态锡,产生强度足够大的EUV光源,通过多次镜面反射,在晶圆上刻画电路。这是美国限制EUV光刻机出口的技术源头。
2016年,ASML再接再厉,收购镜片供应商蔡司25%的股权。后者为ASML提供的镜片是地球上最光滑的东西,负责为光源创造光路。
High-NA EUV光刻机镜片,蔡司将其形容为“世界上最精确的镜子”,图片来源:蔡司
通过类似“让利、共同研发、独家供应”三板斧[4],ASML将一家家零部件供应商绑上战船。时至今日,ASML EUV光刻机零部件个数已经超过了10万,背后是5100多个供应商。
中微公司第一款刻蚀机的设计在2004年就已定稿,但尹智尧发现,量产的最大困难在于找不到趁手的零部件供应商[1]。
当时,中微刻蚀机采用了两个反应台同时加工的设计,刻蚀效率成倍提高,但这种设计意味着必须对零部件进行重新设计,问题由此产生。
一是经过漫长的整合,供应商与设备生产商往往紧密绑定,类似ASML与Cymer的关系。这也是众多“后进生”遇到的共同问题:供应商都与设备生产商紧密绑定,封死了后来者的路径。