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造出光刻机,其实不用急

亿欧 | 专注科技、产业、投资的信息平台和智库 2022/09/28 08:13

新知达人, 造出光刻机,其实不用急

系统集成能力,更是半导体企业核心竞争力。

全文5826字,阅读约需12分钟

文|陈俊一

编辑 | 常亮

题图 | unsplash

最近,中国影视领域罕见的芯片创业题材电视剧《纵横芯海》宣布杀青。该剧讲述的,是集成电路产业在国内特别是上海浦东从0到1的创业故事。

作为剧集重要发生地的上海,恰好在前不久召开新闻发布会,透露上海在集成电路领域已经取得的重要成绩:上海企业已经实现14纳米先进工艺规模量产,90纳米光刻机、5纳米刻蚀机、12英寸大硅片、国产CPU、5G芯片等实现突破……

尽管光刻机取得部分突破,但90纳米光刻机通过极限三次曝光才能达到22纳米水平,要再想通过更多次曝光生产14纳米芯片基本不可能。但ASML用于7纳米及以下芯片制造的EUV光刻机依然对中国禁售,只有制造14纳米及以上工艺芯片的DUV光刻机才有限制地出售给我们,今年第一季度ASML就向国内出货了23台DUV光刻机。在14纳米先进工艺规模量产上,我们依赖的还是ASML的光刻机。

芯片行业的筚路蓝缕,远比电视剧中表现出的更加艰难,至今我们依然在半导体领域被卡脖子。但路总是一步一步走,结要一环一环解。就如在国产90纳米光刻机基础上要想更进一步,就需要全球最顶尖的物镜以及光源,这些零部件哪怕ASML也无法生产,需要依赖德国蔡司及美国Crymer等企业。没有这些最优秀的零部件供应商,目前还没有任何一家企业、任何一个国家可以独自生产制造7纳米工艺芯片以下的光刻机。


国产半导体零部件、设备中标量双提升

ASML的成功,美国EUV LLC联盟的助力也是重要的一环。

因为1997年由美国能源部与英特尔牵头,集结全球领先巨头与科技力量成立的EUV LCC,将ASML的竞争对手尼康、佳能排除在外,确保ASML能够获得最先进的零部件与技术。从1997年成立到2003年解散,EUV LLC联盟集中全产业链之力,发表了数百篇论文,验证了EUV光刻技术的可行性。

正是这些幕后的支持,让ASML成为世界上唯一能够生产最先进EUV光刻机的制造商。当然,美国也不可能平白无故为他人作嫁衣裳。ASML也知道投桃报李、利益捆绑,在2012年提出“客户联合投资计划” (CCIP) ,ASML的客户可以通过注资成为股东并拥有优先订货权。

英特尔等美国客户就是ASML的股东之一,经过多轮复杂交易之后,公开数据显示ASML第一大股东是Capital Research and Management Company (美国资金研究与管理公司) ,拥有15.81%的股份;第二大股东是BlackRock Inc. (美国黑岩集团) ,拥有7.95%的股份。第三大股东是Baillie Gifford (英国柏基投资) ,拥有4.54%的股份。

前两大股东都是美国机构,且ASML股权非常分散,持股机构高达1000多家,除Top3之外都是低于3%的小机构、小股东持股。所以美国资本才对ASML拥有最大的控制力。

资本、客户、最先进的零部件供应商,缺失任何一环,ASML恐怕都未必能如此成功。

中国的半导体设备厂商,其实也有大基金,也不缺客户。最难的一环,依然是零部件。

目前大部分零部件还是被海外巨头垄断,据芯谋研究数据,石英、反应腔喷淋头、边缘环等自给率大于10%,各种泵、陶瓷部件国内自给率在5%-10%之间,射频发生器、机械手、MFC等自给率在1%-5%之间,阀门、测量仪器等自给率甚至不到1%,半导体零部件整体国产化率处于较低水平。

新知达人, 造出光刻机,其实不用急

但中国半导体零部件产业,也正走在快速崛起的路上。

据财联社,近期发布的券商研报援引数据显示,国产半导体零部件中标数量,8月环比增长200%;1-8月,共计中标22项,同比增长近四成,其中电源及气体反应系统15项,同比增长50%;热管理系统2项,真空系统3项,同比增长50%。多家本土零部件制造商名列设备厂商仪器仪表类、电气类、连接器、结构件、电器类、腔体零部件等零部件的供应商名单,国产零部件加速向本土厂商渗透。

零部件国产率的提升,也带动设备国产率的提升。

德邦证券就梳理国内外半导体零部件厂商中标情况,发现受国内测试、检测、清洗等设备厂家拉动,中标国产率持续提升。2022年8中国大陆设备中标数量为13台,国产率达31.0%;1-8月开标的666台设备中,源自中国大陆厂家制造的设备共计239台,国产率达35.9%。分设备看,1-8月国产率较高的环节主要为干法去胶设备 (国产率80.6%) 、刻蚀设备 (58.9%) 、清洗设备 (53.7%) 、抛光设备 (42.9%) 、涂胶显影设备 (38.9%)

当然,国产设备厂商距离国际巨头还有很大距离。据SEMI统计,ASML、AMAT (应用材料) 、LAM (拉姆研究) 、TEL (东京电子) 、KLA (科磊) 五大设备厂商2021年收入合计788亿美元,占全球市场约77%。

其中,光刻机的霸主自然是ASML;硅基刻蚀主要被LAM和AMAT垄断,介质刻蚀主要被TEL和LAM垄断;AMAT在沉积设备 (CVD、PVD) 领域市占率也非常高,其中CVD市场全球占比约为30%,PVD市场全球占比约为85%;TEL优势在小赛道如涂胶、去胶、热处理;KLA优势在过程控制,市占率约50%。

不过,中国设备和零部件企业的优势,在于各细分领域均有入局,比如中微公司MOCVD设备已在客户芯片生产线上验证,北方华创在刻蚀机、PVD、CVD、ALD、炉管、清洗等六大类设备上也有自己的优势。尽管国产化率较低,但我们已经过了从0到1的阶段,正进入从1到10的快速成长阶段。随着关键工艺节点的技术突破以及国内晶圆产线产能的放量,多点开花的中国企业,也将会有一批企业收获到赛道红利。


光刻机拼的不仅是钱和技术,还是朋友圈

据VLSI分类,半导体设备由八大关键子系统组成:气液流量控制系统、真空系统、制程诊断系统、光学系统、电源及气体反应系统、热管理系统、晶圆传送系统及其他关键组件。其中,真空系统、电源系统是较为关键的子系统,成本占比均在10%以上。前者主要包括各类阀、泵等零部件,后者则以射频电源等为主。

不同的半导体设备,所需要用的零部件也不尽相同。当然也有很多通用性零部件可以用在不同的设备上面,比如阀门、密封圈、轴承、真空泵、MFC (气体流量计) 等。

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成千上万的零部件,共同组成了半导体设备,而零部件的性能、质量和精度直接决定着设备的可靠性和稳定性,也直接决定着我国能否打破高端光刻机上美国的禁令。

正因为半导体设备零部件众多,所以行业人士大都赞同一个观点:光刻机拼的就不是钱和技术,是国际上的朋友圈,没有哪个国家可以在机械,光学,化学材料,软件,模拟通讯,工业精度,压力仪表,流量计等所有设备零部件领域都做到顶尖,即便美国自己也不行。

不过,半导体设备中光刻机虽然重要,但其他设备的重要性也并不输给光刻机。

集成电路的制造工艺行业中有“三大四小”工艺之分:所谓三大 (约占设备投入75%) 即光刻、刻蚀、沉积;所谓四小 (约占设备投入25%) 即清洗、氧化、检测、离子注入。

并不是有了光刻机就能造芯片,光刻只是芯片制造工艺流程中地位处于“三大”中的一个,还需要其他六类前道工艺设备的支撑。

新知达人, 造出光刻机,其实不用急

比如前不久上海取得突破的中微半导体5纳米刻蚀机,其实现难度并不弱于光刻机。光刻决定了水平的精度,蚀刻决定了垂直的精度,两种工艺都是对制造极限的挑战。据了解,中微半导体5纳米刻蚀机经过台积电验证后性能优良,已经用于其5纳米制程生产线。

在光刻、刻蚀、沉积“三大”中,数据显示,光刻机投资占比最高,占比约30%;其次为刻蚀机,占比约20%;再次PVD (物理气相沉积) 占比约15%,PVD/CVD/ALD (物理气相沉积/化学气相沉积/原子层沉积) 三种沉积设备总共占比约25%。而量测设备、离子注入机、CMP、扩散/氧化设备等在晶圆制造资本投入占比就相对较低。

光刻机投入并不比刻蚀机、沉积设备高出很多,却吸引了最多的关注,以至于成为了某种图腾。但光刻机并不是芯片业的全部。而且禁令只限制高端光刻机,实际上中国并没有停止进口光刻机,用来生产14纳米及以上成熟制程芯片。

利用中低端产能,逐渐实现高端技术突破,本就是中国制造业的长项。


零部件企业是巨头征战全球背后的功臣

由于半导体设备零部件处于半导体产业链的最上游,也是国产化替代进程中非常艰难的一环。不过,随着国内半导体晶圆厂及设备公司营收规模持续上升,面对国外零部件供应链可能出现断供的威胁,带动国内零部件相关企业发展也将成为应有之义。

实际上,国内也已经涌现出一大批优秀的零部件企业。东北证券就指出,按半导体设备零部件的分类来看,机械类国内上市公司有富创精密和菲利华等,电器类有英杰电气和北方华创等,气液真空系统类有万业企业和新莱应材等。

而2022年以来,全球主要晶圆厂资本支出依然维持高位,这种对上游零部件供应链的需求也为零部件产业提供了发展助力。在这个意义上,大陆虽然不能进口EUV光刻机,但成熟制程光刻机带动的一系列资本支出,反倒对更熟悉成熟制程国产零部件企业有利。

从2018年以来,美国对中国半导体产业打压的力度越来越大,采取了包括提高关税、扩大出口管制清单、企业持股比例控制、研发交流与科技合作管制等一系列打压手段。但这些打压其实影响大的是在先进制程方面,而在成熟制程领域,随着晶体管电路逐渐接近性能极限,中国企业后起直追反而更加从容。

美国的有识之士其实已经认识到,禁止出口中国先进光刻机,是损人不利己的,

美中贸易全国委员会前主席埃文·格林伯格在6月份就曾呼吁,要让美国企业更多进入中国市场,而不是强硬“脱钩”:“我们以前做过这个实验。此前,美国单方面禁止向中国出售卫星技术。结果是什么?美国公司失去了收入,欧洲竞争对手填补了真空并获得了利润,而中国获得了它所寻求的能力。”

因为,一旦零部件大批量国产化以后,下一步就是半导体制造设备的国产替代,再下一步,就是中国获得了整个半导体产业的完整能力。而那时,美国不仅失去了挟制中国半导体的能力,更将失去中国半导体的全球最大市场。这是美国企业不想看到,但美国政客却在促成的事情。

从零部件到建成完整产业链,韩国有三星这种典型案例:既是全能型 IDM 厂商,拥有芯片设计、芯片制造、芯片封测三大核心能力;也是仅次于台积电的晶圆代工厂,与台积电在3纳米工艺上贴身肉搏,并首先采用全环绕栅极晶体管 (GAA) 技术。

但韩国还有一些名不见经传的中小企业,对于中国企业逆袭或许更有可借鉴之处:例如⽣产半导体蚀刻耗材硅电极和硅环的Waldex。

Waldex 创立于2000 年,创始人Jong-shik Bae (音:裴宗植) 甚至完全没有半导体从业经历,仅是一名法律系毕业生。但他在韩国首次尝试将这些原本完全进⼝的零件本地化生产,2001年成功开发出硅电极微孔加⼯技术, 2009 年开发出由⾼纯度⽯英制成的蚀刻部件,甚至还在当年收购了美国硅锭公司WCQ 100%的股权,使用子公司硅锭来⽣产硅部件,从⽽确保了成本竞争⼒,建⽴了自己的综合⽣产系统。

但在刚创立之时,半导体制造商对Waldex这种初创公司的产品兴趣不⼤,裴宗植在拜访日本半导体大客户时,甚至被对方质疑,“韩国中⼩企业有质量管理能⼒吗?”经过不断的研发、成品、打磨、迭代,Waldex的半导体零部件才在韩国、⽇本得到客户认可,并逐渐打入美光、台积电等国际巨头供应链。

现在,Waldex 已经成为硅电极和硅环细分领域具有全球影响力的企业,还确立了 2025 年实现 2500亿韩元销售额的目标。这种细分领域具有自主研发实力的众多零部件供应商,才是韩国半导体产业冠绝全球看不见的底色,它们为三星、海力士等巨头提供了更多睥睨全球市场的底气。


系统集成能力,更是核心竞争力

半导体高精尖市场的高端设备,离不开高端零部件。一台EUV光刻机重达180吨,需要超过5000家供应商的超过10万个零件,需要40个集装箱运输,甚至安装调试都要超过一年时间。

我们可以说,是最先进的零部件支撑起ASML。但反过来,如果ASML没有足够成熟的系统集成技术,能够将如此复杂的设备组装、调配成功,再先进的零部件也不过是一盘散沙。

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ASML生态伙伴

图源:ASML2021年报

国内拥有最够多的零部件供应商,本就可以为国内设备厂商提供锤炼系统集成能力的机会。

像近日在科创板上市的富创精密,招股书显示其2019-2021年,实现营业收入分别为2.53亿元、4.81亿元及8.43亿元,同期净利润分别为-3334.40万元、9350.50万元、1.26亿元。而且,2019-2021年公司对最终客户为美国客户的销售收入占营收比例分别为76.74%、74.75%和58.61%。营收逐年增加,而美国客户占营收比例逐年下降。这或许意味着国外市场开拓稍有阻碍,但更意味着中国客户采用国产零部件练手的机会已经越来越多。

大陆市场足够大,也吸引台湾零部件企业在大陆扩充产能。据中时新闻网,在关键零部件及自动化设备需求同步转强下,台湾地区半导体零部件企业京鼎预期第三季营收将优于第二季及去年同期,且因应客户需求强劲,京鼎大陆厂区今年新产能陆续开出,今年营运展望乐观、营收目标维持双位数成长不变。

半导体产业,从零部件到设备,到晶圆制造、芯片封测,所有的环节都是紧密联动在一起的。芯片从硅料到成品之间,何止几千道工序:即使每个工序的良率为99%,经过几千道工序之后,良率也已经趋近于零。

据华西证券,先进制程芯片基本都是多层结构,且各层之间连接极为复杂,仅是建立60层复杂结构,就需要至少1000个工序。只有1000个工序每步合格率均达到99.99%,才能实现总体良率90%以上,从而制造出合格良率的芯片。

这对设备的精密度、不同工序间的配合联调、零部件质量等等都提出了前所未有的要求,“良率爬坡”从来都是一件非常困难的事情。所有这些要求,对于设备厂商、晶圆厂商等零部件下游企业都意味着:谁的系统集成能力更强,能够用好数十万种零部件、在数千道工序中制造出良率合格的芯片,谁才能最终生存下来。

而造出更先进制程的光刻机,虽然很迫切,但也需要产业链更多零部件企业的崛起,需要半导体设备企业的系统集成能力在更多练手之后跻身更高水平,这还需要一些时间。但中国半导体,一定有机会在突破层层难关之后淡然说出那句话——“无他,惟手熟尔”。

本文由亿欧原创。

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