中國刻蝕機第一人談芯片製造

  最一期楊瀾訪談錄節目《逐風者》專訪我國半導體設備産業的重要領軍人物之一——尹志堯。現年77歲的尹志堯在技術及産品的開發中獲得過400多項各國專利,被評價爲「矽谷最有成就的華人之一」。
  近60年,人類微觀加工能力已提升1萬億倍
  從手機、電腦、家用電器到出門開車,人們的生活越來越離不開芯片。如果在家裏排查一番,多則能找出大概數百個芯片。
  據尹志堯分享,近60年來,隨著數碼時代、智能時代的發展,人類將微觀器件面積縮小到原來的1萬億分之一,即微觀加工能力已提升1萬億倍。
  「相當於200萬棟五層的大樓,裏面全是電子管,現在縮到一個指甲蓋上去了,這是一個非常奇妙的革命。」尹志堯説。
  而通過光刻機、薄膜機、等離子體刻蝕機的芯片製造設備的組合拳,尹志堯説:「(在一個米粒上)用手工刻,我見過最多的是不到300個字,我們現在可以在米粒上刻1億個字。」
  芯片製造如同剪窗花,10000/1頭髮絲上能蓋出五六十層的晶體管微觀大樓
  芯片製造流程包括切割晶圓、塗膜、光刻、刻蝕、摻雜、測試等等。其中,光刻技術、刻蝕技術、薄膜沉積爲主要生産技術。
  光刻技術是一種將圖紙上的芯片電路設計通過類似照片沖印的技術印製到矽片上的技術,而刻蝕技術主要用於在芯片上進行微觀雕刻。
  每個綫條和深孔的加工精度,如同在人的頭髮絲直徑的幾千萬分之一甚至上萬分之一的面積上,進行有50~60層大樓的「微觀世界」的建設。
  尹志堯將建設其中的每一層,比作剪窗花。剪窗花需要一張紅紙,然後用筆來描圖,再用剪刀將不需要的部分剪掉,就做出來這一層的結構了。
  光刻機、薄膜機、等離子體刻蝕機正是做類似的事情。薄膜機鋪一層材料,就如剪窗花要有一張紅紙,然後光刻機在上面畫各種花紋,等離子體刻蝕機將不要的東西刻掉。三步缺一不可。
  其中最重要的是光刻機,如果光刻機畫不出花紋來,等離子體刻蝕機就不知道怎麽去刻。
  這樣一層一層往上蓋,如果做5nm,每一層大概有十幾個步驟,如果要蓋五六十層,需經約1000個工藝步驟加工。就這樣,像蓋樓一樣,一層一層將芯片這個複雜而精細的微觀結構做了出來。
  等離子體刻蝕機16年花費了20億人民幣
  一個芯片的製造涉及到50多個學科知識和技術、幾百到上千個步驟。建設一條先進的芯片生產線,需要10大類、300多種細分設備,共需要3000多台各種設備。
  這帶來巨大的投資開銷。尹志堯説,要投資一條5nm生產線,大概需投資100億美金,1個月可以生產5萬~6萬片。這100億美金中,70%~80%用於採購各種設備。
  工欲善其事,必先利其器。尹志堯舉了兩個例子,一是全球光刻機霸主荷蘭ASML公司,二是中微公司自身。
  20年前,ASML已經是世界最先進的光刻機公司之一,過去20年它花了約200億歐元,相當於1500億人民幣。一個已經成熟的公司尚且需要花費如此大的開銷,才開發出新一代EUV(極紫外線)光刻機。
  做等離子體刻蝕機的中微公司,在過去16年大約花費了20億人民幣,相比光刻機要少,但也已經是相當多的錢。
  尹志堯提到高端設備往往有3個共性特點:一是開發時間長,少則3年、5年,一般需要7~10年才能做出來的,長則可能10年、20年;二是投資需要幾十億元地投;三是在這個領域裏,每一個具體設備,國際上僅有兩三家能够做,即高度壟斷,所以它的競爭格局和一般的産業不一樣的。
  國內芯片製造與國際先進水平差距:大約三代、5~10年國內芯片製造為何會與國際先進水平存在差距?
  尹志堯認爲,這並不是因爲中國人科學技術能力差,而是因為我國在過去40年改革開放,主要補了第一代工業革命的課,如今,在高鐵、蓋跨海長橋等基建方面,我們都是世界最好的。
  但在這40年期間,國外的重點在於智能和數碼時代的革命,所以我們現在要繼續直追。而如果沒有基礎工業的根基,是沒有辦法做芯片的,這是一個客觀原因。
  我國芯片發展速度已經很快,中低端芯片都做得相當不錯,但在高端芯片方面仍受制於國外設備及技術,這還需要一段時間才能趕上。
  據尹志堯分享,現在國內14nm已經在生產線上大量生產,7nm開始要進入生產;而國外5nm已經量產,3nm大概會在明年進入試生產。因此,我們和國際先進水平的差距大概在三代左右,約為5~10年。
  而國外正以最快的速度發展,因此我們必須要加緊趕上去。
  中微不做芯片,5nm技術僅用於刻蝕機
  2018年4月,隨著中微已掌握5nm刻蝕技術的消息發布,一些媒體跟風散播「我國已掌握了5nm芯片工藝,國産芯片的春天到了」之類的消息。
  此類報道,令尹志堯感到十分驚異。他闢謠説,中微在2018年的確掌握了5nm技術,但這僅限於刻蝕機,中微公司並不是做芯片的,只是給做芯片的公司提供設備。
  對此,他有兩個想法。一是真正在業界工作的人士,都在努力做一件實事,不斷推進技術,然後産生的産品能够回饋給社會,給老百姓用。這本來是一個好事兒,可以去宣傳,但是不要誇。另外,他特別希望强調的是,集成電路是成千上萬的集成努力,不要太過分地突出一個人的作用,任何一個人是做不成任何事情的,只有很多企業的聯合作戰,才能將這個産業推向前進。
  2017年,許多國家的半導體製造還處在10nm和7nm階段,而四年後的今天,5nm的芯片已投入生産,與此同時,半導體行業的從業者們,還在不斷向物理極限發起挑戰,2nm、1nm……最後的極限還尚未可知。
  尹志堯認爲,很難説什麽是最後極限,「最後的極限就是原子水平和分子水平的加工。其實我們刻蝕機已經刻到一兩個原子這樣的準確度。」
  沒有國家能憑一國之力做出芯片,科技創新定會促進各國合作發展
  集成電路産業需要全世界各國和很多公司上下協同努力才能做出來。「沒有任何一個國家,包括美國在內,可以靠自己一國之力,把集成電路從頭做到尾。」
  美國雖然是半導體集成電路的發源地,但是經過這四五十年的發展,美國本土能做的芯片或設備也是有限的。
  比如美國現在要在自己本國建一條生産綫,尹志堯估計,它有將近一半的設備和材料要從日本、歐洲和亞洲進口。整個集成電路的技術是一個很長的生産鏈,沒有任何一個國家可以關起門來,獨立把它做起來。
  而且科技創新的生産力,會逐漸地促進各個國家之間的合作。
  當然,最後每一個國家都要有自己獨立自主發展的戰略。特別是大國,不可能什麼都依賴別人。有從芯片設計到製造、設備、材料等非常完整的產業鏈,是有後發優勢的。
  「我們必須在這個基礎上,進一步地使我們各個産業上的關鍵環節能够有超常的發展,而且我們有些核心技術要超過國際上的先進水平,這一點我有非常强的信心。」尹志堯説。
  華人對美國集成電路發展做出巨大貢獻
  在美國的集成電路歷史上,華人起到了非常關鍵的作用。1984年,尹志堯到英特爾中心研究開發部時,第一天就令他感到傻眼。中心研究開發部有兩個大的部門,一個是單元操作部門,就是光刻機、等離子體刻蝕機、薄膜機能做到什麼樣的程度;另一個是工藝集成部門。他當時以為這裏都是美國人在做,但其實,單元操作部門研究題目組的組長、經理絕大部分都是華人,工藝集成部門中幾位最主要的、能幹的工程師人員,多數也是華人。
  「所以其實華人對美國集成電路歷史的發展,做出了非常大的貢獻。」尹志堯説。例如,當前5nm芯片采用的晶體管結構FinFET,是由華人教授胡正明在20多年前提出來的。
  在尹志堯看來,之所以華人在美國集成電路的發展歷程中起了非常大的作用,是因爲中國人比較重視數理化工程,而且有耐心,而做集成電路一定要有耐心。
  因此,他對中國將來在集成電路能夠達到世界最先進水平沒有任何疑問,但是近期來講,我們必須要認真對待目前的問題。
  中國人才培養需要重視産研結合,但目前仍未認真落實
  集成電路是多種知識的集成,光是做半導體設備,就需要50個學科並用。做集成電路,涉及機械設計,強電、弱電、軟件設計、工藝過程、材料科學等,有太多的知識領域要學習。
  因此他建議業界技術專家和高校教授之間有更多的交流,因爲學校教育通常相對滯後於産業的發展,希望也能請一些業界的人到學校做客座教授,或者做一些科學講演,讓學生也可以到公司來做實習。
  這個互動非常重要,不僅能讓學生很快就進入這個前沿領域,而且可以引起他們的興趣,産業、教育和科研之間,一定要想辦法真正找到一個結合點。
  我國芯片製造面臨的主要問題:不對稱競爭
  尹志堯認爲,當前我們芯片製造面臨的主要矛盾,在於不對稱競爭。
  首先是公司規模的不對稱。比如國外佔壟斷地位的公司,它的收入是我國相似公司的20倍,它的研發投入也是差不多20倍。這就有問題了,如果差了3代、5代,結果人家的研發經費是我的20倍,那一個公司怎樣單打獨鬥能夠儘快趕上去?這是一個非常難的事情。
  另外是市場準入的不對稱。例如,國內生産綫買我們的設備,是近水樓台,差不多設備能用就用了;但要打到國外去,一定要有什麽東西比美國日本的設備更好,不但要好,性價比還要高,甚至要便宜很多,這樣人家才願意試用你的設備,門檻是慢慢越來越高的。
  這裏關鍵最大的問題,還是研發經費的困擾。尹志堯説,特別是公司上市以後,擔心盈利的問題,但要盈利,唯一的辦法就是砍研發。
  「我們的研發就是把所有的銷售都拿去,100%投入研發,所以這個問題怎麼解決?怎麼能夠在這種情況下,不強調公司的盈利,而是強調公司研發的投入、它的增長速度和競爭力?這是我們政策深化改革要研究的課題。」他説道。
  我們在高端芯片設計上並不是那麽卡脖子,現在關鍵問題在於製造精度。比如如果拿不到世界最先進的光刻機,那麽芯片生産就會受限制。
  在他看來,我國芯片設計領域尤其呈現「春秋戰國」之態勢。工信部統計中國有超過1700家芯片設計公司,甚至有人説可能要到五六千家,而一家芯片設計公司只要三五十人,有計算機、設計軟件,就可以做簡單芯片了。
  在尹志堯看來,這是一個既好又不好的現象。好的地方在於很熱,大家都希望把它做好;不好的地方就是太多的重複性勞動,而且互相內部的競爭也多,因此他認為要做一些宏觀調控。同時,尹志堯也談到資本過熱現象。
  資本市場及大眾正越來越認識到集成電路產業的重要,這一領域投資變多,在他看來,這是很好而且非常必要的事情,但也確實需要一定的宏觀調控,否則有些過熱。
  「因爲中國國家大,只要一動員起來就是熱情很高,就會出現一些問題,現在有一些投資,我們管它講得不好聽,叫爛尾工程,還沒有剛剛啓動到什麽程度,就搞不下去或者資金不到位了,或者領導集團沒有形成了等等之類的,效果不是很好。」尹志堯説,「所以我覺得這個方面,需要更多的引導,或者更多頂層設計,但也要放手讓各省市和這個産業能做好它自己的事。」
  另一點,尹志堯認爲一個企業的發展過程中,最主要的是有一個核心團隊。比如中微公司的核心團隊,很多人都合作了二三十年,所以彼此很瞭解很團結,這是非常重要的。
  「如果一個企業不是以核心的領導該團隊來驅動,而是被資本驅動的時候,就出問題了。因為資本它是有錢,但是外行。如果它來要想控制這個故事的話,這個故事就會出問題。」
  尹志堯的諫言就是要重視一個企業的發展,一定要培育和支持它領導集團的形成。
  美方懷疑中微違反美國專利保護,充分溝通後不但放行,還取消了出口控制
  剛回國時,尹志堯帶領的15人小團隊非常謹慎,深知絕不帶任何文件回來,不涉及任何商業機密,以避免引起法律糾紛。
  因爲走得乾乾淨淨,當時尹志堯他們並沒有引起美國政府的注意,直到三年後,做出刻蝕設備了,美國老東家懷疑中微拿到了他們的一些商業機密,將中微吿上法庭。
  自知清白的中微底氣十足,聘請了美國一流的律師,徹查當時已有的600萬件文件,確認完全沒有對方的文件或技術機密,最終案件達成和解。
  但這些訴訟案引起了美國商務部的重視,於是尹志堯團隊主動到美國商業部、國務院等各部門做溝通,既提到集成電路生産及設備産業往亞洲遷移是不可避免的客觀規律,也承諾從美國回來的人絕對不帶任何的商業機密材料和細節、中微發明創造的所有産品不能違反任何專利,並承諾保持經常溝通、遵守美國所限制的法律。
  「所以經過這樣的充分溝通以後,他們認爲我們是比較職業化的而且守法的公司,所以就給我們放行了。」尹志堯説,後來不但放行了,還讓中微進入終端客戶認證名單,也就是美國出口控制設備的一個白名單,只要申請一次,就能自由采購。
  再後來,因爲中微已經做出了有競爭能力並且有相當數量的等離子體刻蝕機,所以美國乾脆將此前幾十年對中國刻蝕機的出口控制取消了。
  尹志堯認爲,無論是怎樣的公司,只要到達國際市場,一定要按照國際規則做事,一方面不能涉及專利侵權,有自己的專利保護,另一方面要尊重各國對出口的限制和管制,只要在這兩點上不出問題,公司就能安全健康的發展。各個公司不要因爲這些點做得不好,而給國家帶來困擾。在他看來,相比打專利戰,用自身實力、更好的設計、更好的設備性能才是更好的競爭方式。