经济导刊
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中微:中国半导体装备国产化的先锋

来源: 2018.08.07 10:10:48

 

 

编者按:本文所报道的中微半导体设备(上海)有限公司,是我国在集成电路制造设备领域的一个杰出企业。中微多年专攻等离子刻蚀设备的研制,紧跟国际技术前进步伐,现已跻身国际一流行列,在我国半导体设备行业尤其突出。中微在长期坚持自主研发的基础上,不仅拥有多项国际发明专利,而且严格遵守和熟练运用知识产权有关法规,从容应对挑战,从而在高技术产业领域的国际竞争中处处主动。他们的经验在今天新的全球化条件下,尤其值得关注。

 

前不久,台湾积体电路制造股份有限公司(以下简称“台积电”)为其领跑全球的7纳米生产线确定了5家刻蚀设备供应商,中微半导体设备(上海)有限公司(以下简称“中微”)赫然在列。

2017年初,在美国总统科学技术咨询委员会向总统提交的报告《确保美国半导体的长期领导地位》中,中微是唯一被提及的中国企业。此前,美国商务部在实地考察了中微和中芯国际后,于201529日公告放弃“限制对华出口刻蚀设备”并通报瓦森纳协议。这一事件标志着西方国家在集成电路高端装备领域的垄断和对华封锁首次被打破。

中微是一家什么样的企业?它凭什么能突破瓦森纳协议对华出口刻蚀机的限制,并与世界顶级刻蚀机公司共同成为台积电的供应商?它给中国集成电路产业带来了怎样的改变?中微创办于2004年,有三大产品:芯片制造前道等离子体刻蚀设备(D-RIE)、硅通孔刻蚀设备(TSV)和金属有机物化学气相沉积设备(MOCVD)。这三大产品在各自的细分领域都位居世界前三强。

目前,中微是国内半导体和集成电路制造装备产业的领先企业,国内仅有的一家能够在国际市场上持续地和批量地销售极大规模集成电路高端制造装备的企业。

 

开启新征程

 

2004年一批资深留学生在上海市政府的推动下,在上海浦东创立了中微,其领军人物是公司董事长尹志尧。上世纪80年代,尹志尧留学美国。1984年,他在加州大学洛杉矶分校获博士学位。随后进入英特尔工作,负责电浆刻蚀业务。而后,他又先后到美国科林研发和全球最大的芯片设备生产企业美国应用材料工作。他在美国应用材料曾任总公司副总裁及刻蚀产品部总经理。

尹志尧在美国硅谷闯荡之日,也正是中国半导体产业蜕变之时。

19835月,国务院成立电子计算机和大规模集成电路领导小组,时任国务院副总理万里任组长,第二年改组为电子振兴领导小组,时任国务院副总理李鹏任组长。同年7月,国务院发布《关于抓紧研制重大技术装备的决定》,对我国重大技术装备发展产生影响。其中,“制造大规模集成电路的成套设备”被列为重点突破的十大技术装备之一。

20006月,在倪光南等一批老专家的推动下,国务院接连发布进一步完善软件产业和集成电路产业发展政策有关问题文件,扶持半导体行业的发展。从那一年起,一批批海外学子回国创业。20004月,由张汝京领衔的中芯国际在上海浦东新区成立,这标志着中国半导体产业开始书写新的篇章。

尹志尧回国创业与一个人有很大的关系,这个人就是上海集成电路产业的奠基人——江上舟,两人中学时是北京四中的校友。为了集成电路产业的发展,江上舟曾鼓动张汝京等一大批硅谷华人回国创业,尹志尧就是其中一位。

在一次世界半导体设备展上,尹志尧偶遇时任上海经委副主任江上舟。江上舟仔细观看了美国应用材料的设备后说:看来刻蚀机比原子弹还复杂,外国人用它来卡我们的脖子,我们能不能自己把它造出来?江上舟鼓励尹志尧:我是个癌症病人,只剩下半条命,哪怕豁出命去,也要为国家造出刻蚀机。我们一起干吧!”

20048月,时年60岁的尹志尧决定回国创业。他说:我给外国人做了几十年嫁衣了是时候报效祖国了。与此同时,他还说服并带回了18位在硅谷主流半导体设备公司或研究机构工作多年的资深华裔工程师,后来有15位与尹志尧一起创建了中微公司。从此,尹志尧和他的团队开启了驰骋中国半导体和芯片装备产业的新征程。

在半导体行业工作了20多年,尹志尧个人拥有60多项技术专利被称为硅谷最成功的华人之一。没有带回任何图纸和技术资料,尹志尧及其团队近乎赤手空拳回国创业。

在美国,尹志尧每年有2亿美元的研发经费。回国创业时,上海市政府支持了5000万元启动资金,另外他们还自筹了150万美金。但这点钱对于一个像中微这样的企业,是远远不够的,很快钱就花光了。缺钱,成了尹志尧面临的头号难题。为了筹资,他跑遍所有可能注资的机构和企业,但资金缺位还是很大。此时,江上舟给他送来了个好消息——国家开发银行行长陈元同意见他。当陈元得知他们要做的是刻蚀机时,兴奋地说:这东西,我做梦都想做,一定要支持。结果,中微从国开行拿到5000万美元的无息贷款。此后,中微的发展步入了快车道。

芯片制作有三个主要设备:光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备。“当时,我们选做两个,即刻蚀机和薄膜沉积设备。”中微副总裁兼中国区总经理曹炼生说。2008年,中微自行研发的12英寸刻蚀机卖到了台湾,进入了芯片生产线。

中微成立之初,上海市政府以“科教兴市”重大项目给予了资金支持,之后又通过上海科创投对公司多次投资。2014年底,中微成为国家集成电路产业投资基金支持的第一批三家企业之一。经过几轮融资,中微注册资本现已超过了2.69亿美元,估值人民币80.9亿元。中微前三大股东分别为公司员工(20.26%)、上海科创投集团(19.97%)和国家集成电路产业投资基金(19.34%),现有员工约600名,其中约1/4来自美国、日本、韩国、新加坡和中国台湾等地,是一支相当专业化、国际化的精英队伍。

说起中微的创建和发展,尹志尧总是要特别感谢一个人,这个人就是江上舟。2011年,当江上舟不幸因病去世时,他专门撰文写道:上舟先生是我们的领路人。

 

群雄盘踞的半导体装备市场

 

半导体产业十分庞大,其主要产品包括集成电路(IC)、光电子、分离器和传感器等,其中IC的规模占80%以上,所以,半导体和集成电路这两个概念经常混用。而芯片则是指内含集成电路的硅片,它分为几十个大类、上千个小类。制造一块小小的芯片,涉及50多个学科、数千道工序。从产业链的角度看,半导体及芯片产业主要包括装备、材料、设计、制造、封测五大部分,其中装备和材料属于产业链的上游在这条产业链上,目前我国企业包括半导体装备制造企业与国外企业相比,差距还是很大的。

据国际半导体产业协会(SEMI) 2018126日公布的数据,2017年全球半导体设备商出货金额达到560亿美元,比起上一年大幅增长接近40%,创下历史新高。

半导体装备是半导体产业发展的基础,也是半导体产业价值链顶端的“皇冠”。目前,全球半导体装备一年销售额560亿美元,市场规模不算很大。但因其技术门槛非常高,它对一国集成电路产业的发展起着决定性的作用,因此也就成了全球竞争的制高点。

由于全球新建的12英寸晶圆厂在逐渐向中国集中,因此半导体和芯片装备采购额的增长部分,很大程度上来自中国。然而,中国目前半导体和芯片装备制造的能力还远落后于发达国家。从美国高德纳公司(Gartner Group2016年的全球十大半导体设备制造商排名看(表1),美国、日本和荷兰3个国家的公司垄断了全部入榜企业,中国公司没有一家入围。

1  2016年全球前十大晶圆制造设备供应商排名

排名

供应商

2016年营收(百万美元)

年增长率(%

1

Applied Materials

7736.9

20.5

2

Lam Research

5213.0

8.4

3

ASML

5090.6

7.6

4

Tokyo  Electron

4861.0

12.4

5

KLA-Tencor

2406.0

17.8

6

Screen Semiconductor Solutions

1374.9

41.5

7

Hitachi High-Technologies

980.2

24.3

8

Nikon

731.5

1.0

9

Hitachi Kokusai

528.4

-16.6

10

ASM International

496.9

-14.7

资料来源:Gartner4/2017

在这个排行榜中,世界前三强是美国应用材料(Applied Materials),美国泛林研发(Lam Research),荷兰阿斯麦(ASML)。最后一名是荷兰ASM国际(ASM International),2016年营收为4.97亿美元,这也是入榜的最低门槛。

我们再来看中国半导体设备制造企业的十强(表2)。

2  2016年中国半导体设备十强单位(按半导体设备销售收入排序)

排名

单位名称

半导体设备销售收入(万元)

出口交货值(万元)

半导体设备销售类别

1

中电科电子设备集团有限公司

90788.0

0.0

IC、光伏、LED

2

浙江晶盛机电股份有限公司

89783.0

0.0

光伏、LED

3

深圳市捷佳伟创新能源装备股份有限公司

76973.6

22870.5

光伏

4

北方华创科技集团股份有限公司

68690.7

719.9

IC、光伏、LED

5

中微半导体设备(上海)有限公司

48459.0

18691.3

ICLED

6

上海微电子装备有限公司

29047.6

3425.0

IC、其他

7

北京京运通科技股份有限公司

26832.5

0.0

光伏

8

天通吉成机器技术有限公司

21414.0

0.0

光伏、LED

9

盛美半导体设备(上海)有限公司

16423.0

16423.0

IC

10

格兰达技术(深圳)有限公司

15006.6

7250.5

IC

合计

483418.0

69380.2

资料来源:中国半导体行业协会。

 

2016年中国半导体设备销售收入总计57.33亿元,同比增长21.5%,其中前十强公司实现销售收入总额48.34亿元,同比增长28.5%。据SEMI统计,2016年全球半导体设备出货额412亿美元,中国大约占2%。中国半导体设备十强企业销售收入总额,仅与世界十强的第八名日本尼康大体相当。可见,中国半导体设备制造企业与美国、日本和荷兰的企业相比,差距很大。虽然世界十强的最低门槛并不算很高,但其营收规模也高出中国十强第一名4倍之多。

在市场已被世界群雄分割完毕的情况下,中国企业如何追赶?

晶圆制造需要上百种装备,如扩散炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备、化学机械抛光机、清洗机等,但其中占设备投资总额比重最大的,第一是光刻机,占20%;第二是刻蚀机,占18-19%;第三是薄膜沉积设备,占15%。这三类装备占晶圆制造企业设备总投资的50%以上。因此,攻克这三类装备是发展我国集成电路产业的“急所”。

中微正是为制造刻蚀机、薄膜沉积设备而生。从2004年诞生到今天,中微终于完成了追赶,进入了世界第一方阵。在刻蚀机这个细分领域,中微已成为世界前三强。

尹志尧在回国时立下的目标,是15年时间追赶20年时间超越让中国成为世界主要的芯片生产基地!

中微用14年完成了这个追赶的目标。

 

艰难的追赶之路

 

和国外企业相比,中微是半导体装备制造行业的后来者,因此,追赶行业的标杆企业是他们必须要走的一步。就刻蚀机而言,当今世界主要制造商有3家:美国材料应用、美国科林研发、日本东京电子。他们不仅掌握着刻蚀机制造的前沿技术,而且体量都相当大,美国应用材料为100亿美元规模的企业,美国泛林研发和日本东京电子的营业额也达到50亿-60亿美元规模。这3家企业是中微要追赶的目标企业。

中微能不能追赶上这些企业呢?尹志尧认为,能不能追上,关键在于人。和他一起回国创业中微的团队基本都是来自这几家公司,对这几家公司很了解,而且个个身怀绝技,所以,追赶他们有自己的底气,有一定的先天优势。

那么,中微是怎么追赶的呢?引用曹炼生的一句话,就是“咬住国际先进水平不放松”。但这既需要人才又需要钱,中微的研发团队堪称国际一流,但是巨大的投资从哪里来?众所周知,半导体和集成电路装备制造业是资金、技术密集型产业,投资大、回报周期长。比如,仅就研发投入而言,作为行业老大,美国应用材料在过去10年中平均每年的投入超过10亿美元,占营业收入大约10%。中微的研发投入是一个什么样的体量级呢?曹炼生说:“我们每年的研发支出差不多是5000万美金,即人民币3亿多”。这只是美国应用材料年均研发投入的1/20。即使是这样,也给中微带来了巨大的压力。2017年,中微的销售收入创历史新高,达到10亿元,以此计算,研发支出占了销售收入的30%。这个比例明显高于美国应用材料,这是追赶必须要付出的代价。

如此之高的研发投入,使中微不得不为钱而与各方周旋。尽管国家的专项资金支持,能够解决一部分研发费用不足的问题,但企业最终还是要靠自己解决资金难题。事实上,中国半导体和集成电路装备制造企业都面临着和中微同样的问题。

“这就又牵扯出另外一个问题,像我们这样的高科技企业到底应该采取什么样的经营模式?我们集成电路装备产业现在有三种模式,即中微、上微、北微3个国内重点企业走的三条不同的道路。” 曹炼生说。

上微,就是上海微电子装备有限公司,它承担了国家科技重大专项“极大规模集成电路制造技术与成套工艺专项”的65纳米光刻机研制项目。现在,他们突破的是90纳米的光刻机。尽管在我国这是从01的突破,但90纳米的光刻机已不是市场上的主流产品。作为一个企业,要生存下去,就要开发出符合市场需求的产品。于是,上微利用多年积累下来的核心技术,开发了一些其他产品,例如用于封装的光刻机等,在市场上这些产品卖得也不错。有人把上微的这种做法称作“沿途下蛋”。

北微,全称是北方华创科技集团股份有限公司,由北方微电子和七星电子两家公司重组而成。其研发团队以清华、北大、中科院为背景,产品做得比较多,或者说比较齐全。有人把它誉为中国版的“应用材料公司”,但以它现在的实力和美国应用材料相比,更多的还是对它的一种美誉。

中微和他们走了一条不一样的路。“这14年来,中微就是咬住了国际先进水平,把刻蚀机从当时国际先进水平的65纳米,一直做到现在的7纳米。”曹炼生说。

等离子体刻蚀机是中微的主要产品。从2008年起,在国家科技重大专项和上海市政府的研发资金支持下,中微先后成功开发和销售了适用于65/45/28/20/14/10/7纳米工艺制程的一系列等离子体刻蚀设备,陆续覆盖了存储器件和逻辑器件制造中大部分的介质刻蚀和导体刻蚀工艺,始终保持着与当时的世界先进水平同步。中微生产和销售的500多个刻蚀反应台已经在中国、日本、韩国、新加坡、中国台湾等国家和地区的40条先进芯片生产线上运行,高质量地生产了6000多万片晶圆。20177月,台积电宣布将中微纳入其7纳米工艺设备商采购名单,使中微成为唯一进入台积电7纳米工艺蚀刻设备的大陆本土设备商。

中微的另两款具有国际先进水平的产品,是硅通孔(TSV)刻蚀和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备。中微TSV刻蚀设备已经装备了国内所有的集成电路先进封装企业。市场占有率超过50%。同时还远销欧洲,应用于新兴的微电机系统(MEMS)传感器制造。而用于制造蓝光LED 的中微MOCVD设备在最近两年,从几乎为零的国内市场占有率一举实现超过70%的市场占有率,彻底打破了美国维科(Veeco)和德国爱思强(Aixtron)两家供应商长期垄断市场的局面。由于中国的MOCVD市场是全世界最大的市场,占全球份额超过60%,所以,中微实际上已经是全球MOCVD最大的供应商。最近,中微的MOCVD设备正在跨出国门,走向世界。

不懈的努力,使中微得到了社会各界广泛的认可。中微已获得国内外知名奖项达50余次,例如,国家科技发展重大专项(02专项)授予的多种奖项,以及第十六届中国国际工博会金奖和行业权威杂志《Semiconductor International》(《半导体国际》)颁发的2009年全球最佳产品奖等。有人预测,在今天半导体设备风云际会的大时代,中微有机会成为新一代的“华为”。这是对中微的赞誉,也是对中微的期盼。

 

国际维权三大战役

 

公司的快速发展引起了国际社会及同业竞争对手的广泛关注。特别是美国的竞争对手对中微高度警惕。10多年来,美国应用材料、泛林研发、维科三大半导体设备公司轮番对中微发起了商业机密和专利侵权的法律诉讼,意欲遏制中微的发展。对此,中微有充分的准备,他们在国内外申请了1200多件相关专利,其中绝大部分是发明专利,有力地保护了其自主创新形成的知识产权。

第一场官司是和全世界最大的半导体设备公司美国应用材料打的。200710月,应用材料将中微告上了美国法庭,指控中微使用其商业机密开发了设备,要求停止侵权并赔偿。此外,应用材料宣称拥有中微的两项专利,这些专利由目前任职中微的4名前雇员发明,其中包括中微董事长尹志尧,副总裁陈爱华。应用材料表示,当初与4人曾签订过协议,要求其在任职期间所有专利所有权归应用材料。而且即使离开应用材料,一年内申请的专利也全部假定为其受聘于应用材料期间所发明,所有权归应用材料

“法院立案以后就开始取证,取证取了两年,没有找到任何证据,找不到证据就算了,最后以和解而告终。”曹炼生说。

大名鼎鼎的美国应用材料为什么要状告一个弱小的同业新秀中微呢?显然,这更像是一种企业间的商业竞争策略。当时,中微研发的用于制造65纳米至45纳米芯片的刻蚀机,已进入全球主流市场,对应用材料构成了一定程度的挑战,所以,它此时状告中微,实质上就是想遏制住中微快速发展的脚步。

第二次官司是中微的直接竞争对手美国泛林研发在台湾打的。20091月,泛林研发声称中微公司型号为Primo D-RIE的等离子体蚀刻机侵害它的台湾专利 TW136706“电浆反应器中之多孔的电浆密封环TW126873“于电浆处理室中大量消除未局限电浆之聚焦环配置。所以,泛林研发将中微告到台湾法院。中微公司以事实回应了泛林研发的指控,并指出泛林所提出的被侵权的专利根本就是无效的专利。台湾智慧财产法院法官在听取双方针对有效性问题的辩论后,基于不需要更进一步的调查关于侵权的争点,驳回了泛林研发的诉讼请求,并认定泛林研发主张遭到侵害的专利是无效的。“泛林研发不服一审判决,于是他们就上诉,结果连着打三次,三审我们全赢。”曹炼生自豪地说。

泛林研发为什么选择在台湾状告中微?说白了,这也是一种竞争策略。“因为我们之间竞争的主要市场就在台湾。”曹炼生说。

针对这场官司,尹志尧说:健康的竞争是向客户提供更优秀产品的不可缺少的保证。我们欢迎与竞争对手们的公开竞争。当然,当这样的竞争对手试图以没有根据的法律诉讼来阻碍我们进军关键市场时,我们将积极捍卫我们的权力。我们非常高兴法庭驳回了他们的诉讼。

第三次官司是和美国维科打的。这场官司的起因,还是因为中微MOCVD设备占领市场的速度太快,维科节节败退,有点受不了了。这场官司是从20174月份开始的,一直打到今年2月份才以和解的方式结束。

20174月,维科在纽约东区的联邦法院对中微MOCVD设备的晶圆承载器 (石墨托盘) 供应商西格里碳素(SGL)展开了专利侵权诉讼, 维科认为,西格里碳素为中微半导体设计的石墨托盘侵犯了其专利, 要求禁止西格里碳素向中微供货,并赔偿巨额损失。

对于维科的专利侵权诉讼,中微的专利部门很清楚,他们讲的那个专利是无效的。中微告诉西格里碳素可以放心供货。但美国法院支持了维科的诉讼请求,禁止了西格里碳素向中微供货。怎么办?中微决定以其人之道还治其人之身。于是,20177月,中微在福建高院起诉维科精密仪器国际贸易 (上海) 有限公司 (以下简称维科上海”) ,指控其TurboDisk EPIK 700型号的MOCVD设备侵犯了中微的晶圆承载器同步锁定的中国专利,申请对维科上海发布永久禁令并赔偿经济损失1亿元以上。

就这样,这场专利互诉战正式拉开帷幕。曹炼生说:“你不是不让石墨托盘出口吗?那我就不让你的东西进口。” 今年年初,中微获悉,美方涉嫌侵犯中微专利权的设备即将从上海浦东国际机场进口,随即向上海海关提出扣留侵权嫌疑货物的申请。上海海关及时启动知识产权海关保护程序,在进口环节开展行政执法,根据权利人申请,暂停涉嫌侵权设备的通关,这批设备货值达3400万元。“这一扣,维科受不了,全世界都知道了它的产品被中国给扣了。”曹炼生说,在此情况下“维科主动打电话给中微说,我们坐下来谈谈吧。一谈,双方都表示愿意撤诉,我们也不扣你的产品,你也不要让人家禁止出口了。”经过谈判,中微与维科、西格里碳素三方最终达成全球范围相互授权的和解协议。

尹志尧说:竞争对手们基于全球客户的利益应该如何解决好知识产权事宜,这次和解是一个很好的例证。

一路走来,中微一直在努力地践行它的目标:在半导体和集成电路产业中,为国内的制造企业供应能够替代进口的优质低价关键设备;瞄准世界科技前沿,研制能与国际垄断巨头争一席之地的具有国际最先进水平的关键设备。

展望未来,中微透露,他们正在积极筹划公司上市,登陆中国资本市场。这无疑对尹志尧提出的“20年时间超越”竞争对手的目标有极大的促进作用。目前,全球集成电路产业正在向中国转移,中国把发展集成电路产业视作国家战略,在此大好机遇下,我们期待中微成为一个领先全球的半导体和芯片装备制造的企业。

                                 (编辑  碣石)

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