中微:中國半導體裝備國產化的先鋒

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文/魏志強 武鵬

編者按:本文所報導的中微半導體設備(上海)有限公司,是我國在集成電路製造設備領域的一個傑出企業。中微多年專攻等離子刻蝕設備的研製,緊跟國際技術前進步伐,現已躋身國際一流行列,在我國半導體設備行業尤其突出。中微在長期堅持自主研發的基礎上,不僅擁有多項國際發明專利,而且嚴格遵守和熟練運用智慧財產權有關法規,從容應對挑戰,從而在高技術產業領域的國際競爭中處處主動。他們的經驗在今天新的全球化條件下,尤其值得關注。

前不久,台灣積體電路製造股份有限公司(以下簡稱「台積電」)為其領跑全球的7納米生產線確定了5家刻蝕設備供應商,中微半導體設備(上海)有限公司(以下簡稱「中微」)赫然在列。

2017年初,在美國總統科學技術諮詢委員會向總統提交的報告《確保美國半導體的長期領導地位》中,中微是唯一被提及的中國企業。此前,美國商務部在實地考察了中微和中芯國際後,於2015年2月9日公告放棄「限制對華出口刻蝕設備」並通報「瓦森納協議」。這一事件標誌著西方國家在集成電路高端裝備領域的壟斷和對華封鎖首次被打破。

中微是一家什麼樣的企業?它憑什麼能突破「瓦森納協議」對華出口刻蝕機的限制,並與世界頂級刻蝕機公司共同成為台積電的供應商?它給中國集成電路產業帶來了怎樣的改變?中微創辦於2004年,有三大產品:晶片製造前道等離子體刻蝕設備(D-RIE)、矽通孔刻蝕設備(TSV)和金屬有機物化學氣相沉積設備(MOCVD)。這三大產品在各自的細分領域都位居世界前三強。

目前,中微是國內半導體和集成電路製造裝備產業的領先企業,國內僅有的一家能夠在國際市場上持續地和批量地銷售極大規模集成電路高端製造裝備的企業。

開啟新征程

2004年一批資深留學生在上海市政府的推動下,在上海浦東創立了中微,其領軍人物是公司董事長尹志堯。上世紀80年代,尹志堯留學美國。1984年,他在加州大學洛杉磯分校獲博士學位。隨後進入英特爾工作,負責電漿刻蝕業務。而後,他又先後到美國科林研發和全球最大的晶片設備生產企業美國應用材料工作。他在美國應用材料曾任總公司副總裁及刻蝕產品部總經理。

尹志堯在美國矽谷闖蕩之日,也正是中國半導體產業蛻變之時。

1983年5月,國務院成立電子計算機和大規模集成電路領導小組,時任國務院副總理萬里任組長,第二年改組為電子振興領導小組,時任國務院副總理李鵬任組長。同年7月,國務院發布《關於抓緊研製重大技術裝備的決定》,對我國重大技術裝備發展產生影響。其中,「製造大規模集成電路的成套設備」被列為重點突破的十大技術裝備之一。

2000年6月,在倪光南等一批老專家的推動下,國務院接連發布進一步完善軟體產業和集成電路產業發展政策有關問題文件,扶持半導體行業的發展。從那一年起,一批批海外學子回國創業。2000年4月,由張汝京領銜的中芯國際在上海浦東新區成立,這標誌著中國半導體產業開始書寫新的篇章。

尹志堯及其團隊沒有帶回任何圖紙和技術資料,近乎赤手空拳回國創業

尹志堯回國創業與一個人有很大的關係,這個人就是上海集成電路產業的奠基人——江上舟,兩人中學時是北京四中的校友。為了集成電路產業的發展,江上舟曾鼓動張汝京等一大批矽谷華人回國創業,尹志堯就是其中一位。

在一次世界半導體設備展上,尹志堯偶遇時任上海經委副主任江上舟。江上舟仔細觀看了美國應用材料的設備後說:「看來刻蝕機比原子彈還複雜,外國人用它來卡我們的脖子,我們能不能自己把它造出來?」江上舟鼓勵尹志堯:「我是個癌症病人,只剩下半條命,哪怕豁出命去,也要為國家造出刻蝕機。我們一起干吧!」

2004年8月,時年60歲的尹志堯決定回國創業。他說:「我給外國人做了幾十年嫁衣了是時候報效祖國了。」與此同時,他還說服並帶回了18位在矽谷主流半導體設備公司或研究機構工作多年的資深華裔工程師,後來有15位與尹志堯一起創建了中微公司。從此,尹志堯和他的團隊開啟了馳騁中國半導體和晶片裝備產業的新征程。

在半導體行業工作了20多年,尹志堯個人擁有60多項技術專利被稱為「矽谷最成功的華人之一」。沒有帶回任何圖紙和技術資料,尹志堯及其團隊近乎赤手空拳回國創業。

在美國,尹志堯每年有2億美元的研發經費。回國創業時,上海市政府支持了5000萬元啟動資金,另外他們還自籌了150萬美金。但這點錢對於一個像中微這樣的企業,是遠遠不夠的,很快錢就花光了。缺錢,成了尹志堯面臨的頭號難題。為了籌資,他跑遍所有可能注資的機構和企業,但資金缺位還是很大。此時,江上舟給他送來了個好消息——國家開發銀行行長陳元同意見他。當陳元得知他們要做的是刻蝕機時,興奮地說:這東西,我做夢都想做,一定要支持。結果,中微從國開行拿到5000萬美元的無息貸款。此後,中微的發展步入了快車道。

晶片製作有三個主要設備:光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備。「當時,我們選做兩個,即刻蝕機和薄膜沉積設備。」中微副總裁兼中國區總經理曹煉生說。2008年,中微自行研發的12英寸刻蝕機賣到了台灣,進入了晶片生產線。

中微成立之初,上海市政府以「科教興市」重大項目給予了資金支持,之後又通過上海科創投對公司多次投資。2014年底,中微成為國家集成電路產業投資基金支持的第一批三家企業之一。經過幾輪融資,中微註冊資本現已超過了2.69億美元,估值人民幣80.9億元。中微前三大股東分別為公司員工(20.26%)、上海科創投集團(19.97%)和國家集成電路產業投資基金(19.34%),現有員工約600名,其中約1/4來自美國、日本、韓國、新加坡和台灣等地,是一支相當專業化、國際化的精英隊伍。

說起中微的創建和發展,尹志堯總是要特別感謝一個人,這個人就是江上舟。2011年,當江上舟不幸因病去世時,他專門撰文寫道:上舟先生是我們的領路人。

群雄盤踞的半導體裝備市場

半導體產業十分龐大,其主要產品包括集成電路(IC)、光電子、分離器和傳感器等,其中IC的規模占80%以上,所以,半導體和集成電路這兩個概念經常混用。而晶片則是指內含集成電路的矽片,它分為幾十個大類、上千個小類。製造一塊小小的晶片,涉及50多個學科、數千道工序。從產業鏈的角度看,半導體及晶片產業主要包括裝備、材料、設計、製造、封測五大部分,其中裝備和材料屬於產業鏈的上游。在這條產業鏈上,目前我國企業包括半導體裝備製造企業與國外企業相比,差距還是很大的。

據國際半導體產業協會(SEMI) 2018年1月26日公布的數據,2017年全球半導體設備商出貨金額達到560億美元,比起上一年大幅增長接近40%,創下歷史新高。

半導體裝備是半導體產業發展的基礎,也是半導體產業價值鏈頂端的「皇冠」。目前,全球半導體裝備一年銷售額560億美元,市場規模不算很大。但因其技術門檻非常高,它對一國集成電路產業的發展起著決定性的作用,因此也就成了全球競爭的制高點。

由於全球新建的12英寸晶圓廠在逐漸向中國集中,因此半導體和晶片裝備採購額的增長部分,很大程度上來自中國。然而,中國目前半導體和晶片裝備製造的能力還遠落後於已開發國家。從美國高德納公司(Gartner Group)2016年的全球十大半導體設備製造商排名看,美國、日本和荷蘭3個國家的公司壟斷了全部入榜企業,中國公司沒有一家入圍。

在這個排行榜中,世界前三強是美國應用材料(Applied Materials),美國泛林研發(Lam Research),荷蘭阿斯麥(ASML)。最後一名是荷蘭ASM國際(ASM International),2016年營收為4.97億美元,這也是入榜的最低門檻。

我們再來看中國半導體設備製造企業的十強。

2016年中國半導體設備銷售收入總計57.33億元,同比增長21.5%,其中前十強公司實現銷售收入總額48.34億元,同比增長28.5%。據SEMI統計,2016年全球半導體設備出貨額412億美元,中國大約占2%。中國半導體設備十強企業銷售收入總額,僅與世界十強的第八名日本尼康大體相當。可見,中國半導體設備製造企業與美國、日本和荷蘭的企業相比,差距很大。雖然世界十強的最低門檻並不算很高,但其營收規模也高出中國十強第一名4倍之多。

在市場已被世界群雄分割完畢的情況下,中國企業如何追趕?

晶圓製造需要上百種裝備,如擴散爐、光刻機、刻蝕機、離子注入機、薄膜沉積設備、化學機械拋光機、清洗機等,但其中占設備投資總額比重最大的,第一是光刻機,占20%;第二是刻蝕機,占18-19%;第三是薄膜沉積設備,占15%。這三類裝備占晶圓製造企業設備總投資的50%以上。因此,攻克這三類裝備是發展我國集成電路產業的「急所」。

中微正是為製造刻蝕機、薄膜沉積設備而生。從2004年誕生到今天,中微終於完成了追趕,進入了世界第一方陣。在刻蝕機這個細分領域,中微已成為世界前三強。

尹志堯在回國時立下的目標,是「用15年時間追趕用20年時間超越讓中國成為世界主要的晶片生產基地!」

中微用14年完成了這個追趕的目標。

艱難的追趕之路

和國外企業相比,中微是半導體裝備製造行業的後來者,因此,追趕行業的標杆企業是他們必須要走的一步。就刻蝕機而言,當今世界主要製造商有3家:美國材料應用、美國科林研發、日本東京電子。他們不僅掌握著刻蝕機製造的前沿技術,而且體量都相當大,美國應用材料為100億美元規模的企業,美國泛林研發和日本東京電子的營業額也達到50億-60億美元規模。這3家企業是中微要追趕的目標企業。

中微能不能追趕上這些企業呢?尹志堯認為,能不能追上,關鍵在於人。和他一起回國創業中微的團隊基本都是來自這幾家公司,對這幾家公司很了解,而且個個身懷絕技,所以,追趕他們有自己的底氣,有一定的先天優勢。

那麼,中微是怎麼追趕的呢?引用曹煉生的一句話,就是「咬住國際先進水平不放鬆」。但這既需要人才又需要錢,中微的研發團隊堪稱國際一流,但是巨大的投資從哪裡來?眾所周知,半導體和集成電路裝備製造業是資金、技術密集型產業,投資大、回報周期長。比如,僅就研發投入而言,作為行業老大,美國應用材料在過去10年中平均每年的投入超過10億美元,占營業收入大約10%。中微的研發投入是一個什麼樣的體量級呢?曹煉生說:「我們每年的研發支出差不多是5000萬美金,即人民幣3億多」。這只是美國應用材料年均研發投入的1/20。即使是這樣,也給中微帶來了巨大的壓力。2017年,中微的銷售收入創歷史新高,達到10億元,以此計算,研發支出占了銷售收入的30%。這個比例明顯高於美國應用材料,這是追趕必須要付出的代價。

如此之高的研發投入,使中微不得不為錢而與各方周旋。儘管國家的專項資金支持,能夠解決一部分研發費用不足的問題,但企業最終還是要靠自己解決資金難題。事實上,中國半導體和集成電路裝備製造企業都面臨著和中微同樣的問題。

「這就又牽扯出另外一個問題,像我們這樣的高科技企業到底應該採取什麼樣的經營模式?我們集成電路裝備產業現在有三種模式,即中微、上微、北微3個國內重點企業走的三條不同的道路。」 曹煉生說。

上微,就是上海微電子裝備有限公司,它承擔了國家科技重大專項「極大規模集成電路製造技術與成套工藝專項」的65納米光刻機研製項目。現在,他們突破的是90納米的光刻機。儘管在我國這是從0到1的突破,但90納米的光刻機已不是市場上的主流產品。作為一個企業,要生存下去,就要開發出符合市場需求的產品。於是,上微利用多年積累下來的核心技術,開發了一些其他產品,例如用於封裝的光刻機等,在市場上這些產品賣得也不錯。有人把上微的這種做法稱作「沿途下蛋」。

北微,全稱是北方華創科技集團股份有限公司,由北方微電子和七星電子兩家公司重組而成。其研發團隊以清華、北大、中科院為背景,產品做得比較多,或者說比較齊全。有人把它譽為中國版的「應用材料公司」,但以它現在的實力和美國應用材料相比,更多的還是對它的一種美譽。

中微和他們走了一條不一樣的路。「這14年來,中微就是咬住了國際先進水平,把刻蝕機從當時國際先進水平的65納米,一直做到現在的7納米。」曹煉生說。

等離子體刻蝕機是中微的主要產品。從2008年起,在國家科技重大專項和上海市政府的研發資金支持下,中微先後成功開發和銷售了適用於65/45/28/20/14/10/7納米工藝製程的一系列等離子體刻蝕設備,陸續覆蓋了存儲器件和邏輯器件製造中大部分的介質刻蝕和導體刻蝕工藝,始終保持著與當時的世界先進水平同步。中微生產和銷售的500多個刻蝕反應台已經在中國、日本、韓國、新加坡、台灣等國家和地區的40條先進晶片生產線上運行,高質量地生產了6000多萬片晶圓。2017年7月,台積電宣布將中微納入其7納米工藝設備商採購名單,使中微成為唯一進入台積電7納米工藝蝕刻設備的大陸本土設備商。

中微的另兩款具有國際先進水平的產品,是矽通孔(TSV)刻蝕和金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)設備。中微TSV刻蝕設備已經裝備了國內所有的集成電路先進封裝企業。市場占有率超過50%。同時還遠銷歐洲,應用於新興的微電機系統(MEMS)傳感器製造。而用於製造藍光LED 的中微MOCVD設備在最近兩年,從幾乎為零的國內市場占有率一舉實現超過70%的市場占有率,徹底打破了美國維科(Veeco)和德國愛思強(Aixtron)兩家供應商長期壟斷市場的局面。由於中國的MOCVD市場是全世界最大的市場,占全球份額超過60%,所以,中微實際上已經是全球MOCVD最大的供應商。最近,中微的MOCVD設備正在跨出國門,走向世界。

不懈的努力,使中微得到了社會各界廣泛的認可。中微已獲得國內外知名獎項達50餘次,例如,國家科技發展重大專項(02專項)授予的多種獎項,以及第十六屆中國國際工博會金獎和行業權威雜誌《Semiconductor International》(《半導體國際》)頒發的2009年全球最佳產品獎等。有人預測,在今天半導體設備風雲際會的大時代,中微有機會成為新一代的「華為」。這是對中微的讚譽,也是對中微的期盼。

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國際維權三大戰役

公司的快速發展引起了國際社會及同業競爭對手的廣泛關注。特別是美國的競爭對手對中微高度警惕。10多年來,美國應用材料、泛林研發、維科三大半導體設備公司輪番對中微發起了商業機密和專利侵權的法律訴訟,意欲遏制中微的發展。對此,中微有充分的準備,他們在國內外申請了1200多件相關專利,其中絕大部分是發明專利,有力地保護了其自主創新形成的智慧財產權。

第一場官司是和全世界最大的半導體設備公司美國應用材料打的。2007年10月,應用材料將中微告上了美國法庭,指控中微使用其商業機密開發了設備,要求停止侵權並賠償。此外,應用材料宣稱擁有中微的兩項專利,這些專利由目前任職中微的4名前雇員發明,其中包括中微董事長尹志堯,副總裁陳愛華。應用材料表示,當初與4人曾簽訂過協議,要求其在任職期間所有專利所有權歸應用材料。而且即使離開應用材料,一年內申請的專利也全部「假定為其受聘於應用材料期間所發明,所有權歸應用材料」。

「法院立案以後就開始取證,取證取了兩年,沒有找到任何證據,找不到證據就算了,最後以和解而告終。」曹煉生說。

大名鼎鼎的美國應用材料為什麼要狀告一個弱小的同業新秀中微呢?顯然,這更像是一種企業間的商業競爭策略。當時,中微研發的用於製造65納米至45納米晶片的刻蝕機,已進入全球主流市場,對應用材料構成了一定程度的挑戰,所以,它此時狀告中微,實質上就是想遏制住中微快速發展的腳步。

第二次官司是中微的直接競爭對手美國泛林研發在台灣打的。2009年1月,泛林研發聲稱中微公司型號為Primo D-RIE的等離子體蝕刻機侵害它的台灣專利 TW136706「電漿反應器中之多孔的電漿密封環」和TW126873「於電漿處理室中大量消除未局限電漿之聚焦環配置」。所以,泛林研發將中微告到台灣法院。中微公司以事實回應了泛林研發的指控,並指出泛林所提出的被侵權的專利根本就是無效的專利。台灣智慧財產法院法官在聽取雙方針對有效性問題的辯論後,基於不需要更進一步的調查關於侵權的爭點,駁回了泛林研發的訴訟請求,並認定泛林研發主張遭到侵害的專利是無效的。「泛林研發不服一審判決,於是他們就上訴,結果連著打三次,三審我們全贏。」曹煉生自豪地說。

泛林研發為什麼選擇在台灣狀告中微?說白了,這也是一種競爭策略。「因為我們之間競爭的主要市場就在台灣。」曹煉生說。

針對這場官司,尹志堯說:「健康的競爭是向客戶提供更優秀產品的不可缺少的保證。我們歡迎與競爭對手們的公開競爭。 當然,當這樣的競爭對手試圖以沒有根據的法律訴訟來阻礙我們進軍關鍵市場時,我們將積極捍衛我們的權力。我們非常高興法庭駁回了他們的訴訟。」

第三次官司是和美國維科打的。這場官司的起因,還是因為中微MOCVD設備占領市場的速度太快,維科節節敗退,有點受不了了。這場官司是從2017年4月份開始的,一直打到今年2月份才以和解的方式結束。

2017年4月,維科在紐約東區的聯邦法院對中微MOCVD設備的晶圓承載器 (石墨托盤) 供應商西格里碳素(SGL)展開了專利侵權訴訟, 維科認為,西格里碳素為中微半導體設計的石墨托盤侵犯了其專利, 要求禁止西格里碳素向中微供貨,並賠償巨額損失。

對於維科的專利侵權訴訟,中微的專利部門很清楚,他們講的那個專利是無效的。中微告訴西格里碳素可以放心供貨。但美國法院支持了維科的訴訟請求,禁止了西格里碳素向中微供貨。怎麼辦?中微決定以其人之道還治其人之身。於是,2017年7月,中微在福建高院起訴維科精密儀器國際貿易 (上海) 有限公司 (以下簡稱「維科上海」) ,指控其TurboDisk EPIK 700型號的MOCVD設備侵犯了中微的晶圓承載器同步鎖定的中國專利,申請對維科上海發布永久禁令並賠償經濟損失1億元以上。

就這樣,這場專利互訴戰正式拉開帷幕。曹煉生說:「你不是不讓石墨托盤出口嗎?那我就不讓你的東西進口。」 今年年初,中微獲悉,美方涉嫌侵犯中微專利權的設備即將從上海浦東國際機場進口,隨即向上海海關提出扣留侵權嫌疑貨物的申請。上海海關及時啟動智慧財產權海關保護程序,在進口環節開展行政執法,根據權利人申請,暫停涉嫌侵權設備的通關,這批設備貨值達3400萬元。「這一扣,維科受不了,全世界都知道了它的產品被中國給扣了。」曹煉生說,在此情況下「維科主動打電話給中微說,我們坐下來談談吧。一談,雙方都表示願意撤訴,我們也不扣你的產品,你也不要讓人家禁止出口了。」經過談判,中微與維科、西格里碳素三方最終達成全球範圍相互授權的和解協議。

尹志堯說:「競爭對手們基於全球客戶的利益應該如何解決好智慧財產權事宜,這次和解是一個很好的例證。」

我們期待中微成為一個領先全球的半導體和晶片裝備製造的企業

一路走來,中微一直在努力地踐行它的目標:在半導體和集成電路產業中,為國內的製造企業供應能夠替代進口的優質低價關鍵設備;瞄準世界科技前沿,研製能與國際壟斷巨頭爭一席之地的具有國際最先進水平的關鍵設備。

展望未來,中微透露,他們正在積極籌劃公司上市,登陸中國資本市場。這無疑對尹志堯提出的「用20年時間超越」競爭對手的目標有極大的促進作用。目前,全球集成電路產業正在向中國轉移,中國把發展集成電路產業視作國家戰略,在此大好機遇下,我們期待中微成為一個領先全球的半導體和晶片裝備製造的企業。

(編輯 碣石)


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