2002年在北京建立首条生产线后,中芯国际就踏上了一条争分夺秒、无从喘息的赛道。

芯片设计难,但芯片国产同样阻力重重。数据显示,虽然中国每年需要的芯片占到全球一半,但能实现国产的不到10%。

以集成电路龙头企业中芯国际为代表,我国芯片产业高端装备和材料正经历从无到有填补产业链空白的跃进,制造工艺与封装集成也由弱渐强参与国际竞争。经过17年艰难追击,我国集成电路制造水平与国际先进水平的差距已从2000年相差四五代缩短至如今相差一两代。

关键设备国产化率从1%升至15%

刻蚀机、离子注入机、化学机械抛光机、快速热退火设备……在这些芯片生产线的关键位置,国产设备占据的席位终于从1%提升到了15%——这是过去七年间,中芯国际国产化设备交出的成绩单。当中芯北京总经理张昕拿到这份经过严谨统计计算的数据后,他轻吁了一口气,“苦心经营这么些年,总算开花结果了。”

在中芯国际工作多年的老人儿都清晰记得,十多年前中芯国际在京投产时,大到生产线设备,小到螺母、螺丝钉,都是进口的。当时,集成电路生产线上刻蚀机、氧化机、薄膜、光刻、离子注入等关键设备,一直都由欧美日少数公司掌握。

投资一条芯片生产线,动辄要投资几十亿美元,除了厂房、基础设施建设,购买先进设备是产线投入中的大头。可是,国内厂商不掌握先进生产设备技术也就意味着,“投资10块钱,9.8块钱都花在了国外。”

除了“别人吃肉自己喝汤”,芯片生产核心设备受制于人,更为严重的后果是,整个集成电路产业链的发展进程都要受垄断技术、设备的发达国家牵制。

“想买设备,一等等上一年半载、甚至两年,拿钱也得等着,人家得先给美国、日韩那些巨头供货。”北方华创副董事长耿锦启说。对于技术迅速更新的芯片产业来说,多等两年,就意味着芯片产品的技术要慢至少一代。

重压之下,国产设备的攻坚进展却十分缓慢。“刚接到攻克刻蚀机国产化任务那会儿,我连刻蚀机长什么样都没见过。”耿锦启回忆。

国产设备进芯片生产线,为何这么难?

以等离子体刻蚀机为例,在芯片上进行微观加工,其每个线条或孔洞的加工精度是头发丝直径的万分之一左右。而另一款更难做的光刻机,全球90%以上这种设备都由一家荷兰公司垄断。光刻机对精密化等技术有着严苛要求,该公司光刻机在交付给客户时,都直接空运上门,并手把手完成安装调试,中途稍有不慎,就有可能影响设备使用。

2008年,国家科技重大专项02专项成立,组织“产学研”联合开发,由行业龙头企业中芯国际等牵头,向世界先进的28纳米等芯片技术节点攻关,并推动装备国产化。北京市作为组织牵头单位,对项目承担单位予以资金扶持。中芯国际、北方微电子、七星华创(北方微电子、七星华创后重组为“北方华创”)、中科信公司等产业链的上下游企业站在了一起,开始了联盟式的集体攻关。

10年内有望跻身全球第一梯队

在北京经济技术开发区中芯国际二期厂房,2.8万平方米的集成电路车间内,因大量工作都通过自动化设备完成,只能看见少量的工人。从200多辆搬运“小车”沿屋顶轨道的滑行,才能看出生产的繁忙。

今年,二期的另一座新厂房还将有大批设备进厂,并在明年逐渐实现满产。满产后,中芯位于开发区的全部生产线将具备12万片产能,成为整个中国大陆12英寸晶圆生产水平最高、技术最先进、规模最大的芯片生产基地。

好消息同样从南方传来。中芯国际的14纳米芯片明年上半年将在上海投产。14纳米,正是目前全球领军企业如今已实现量产的先进技术节点。

“我们和国外最先进水平的差距是一到两代技术节点。”北京经济技术开发区投促局副局长李冬明说。

“力争用10年时间进入全球第一梯队”——在近日举行的一场内部会议上,中芯国际董事长周子学透露了中芯发展中的“小目标”。

除了在先进技术节点、关键设备研制上奋起直追外,国内芯片制造企业还在尝试产业链上下游的一体化“合力”。

长期以来,芯片设计、芯片制造这两个环节相辅相成,“打个比方,一份设计图,经验丰富的老裁缝在制衣时反复调整某个剪裁细节,最后做出的衣服效果特别好。老师傅把这些工艺细节反馈给设计师,下次就能拿出更好的设计图。”张昕解释,这些工艺参数、性能改进细节,在欧美同行中被视为极其重要的知识产权。如若国内芯片设计企业长期依赖境外厂商代工,这些信息都存在流失风险,对提升我国芯片设计能力也将是巨大损失。

近来,在中芯国际位于开发区的厂房,正在开辟一块特殊场地。这里外观上看起来与普通的产线并无二致,但实际上是一个串起芯片设计、制造环节的国产芯片创新中心。在这里,中芯将通过与华为等芯片设计公司合作,实现设计、制造环节无缝融合,直至联合开发出优质芯片产品。

“遵循刻板的芯片代工生产模式,我们很难突破困境,只有抱团合作,才能发挥合力。”张昕说。

光刻机核心零部件寻求突破

在芯片制造设备领域,光刻机被视为当之无愧的“皇冠”。多年来,光刻机国产化这一重大课题却始终未能攻破,成为中国芯中国造的“扼喉”之痛。不过,星星之火正在点亮,光刻机核心零部件技术正在被各个击破。

全国范围内,围绕光刻机关键零部件、刻蚀机的技术攻关开始陆续收获进展:

近日,创始团队有多年硅谷高端半导体制造从业经验,在北京经济技术开发区成立的东方晶源,其光刻机缺陷检测及优化系统等技术,已进入三星等全球主流芯片巨头的生产线上进行试用,并将在今年进入中芯国际的产线。

2个月前,从事光刻机光源技术开发、承担国家02重大专项“准分子激光技术”的科益虹源,其技术刚刚获得芯片代工“行业老大”台积电的采购。

今年上半年,填补国内光刻机关键零部件研制空白、清华大学团队成立的华卓精科的集成电路装备关键零部件生产研发基地正在北京经济技术开发区建设。李冬明向记者透露,华卓精科研制的光刻机双工件台,被视为光刻机最关键的零部件,这个由国产厂商研制的“超精密技术皇冠上的明珠”研制产线,预计将于2019年上半年投产。

去年下半年,国家02科技重大专项之一“28纳米节点浸没式光刻机产品研发”的核心部件“光刻机浸液系统”项目签约入驻杭州青山湖科技城。

不过,光刻机的整机制造技术仍然没有一家国内企业攻克。目前,国内想要建立一条先进的芯片生产线,仍然必须从光刻机巨头荷兰厂商AMSL处采购,并且从下单后,要等待将近2年的交货期。

芯片的制造过程是沙子变成芯片的过程,然而,“点沙成金”绝非短日内就能蹴成的神技。“从设计、加工到设备配套,芯片产业链很漫长,涉及领域很广,尤其需要经验的积累,不是说砸钱下去就能把差距追平的。”中国工程院院士李国杰认为,中国“缺芯”现象非短期所能改变,必须“要有耐心”。