2002年在北京建立首條生產線后,中芯國際就踏上了一條爭分奪秒、無從喘息的賽道。

芯片設計難,但芯片國產同樣阻力重重。數據顯示,雖然中國每年需要的芯片占到全球一半,但能實現國產的不到10%。

以集成電路龍頭企業中芯國際為代表,我國芯片產業高端裝備和材料正經歷從無到有填補產業鏈空白的躍進,制造工藝與封裝集成也由弱漸強參與國際競爭。經過17年艱難追擊,我國集成電路制造水平與國際先進水平的差距已從2000年相差四五代縮短至如今相差一兩代。

關鍵設備國產化率從1%升至15%

刻蝕機、離子注入機、化學機械拋光機、快速熱退火設備……在這些芯片生產線的關鍵位置,國產設備占據的席位終于從1%提升到了15%——這是過去七年間,中芯國際國產化設備交出的成績單。當中芯北京總經理張昕拿到這份經過嚴謹統計計算的數據后,他輕吁了一口氣,“苦心經營這么些年,總算開花結果了。”

在中芯國際工作多年的老人兒都清晰記得,十多年前中芯國際在京投產時,大到生產線設備,小到螺母、螺絲釘,都是進口的。當時,集成電路生產線上刻蝕機、氧化機、薄膜、光刻、離子注入等關鍵設備,一直都由歐美日少數公司掌握。

投資一條芯片生產線,動輒要投資幾十億美元,除了廠房、基礎設施建設,購買先進設備是產線投入中的大頭。可是,國內廠商不掌握先進生產設備技術也就意味著,“投資10塊錢,9.8塊錢都花在了國外。”

除了“別人吃肉自己喝湯”,芯片生產核心設備受制于人,更為嚴重的后果是,整個集成電路產業鏈的發展進程都要受壟斷技術、設備的發達國家牽制。

“想買設備,一等等上一年半載、甚至兩年,拿錢也得等著,人家得先給美國、日韓那些巨頭供貨。”北方華創副董事長耿錦啟說。對于技術迅速更新的芯片產業來說,多等兩年,就意味著芯片產品的技術要慢至少一代。

重壓之下,國產設備的攻堅進展卻十分緩慢。“剛接到攻克刻蝕機國產化任務那會兒,我連刻蝕機長什么樣都沒見過。”耿錦啟回憶。

國產設備進芯片生產線,為何這么難?

以等離子體刻蝕機為例,在芯片上進行微觀加工,其每個線條或孔洞的加工精度是頭發絲直徑的萬分之一左右。而另一款更難做的光刻機,全球90%以上這種設備都由一家荷蘭公司壟斷。光刻機對精密化等技術有著嚴苛要求,該公司光刻機在交付給客戶時,都直接空運上門,并手把手完成安裝調試,中途稍有不慎,就有可能影響設備使用。

2008年,國家科技重大專項02專項成立,組織“產學研”聯合開發,由行業龍頭企業中芯國際等牽頭,向世界先進的28納米等芯片技術節點攻關,并推動裝備國產化。北京市作為組織牽頭單位,對項目承擔單位予以資金扶持。中芯國際、北方微電子、七星華創(北方微電子、七星華創后重組為“北方華創”)、中科信公司等產業鏈的上下游企業站在了一起,開始了聯盟式的集體攻關。

10年內有望躋身全球第一梯隊

在北京經濟技術開發區中芯國際二期廠房,2.8萬平方米的集成電路車間內,因大量工作都通過自動化設備完成,只能看見少量的工人。從200多輛搬運“小車”沿屋頂軌道的滑行,才能看出生產的繁忙。

今年,二期的另一座新廠房還將有大批設備進廠,并在明年逐漸實現滿產。滿產后,中芯位于開發區的全部生產線將具備12萬片產能,成為整個中國大陸12英寸晶圓生產水平最高、技術最先進、規模最大的芯片生產基地。

好消息同樣從南方傳來。中芯國際的14納米芯片明年上半年將在上海投產。14納米,正是目前全球領軍企業如今已實現量產的先進技術節點。

“我們和國外最先進水平的差距是一到兩代技術節點。”北京經濟技術開發區投促局副局長李冬明說。

“力爭用10年時間進入全球第一梯隊”——在近日舉行的一場內部會議上,中芯國際董事長周子學透露了中芯發展中的“小目標”。

除了在先進技術節點、關鍵設備研制上奮起直追外,國內芯片制造企業還在嘗試產業鏈上下游的一體化“合力”。

長期以來,芯片設計、芯片制造這兩個環節相輔相成,“打個比方,一份設計圖,經驗豐富的老裁縫在制衣時反復調整某個剪裁細節,最后做出的衣服效果特別好。老師傅把這些工藝細節反饋給設計師,下次就能拿出更好的設計圖。”張昕解釋,這些工藝參數、性能改進細節,在歐美同行中被視為極其重要的知識產權。如若國內芯片設計企業長期依賴境外廠商代工,這些信息都存在流失風險,對提升我國芯片設計能力也將是巨大損失。

近來,在中芯國際位于開發區的廠房,正在開辟一塊特殊場地。這里外觀上看起來與普通的產線并無二致,但實際上是一個串起芯片設計、制造環節的國產芯片創新中心。在這里,中芯將通過與華為等芯片設計公司合作,實現設計、制造環節無縫融合,直至聯合開發出優質芯片產品。

“遵循刻板的芯片代工生產模式,我們很難突破困境,只有抱團合作,才能發揮合力。”張昕說。

光刻機核心零部件尋求突破

在芯片制造設備領域,光刻機被視為當之無愧的“皇冠”。多年來,光刻機國產化這一重大課題卻始終未能攻破,成為中國芯中國造的“扼喉”之痛。不過,星星之火正在點亮,光刻機核心零部件技術正在被各個擊破。

全國范圍內,圍繞光刻機關鍵零部件、刻蝕機的技術攻關開始陸續收獲進展:

近日,創始團隊有多年硅谷高端半導體制造從業經驗,在北京經濟技術開發區成立的東方晶源,其光刻機缺陷檢測及優化系統等技術,已進入三星等全球主流芯片巨頭的生產線上進行試用,并將在今年進入中芯國際的產線。

2個月前,從事光刻機光源技術開發、承擔國家02重大專項“準分子激光技術”的科益虹源,其技術剛剛獲得芯片代工“行業老大”臺積電的采購。

今年上半年,填補國內光刻機關鍵零部件研制空白、清華大學團隊成立的華卓精科的集成電路裝備關鍵零部件生產研發基地正在北京經濟技術開發區建設。李冬明向記者透露,華卓精科研制的光刻機雙工件臺,被視為光刻機最關鍵的零部件,這個由國產廠商研制的“超精密技術皇冠上的明珠”研制產線,預計將于2019年上半年投產。

去年下半年,國家02科技重大專項之一“28納米節點浸沒式光刻機產品研發”的核心部件“光刻機浸液系統”項目簽約入駐杭州青山湖科技城。

不過,光刻機的整機制造技術仍然沒有一家國內企業攻克。目前,國內想要建立一條先進的芯片生產線,仍然必須從光刻機巨頭荷蘭廠商AMSL處采購,并且從下單后,要等待將近2年的交貨期。

芯片的制造過程是沙子變成芯片的過程,然而,“點沙成金”絕非短日內就能蹴成的神技。“從設計、加工到設備配套,芯片產業鏈很漫長,涉及領域很廣,尤其需要經驗的積累,不是說砸錢下去就能把差距追平的。”中國工程院院士李國杰認為,中國“缺芯”現象非短期所能改變,必須“要有耐心”。