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迫使美国取消出口管制,他是中国半导体刻蚀设备之王

来源:芯八哥 发布时间:2022-01-14

摘要: 因为中美贸易战和华为事件,“光刻机”这个原本只在IC工艺制造圈子里才知道的专业设备变得人尽皆知,成为卡脖子卡得最痛的那一环,至今先进制程所需的EUV极紫外线光刻机依然面临美国的管制和禁运。

因为中美贸易战和华为事件,“光刻机”这个原本只在IC工艺制造圈子里才知道的专业设备变得人尽皆知,成为卡脖子卡得最痛的那一环,至今先进制程所需的EUV极紫外线光刻机依然面临美国的管制和禁运。

 

不同于在光刻机设备上巨大的差距,我国在同样重要的刻蚀机上却赶上了世界一流水平。上海中微半导体设备公司(以下简称中微)开发的5nm刻蚀机已经用于台积电的产线上,3nm样机也已完成预研和试产。

 

这或许是迄今为止所有国产IC制造设备中唯一一个达到世界最高水平的。在我国IC工艺和设备整体处于弱势的现实下,这不能不说是一项令人瞩目又振奋人心的成就,而背后的功臣即是本文故事的主角——中微创始人/董事长尹志尧。

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| 刻蚀:1粒米上刻1亿个字

在讲述尹志尧的故事之前,先认识下刻蚀工艺到底是在干什么,然后才能真正理解尹志尧和中微的价值。

 

在IC前端制造工艺中,薄膜沉积、光刻、刻蚀是最重要的三道工艺,也是密不可分的三道工艺,依次的顺序是:先在硅晶圆上沉积一层薄膜,接着用光刻机将掩膜版上的图形转移到薄膜上,然后用刻蚀机将不需要的部分去除,最终在晶圆上形成所需要的图案。

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图:薄膜沉积、光刻、刻蚀工艺示意图

(芯八哥制作)

 

如上图所示,刻蚀工艺可以在硅表面形成3D结构。刻蚀之所以重要是因为当晶体管尺寸缩小到20nm量级时,为了克服栅极对源极和漏极之间沟道电流控制力急剧下降的缺陷,晶体管的结构从平面型转向了3D立体型,即Fin-FET鳍式晶体管。到5nm尺寸,又转向了结构更为复杂的环绕栅极晶体管GAA。

 

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图:晶体管结构演变,从左至右:平面性晶体管、Fin-Fet晶体管、环绕栅极晶体管

 

晶体管结构越复杂,所需要的刻蚀次数就越多,对刻蚀工艺要求就越高。据统计,28nm 制程的刻蚀需要40道,到了14nm需要65道、7nm需要140道。进入5nm之后,更是需要高达160多道刻蚀工序。另外,在NAND Flash存储芯片由2D NAND转向3D NAND,刻蚀工艺在整个生产过程的占比从20%-25%上升到40%-50%。

 

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图:半导体制造资本支出各设备占比

(资料来源:易观数据)

 

因此,刻蚀工艺在IC前端制造中的重要性可见一斑。而中微的刻蚀机在国内64层和128层3D NAND存储芯片产线的市占率约在 34—35%。

 

从技术方案上看,刻蚀可分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类。芯片工艺制程在微米尺度时,还能使用湿法刻蚀,将硅片浸没在溶液里,由溶液把需要去除的部分腐蚀掉。这种方式最大的缺陷就是会导致沟槽边缘被腐蚀成圆弧形,沟槽的准直度没法保障,如下图右所示。

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左图:规则的沟槽  右图:沟槽边缘成圆弧状缺陷

 

芯片工艺制程进入纳米尺寸后,湿法刻蚀逐渐被淘汰,工艺升级为干法刻蚀,即用电场加速等离子体,高能等离子体轰击晶圆表面,如同剃刀一般将晶圆上不需要的部分轰击掉,形成规整的沟槽图案。这种刻蚀设备也被称作等离子体刻蚀机。

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图:干法刻蚀各种结构的显微镜放大图

(资料来源:中微官网)

工艺制程进展到几个nm的量级,对等离子刻蚀机的要求是在极窄的宽度下,刻出极深的沟槽。中微最新一代等离子刻蚀机刻出沟槽的深度和宽度比达到60:1,其精度要求相当于在1粒米的面积上清晰的刻出1亿个汉字,其难度可想而知。明白了刻蚀是在干什么,就已经知道尹志尧能带领中微开发出如此复杂的设备,必然是一位大牛。

 

| 留学美国,成为刻蚀设备之王

尹志尧1944年出生于北京,18岁考入中科大化学物理系,24岁被分配至兰州炼油厂,34岁考入北大化学系读硕士学位。1980年,已经36岁的尹志尧在美国亲戚的帮助下,来到加州大学洛杉矶分校攻读博士学位,花了三年半时间拿到物理化学博士学位,毕业后来到Intel的技术发展部门做电浆蚀刻研究工作。

 

1986年,Intel请尹志尧帮助泛林公司(Lam Research)测试介质刻蚀机。经过反复试验,尹志尧认为Lam的刻蚀技术不成熟,写了很多反馈意见给Lam。Lam看了尹志尧发过来的意见,认为很有价值,于是把他拉到了Lam做刻蚀机。尹志尧用了5年时间大大提升了Lam刻蚀机的技术水平,把美国另一家半导体设备巨头应用材料公司(Applied Materials)打到第二的位置。

 

其实应用材料一直都想挖尹志尧,但是苦于没有机会。直到Lam公司内部出现管理问题,这才硬把尹大佬给挖了过来。之后尹志尧在应用材料工作了13年,又把应用材料带回到全球刻蚀机第一的位置。

 

有一个很有意思的小插曲,当尹志尧在Lam的时候,一家做电子产品生意的日企来跟Lam谈刻蚀机的代理销售合作。他们本来不会刻蚀技术,在Lam和尹志尧的帮助下,他们逐渐学会了怎么做刻蚀机。后来他们发展成了全球第六大刻蚀机企业,这家日企叫东京电子。

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图:2017年国内刻蚀机市场份额

(资料来源:国融证券)

 

在全球刻蚀机领域,尹志尧已经是无可争辩的王者,先后领导三个巨头企业的刻蚀机研发工作。回国前做到应用材料公司副总裁,负责等离子体刻蚀机部门。另外,他还在硅谷发起成立了硅谷中国工程师协会,并担任了协会前两任主席。

 

| 归国创业,填补空白

中国半导体事业在一点点进步,更在期待着半导体精英人才回国。在刻蚀机领域举足轻重的尹志尧最终回国也许是注定的,但还需要一个契机。

 

有一次,尹志尧代表应用材料公司参加在上海举办的一个半导体设备展,遇到了当时上海经贸委副主任、后来中芯国际董事长江上舟。江上舟仔细观看了应用材料的刻蚀机设备后对尹志尧说:“看来刻蚀机比原子弹还要复杂,外国人用它来卡住我们的脖子,我们自己能不能把它造出来?”

 

尹志尧当时已年逾六旬,有些犹豫。江上舟接着说“我是个癌症病人,只剩下半条命,哪怕豁出这半条命,也要为国家造出光刻机、刻蚀机来。我们一起干吧。”最终,尹志尧被江上舟的热诚打动,和另外14位刻蚀机方面的干将一起回国,创办了上海中微。

 

长期担任美国企业高管,尹志尧对美国知识产权管制的严格有深刻的认识。回国前给所有工程师定下规矩,回去不带USB硬盘,不带PC电脑,不带任何图纸。由于国际上前几代刻蚀机尹志尧几乎都参与过,对国外刻蚀机太熟悉了,要设计国产刻蚀机相当于完全打破自己以前的设计,做出全新差异化的设备。

 

经过对3000多件相关专利仔细分析之后,尹志尧团队找到了突破口。等离子体刻蚀需要解决等离子源的问题,尹志尧团队提出了一个新的概念,把甚高频和低频的交流射频电流混在一起,全都加在电容耦合高能等离子体刻蚀机(CCP)的电容下电极,产生甚高频去耦合的反应离子,作为刻蚀工具。这种结构是尹志尧团队首创,过了三四年以后,国外公司也开始跟进这个方向。

 

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图:三代刻蚀机的结构演进

 

尹志尧和团队花了3年时间,终于成功研发出能用于65nm至45nm的刻蚀机,开始导入foundry厂产线开始试用。

 

| 应对诉讼,迫使美国取消出口管制

中微正要开始产品的全面商业化销售之际,不料,美国开始了最擅长的商业进攻武器——法律诉讼。2007年10月,尹志尧的老东家应用材料将中微告上了美国法庭,宣称中微涉嫌盗用商业秘密、违反合同和不公平竞争。

 

应用材料认为,尹志尧在辞去公司副总裁前一直管理等离子刻蚀团队,而中微副总裁陈爱华之前担任应用材料公司低压化学沉积产品部经理,熟悉相关专利。他们参阅过“大量敏感信息和商业机密”,“蓄意违反对应用材料的多项义务,向中微转移和转化了应用材料的发明和商业秘密”。

 

熟悉的配方、熟悉的味道。在中微之前,国内没有企业可以供应中高端刻蚀机,所需设备全部依赖进口。一旦中微的刻蚀机通过产线验证,势必影响应用材料等外国公司的销售,而这正是应用材料等国际巨头不愿看到的。

 

美国公司不知道的是,中微在知识产权方面早就做好了十分充足的准备。自知清白的中微底气十足,聘请了美国一流的律师沉着应战。据说双方律师彻查了600多万份文件,确认中微完全没有违反任何法律。最终在2010年1月,应用材料和中微联合宣布,双方所有诉讼达成了和解,解决了所有未决争议。

 

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图:中微CCP刻蚀机(资料来源:中微官网)

 

尹志尧在2020年的一次演讲中提到,中微创立十几年来与美国3家设备公司打了4场专利官司,其中3次是被美国设备公司起诉,1次是中微起诉美国公司。最终中微赢了2场,和解2场,无一败绩。

 

凭借雄厚的技术,中微陆续开发出电容耦合高能等离子体刻蚀机(CCP)、电感耦合低能等离子体刻蚀机(ICP)、硅通孔刻蚀机(TSV)等三大刻蚀机产品,能够刻蚀包括单晶硅、多晶硅、氧化物、氮化物、有机掩模、金属互连线、通孔等几乎所有场合需求。工艺制程也一代一代演进,5nm刻蚀机进入台积电产线,3nm原型机完成设计、制造、测试。

 

中微的崛起导致美国长期对我国的刻蚀机出口管制失去意义。下图是尹志尧一次演讲中PPT的照片,其中引用2015年2月9日美国商业部工业安全局的一份声明,其中说到:在中国已有一家非美国的公司,事实上已有能力供应足够数量和同等质量的刻蚀机,所以继续现在的国家安全出口管制已达不到其目的了。

 

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图:尹志尧演讲照片

 

基于这份声明,美国正式取消了等离子体刻蚀机对中国的出口管制,标志着中国在刻蚀机设备上终于走到了世界一流水平。尹志尧和他带领的中微厥功甚伟。

 

如今中微的业务不仅仅局限在刻蚀机,其开发的有机金属化合物气相沉积设备MOCVD可用于LED、MiniLED、MicroLED外延片产线。2018年四季度,中微的MOCVD设备在国际氮化镓基MOCVD市场占有率达到70%以上,客户包括三安光电、璨扬光电、华灿光电、乾照光电等LED芯片及功率器件制造商。

 

按照公司战略,中微还将开发逻辑芯片的薄膜沉积和测量设备,除光刻以外,IC制造最关键的几大工艺——薄膜沉积、刻蚀、测量,中微产品线都将覆盖,能更好的服务于国内foundry厂。

 

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图:中微MOCVD设备

(资料来源:中微官网)

 

| 协调人和钱:财散人聚

人们提到尹志尧往往都会说他在刻蚀机国产化上的贡献,这当然是他身上最大的光环。但有关他的另外一些故事也许更能看出他更是一个有血有肉的、可爱的人。

 

在中微初创的2004年,尹志尧仅有江上舟从上海科创投给他争取的5000万和自筹的150万美元,很快就烧完了。那时国内的集成电路投资环境与如今相去甚远。多家大型国企、民企、投资公司研究了中微的项目后都不肯投资。一来他们不了解半导体设备行业,二来半导体关键设备研发投入巨大,整个市场已被美日少数几家企业垄断,他们不相信尹志尧能成功。

 

无奈之下,尹志尧只得前往美国硅谷融资,那里的许多风投机构看好这个华人创业团队。在硅谷,中微完成了华登国际领投的3949万美元A轮融资。中微创立10年花了大致15个亿在研发上,这些钱只相当于尹志尧在美国公司所负责部门一年半的研发经费。实际上在2014年集成电路大基金成立以前,国家对半导体产业的投资是远远不够的,用当时《财新周刊》一篇报道里的话来讲,“每年的投入只够修2公里地铁”。

 

即使在经费一直紧张的创业期,尹志尧关于公司全员持股的想法一直没有动摇。公司刚一开始,尹志尧就想好了,中微一定是一个全员持股的公司。尹志尧认为资本进入半导体公司肯定有价值,但公司价值不仅仅是资本创造的,特别是在科创企业,主要是靠由员工创新劳动创造的。

 

因此,中微的管理层和员工拿公司股票都不需要用钱买,只要有劳动创造,经过一定评价机制就可以拿到公司股票。尹志尧称之为“中微特色的社会主义集体所有制”。到中微上市时,公司700多名在职员工都拥有公司股份,都分享到了公司上市后的喜悦。

 

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面对目前半导体产业整体弱势的不利局面,尹志尧却对我国的集成电路前景信心十足。原因是他认为华人在美国集成电路的发展历程中起了非常大的作用,也肯定能搞好自己国家的集成电路产业。1984年他刚进入Intel研究中心开发部工作,发现这个部门研究项目组组长、经理绝大部分都是华人,工艺集成部门几位最主要的、能干的工程师人员多数也都是华人。

 

在半导体产业持续往东亚转移的过程中,华人将会在全世界的IC产业里扮演更多重要角色,而尹志尧就是这股浪潮中一朵闪亮的浪花。

 

| 最后一个小故事

60岁的尹志尧刚回国,有一次坐出租车,跟司机聊得起劲,快离开时司机对他说:“你看起来只有38岁!”尹志尧一听,爽朗地笑了,说:“太好了,以后我就是38岁的人。”


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