華為海思晶片被全面斷供的訊息，讓無數國人都感到十分無奈。與此同時，據 Canalys公佈的資料，2021年Q1智慧手機出貨量排名前五位分別是 vivo、 OPPO、華為、小米和蘋果，其中華為手機出貨量為1490萬臺，同比下滑50%。而且，就在第二季度，華為直接跌出前五名！據報道，華為第二季度出貨量為980萬部，同比下降74.6%，環比下降33.3%。這種情況的發生也喚起了人們的思考：華為的晶片為什麼會被美國限制代工？如果徹底擺脫美國技術的話，國產晶片代工廠能達到幾奈米？
之所以會被美國封鎖，是因為華為海思只是一個專注晶片設計的公司，並不具備晶片製造的能力。其的量產需要代工廠的參與，而此前臺積電正是華為最主要的合作伙伴。華為和臺積電的合作已存在多年，二者一直都處於雙贏的局面。臺積電承擔著為華為生產晶片的任務，而華為也給了臺積電鉅額的利潤。但是隨著美國對華為的無理打壓，這種局面被徹底打破。由於臺積電生產晶片的裝置中含有美國的技術，所以在2020年9月15日之後，它將無法為華為供應晶片，這便是美國限制華為晶片的主要手段！其實說白了，還是因為國內的晶片代工廠不夠給力，華為才陷入了這樣的危機。
那麼，如果徹底擺脫美國技術的話，國產晶片代工廠能達到幾奈米？其實對於一個晶片代工廠來說，前道工序的裝置和涉及到的材料的國產化是最為核心的，也是我們被卡脖子的地方。想要造一個晶片代工廠就必須得有八大裝置 —— 擴散裝置、薄膜沉積裝置、光刻機、刻蝕機、離子注入裝置、cmp拋光裝置、清洗和測試裝置；八大材料——矽片、電子特氣、光掩膜、光刻膠、光刻膠輔助材料、溼化學品靶材、拋光。
我們先來講裝置，首先是氧化擴散裝置，其主要提供氧化、擴散和退火等工藝。氧化（Oxidation）是指將矽片放置於氧氣或水汽等氧化劑的氛圍中進行高溫熱處理，在矽片表面發生化學反應形成氧化膜的過程，是積體電路工藝中應用較廣泛的基礎工藝之一。氧化膜的用途廣泛，可作為離子注入的阻擋層及注入穿透層（損傷緩衝層）、表面鈍化、絕緣柵材料以及器件保護層、隔離層、器件結構的介質層等等。擴散（Diffusion）是在高溫條件下，利用熱擴散原理將雜質元素按工藝要求摻入矽襯底中，使其具有特定的濃度分佈，達到改變材料的電學特性，形成半導體器件結構的目的。在矽積體電路工藝中，擴散工藝用於製作PN接面或構成積體電路中的電阻、電容、互連佈線、二極體和電晶體等器件。退火（Anneal）也叫熱退火，積體電路工藝中所有在氮氣等不活潑氣氛中進行熱處理的過程都可稱為退火，其作用主要是消除晶格缺陷和消除矽結構的晶格損傷。為了使金屬（Al和Cu）和矽基行成良好的基礎，以及穩定Cu配線的結晶結構並去除雜質，從而提高配線的可靠性，通常需要把矽片放置在惰性氣體或氬氣的環境中進行低溫熱處理，這個過程被稱為合金（Alloy）。國內做的最好的是北方華創科技集團股份有限公司，具體來說是其全資子公司北京北方華創微電子裝備有限公司，其相關產品的技術節點做到了28奈米全覆蓋，有的已達到了14奈米。
薄膜沉積裝置主要是PVD（物理氣相沉積）和CVD（化學氣相沉積）兩個領域。先說PVD，最新的技術叫磁控濺射技術，它是利用帶電荷的粒子在電場中加速後具有一定動能的特點，將離子引向被濺射的物質製成的靶電極（陰極），並將靶材原子濺射出來使其沿著一定的方向運動到襯底並在襯底上沉積成膜的方法。磁控濺射裝置使得鍍膜厚度及均勻性可控，且製備的薄膜緻密性好、粘結力強及純淨度高。該技術已經成為製備各種功能薄膜的重要手段。該技術目前國內做得最好的還是北方華創微電子裝備有限公司，其突破了濺射源設計技術、等離子產生與控制技術、顆粒控制技術、腔室設計與模擬模擬技術、軟體控制技術等多項關鍵技術，建立了具有自主智慧財產權的核心技術優勢，形成了國產積體電路領域高階薄膜製備裝置零的突破，裝置應用跨越90奈米至14奈米的多個技術代，代表著國產積體電路薄膜製備工藝裝置的較高水平，併成功進入國際供應鏈體系。
再說化學氣相沉積（CVD），CVD技術是用來製備高純、高效能固體薄膜的主要技術。在典型的CVD工藝過程中，把一種或多種蒸汽源原子或分子引入腔室中，在外部能量作用下發生化學反應並在襯底表面形成需要的薄膜。由於CVD技術具有成膜範圍廣、重現性好等優點，被廣泛用於多種不同形態的成膜。北方華創微電子憑藉十餘年的微電子領域高階工藝裝置開發經驗，先後完成了PECVD、APCVD、LPCVD、ALD等裝置的開發，致力於為積體電路、半導體照明、微機電系統、功率半導體、化合物半導體、新能源光伏等領域提供各種型別的CVD裝置，滿足客戶多種製造工藝需求。同樣是北方華創微電子裝備有限公司自主開發的臥式PECVD已成功進入海外市場，為多家國際領先光伏製造廠提供解決方案。而矽外延裝置在感應加熱高溫控制技術、氣流場、溫度場模擬模擬技術等方面取得了重大的突破，達成了優秀的外延工藝結果，獲得多家國內主流生產線批次採購。
CVD裡面還有一個細分叫ALD，原子氣相沉積，是目前最先進的技術。原子氣相沉積是一種可以將物質以單原子膜形式一層一層的鍍在基底表面的方法，是製備薄膜材料的重要方法之一。它的特點是自限制性，這也決定了原子層沉積技術具有厚度高度可控、優異的均勻性及良好的保形性等眾多優點，尤其擅長高深寬比圖形填充。原子層沉積技術被廣泛應用在HKMG、Double Pattern、Dielectric、MEMS、Memory等多個領域。該技術已經成為製備各種功能薄膜的重要手段。北方華創微電子突破了前驅物輸運系統控制技術、均勻穩定的反應室熱場及流場控制技術、等離子產生與控制技術、脈衝射頻的快速調頻匹配技術、高效無損傷原位清洗技術及軟體控制技術等多項關鍵技術，建立了具有自主智慧財產權的核心技術優勢。北方華創微電子先後研製了具有自主智慧財產權的熱原子層沉積(Thermal ALD)裝置、等離子體增強原子層沉積(PEALD)裝置兩個系列產品，可沉積Oxide(HfO2/Al2O3)、Metal(TiN/TaN)、PE-SiN、PE-SiO2等多種薄膜，2018年形成裝置銷售，實現了國產積體電路領域高階薄膜制
來到了最重要的工序——光刻裝置，光刻工序裡面有兩道裝置，一道是大家非常熟悉的光刻機，一道叫做塗膠顯影機。我們先說塗膠顯影機，國內有一家公司叫瀋陽芯源微電子裝置股份有限公司，只做塗膠顯影機，其最先進的產品突破晶圓前道28nm工藝節點及以上工藝製程，適用於ArF、KrF、I-Line、PI、BARC，SOC，SOD，SOG等多種材料塗覆顯影工藝的高階機臺。支援與光刻機聯機作業。14四奈米節點的產品還在研發當中。
光刻機是最令人頭疼的一個環節，國內目前最先進的是上海微電子裝備(集團)股份有限公司生產的SSX600系列步進掃描投影光刻機。該機型採用四倍縮小倍率的投影物鏡、工藝自適應調焦調平技術，以及高速高精的自減振六自由度工件臺掩模臺技術，可滿足IC前道製造90奈米、0.11微米、0.28微米關鍵層和非關鍵層的光刻工藝需求。當然，現在坊間也有傳聞說上微正在研發28奈米純國產浸潤式光刻機。由於沒有任何官方訊息，這個傳聞我也不敢斷然判斷真假，只能從光刻機的四個核心部件——光源裝置、物鏡系統、浸液系統和雙工件臺來分析國產浸潤式光刻機的真實進展。
1、光源裝置：光源是光刻機的最關鍵裝置，它的生產能力在於光源的波長，現階段關鍵有三種種類的光源，最先是汞燈光源，分為G-Line和I-Line技術，在365-436nm範疇內；之後發展趨勢為DUV光源，分為KrF和ArF技術，波長248-193nm；最新的是EUV光源，其波長為13.5nm。當發展到193nm波長的光源時，要進階到更短的波長是很難。臺積電的技術工程師想到了一個想法，透過水作傳播的物質，讓光源在水中造成折射，那樣波長就縮短了，這就是所謂的浸潤光刻機技術，即ArFimmersion（ArF技術）。目前國產40W 4kHz ArF準分子鐳射光源已經由北京科益虹源光電技術有限公司交付（準分子鐳射光源此前全球只有兩家公司提供，分別為美國Cymer公司和日本Gigaphoton公司，前者已經被ASML全資收購）。假如浸潤技術性完成後，193nm的光源就等同於了134nm，那麼就可以在整合IC上對45/40,28nm,22/20,14/16,10nm連線點開展光刻技術。EUV光刻工藝僅有在進到下一階段的10nm及更小的整合IC時才必須應用，而在10nm之上，則是選用193nm光源，再相互配合浸潤式技術性就可以。因此，上海微電子要是越過浸潤式光刻機技術性這一關，便可以瞬間跨入國際先進光刻機行列。
2、物鏡系統：中科院長春光機所（現北京國望光學科技有限公司）和上海光機所負責光學部分，其中長春負責物鏡系統，上海負責照明系統，此前NA 0.75光刻機曝光光學系統已經透過02專項驗收，滿足90nm級ArF乾式光刻機的需要，但主流的ArF浸沒式光刻機一般需要60W 6kHz等級的光源，似乎情況不容樂觀（見上一條）。
3、浸液系統：浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室和浙江啟爾機電技術有限公司負責沉浸式光刻機的浸液系統，目前進度還可以，算是全世界第三家（第一ASML，第二為Nikon）。
4、雙工件臺：清華大學和北京華卓精科科技股份有限公司負責雙工件臺系統，這個進度比較快，2019年底順利通過了02專項的CDR里程碑評審，研發和試產基地也完成了建設，是世界第二個掌握該項技術的（第一個為ASML的Twinscan技術）。
綜上，光刻機子系統供應鏈方面有所起色，但距離領先水平還是有一大段距離的，我們不得不承認在中美貿易摩擦不斷加大的背景下，絕大多數的中國人都希望國家能在半導體領域能儘快有所突破，以掙脫受制於人的困境。但像光刻機產業節點突破這樣的大事還是坐等官宣吧（比如驗收完畢、接受預定、進入市場、量產反饋良好等），我們從一窮二白的零供應鏈起步，到在如今中美局勢如此緊張下還能不斷取得突破，實屬不易。
來看看刻蝕機。刻蝕環節是我們的強項，目前北京北方華創微電子裝備有限公司的等離子幹法刻蝕技術利用等離子體進行薄膜微細加工，透過一種或多種氣體原子或分子混合於反應腔室中，在外部能量作用下（如射頻、微波等）形成等離子體，目前已應用於積體電路領域，節點技術達到14nm技術。而更強的中微半導體裝置(上海)股份有限公司的介質刻蝕技術節點已經到5奈米了，成功打入臺積電的生產線，並且也完成了3D NAND刻蝕工藝中最難的“超深寬比刻蝕”工藝的研發,已經申請了專利。
再來看看離子注入裝置，國內有兩個企業在做，北京中科信電子裝備有限公司和上海凱世通半導體股份有限公司，目前來說兩家技術並沒有特別大的差距。2003年至2014年，中科信先後承擔“十五”863計劃100nm大角度離子注入機專案、“十一五”02專項12英寸90-65nm大角度離子注入機研發及產業化專案及“十二五”12英寸45-22nm低能大束流離子注入機研發及產業化專案。100nm大角度離子注入機專案的成功實現了國產離子注入機制造水平由6英寸500nm到8英寸100nm技術的跨越。12英寸90-65nm大角度離子注入機研發及產業化專案的成功實現了國產離子注入裝備從消化吸收到產業化階段的跨越式發展。12英寸45-22nm低能大束流離子注入機研發及產業化專案的實施則進入一個全新的自主創新階段。凱世通與中科信差不多，技術節點稍微落後到28奈米，可以認為離子注入國內目前滿足的是22納米制成需求。
最後還有幾個裝置，包括CMP拋光、清洗裝置和前道檢測裝置。先說CMP拋光裝置，國內做得最好的是華海清科股份有限公司。從其官網的資訊來看，目前華海清科的拋光裝置最高階的是Universal-300 T，它是在300 X機型基礎上搭載了更先進的組合清洗技術，可以滿足28nm以下邏輯工廠以及1xnm儲存工廠Oxide/ SiN/STI/Poly/Cu/W CMP等各種工藝需求。清洗裝置比較簡單，目前有北方華創、盛美半導體、至純科技和芯源微在做，從官網公佈的產品來看，北方華創產品的技術節點目前在28奈米，盛美半導體的技術也在28奈米，所以清洗這塊都能滿足28奈米IC工藝。最後一個是前道檢測裝置，目前做的不錯的有4家企業，睿勵科學、中科飛測、上海精測和賽騰股份，睿勵科學的產品已經應用在28奈米產品線中，14奈米正在驗證中，所以前道檢測裝置按照28奈米算比較合適。
總結，國產半導體裝置目前的技術情況是這樣，除了光刻機之外，所有裝置的技術節點都達到了28奈米，有部分裝置進入14奈米，如果只看裝置這一個維度的話，完全可以造一個14奈米~28奈米的100%純國產的晶片代工廠。但是目前光刻機暫時達不到要求，不過生產28奈米的晶圓並不需要最先進的EUV，我們的晶圓代工廠完全可以買個二手的光刻機，也就是人家已經淘汰的光刻機是一樣可以幹活的，然後等著上海微電子的新光刻機下線，這是一條非常實用也非常符合實際需求的路子。從上面的分析我們就可以看成，這就是一個標準的木桶原理，短板多短，決定了製成的先程序度，生產一枚晶片需要經過上千道工序，任何一道工序出錯了就會極大的降低晶片的良品率，進而導致代工廠的成本飆升。
但是當我們把材料考慮進來的時候情況就不一樣了，畢竟製造晶片只有裝置，沒有材料是不行的。滬矽產業旗下的新生半導體已經量產了，可用於28納米制成了300毫米晶圓，光刻膠理論上來說也沒問題，南大光電的ArF光刻膠已經在公廠裡驗證挺久時間了，估計馬上就要量產了，拋光液也沒問題，安集微電子完全可以生產28奈米的拋光液，光罩也沒有問題，中芯國際長江儲存都會做，實在不行讓他們來幫忙也可以。但是，電子特氣、拋光墊、高純靶材和溼化學品這幾個領域說真的國內現在還沒法做到100%完全覆蓋，不過材料畢竟不能等同於裝置，具體怎麼做？你懂的。所以，以國內目前的技術情況，一旦上海微電子最新的光刻機下線，那就是100%純國產28納米制成晶片代工廠了。至於什麼時候量產，我覺得可以從另一條新聞來判斷。2021年1月8日，中芯京城積體電路製造(北京)有限公司積體電路生產線專案獲准開建。中芯京城是中芯國際、亦莊國投和大基金二期與2020年12月7日共同成立的合資公司，總投資500億人民幣。這家公司的成立是中芯國際進入實體清單的直接導火索，因為中芯京城將會是全面去美化，甚至是純國產化的生產線。按照中芯北方的情況，同樣是兩條產線，中芯北方大概用了一年半的時間就把第一條產線建好，開始量產。中芯京城的速度只會快不會慢，大機率會在2025年全部搞定。所以，為了配合中芯京城的進度，上海微電子一定會在2021年底開始進行光刻機的量產，2022年底至少有1-2臺國產光刻機進入中芯京城的生產線進行適配。
寫在最後：過去幾年，經歷了中美貿易戰的洗禮，我們逐漸從懵逼的狀態中走出。隨著RECP、中歐投資協定的簽署，曾經充滿黑暗的道路也即將迎來黎明。可我國的半導體產業依舊深深地受制於美國。2019年5月，華為被加入實體清單；2020年9月，美國全面制裁華為；2020年12月，中芯國際被加入實體清單。截止2020年12月31日，美國實體清單中我國上榜的實體超過400個。美國正在用自己的科技霸權，強行壓制我國戰略新興技術產業的發展。但一旦國產浸潤式光刻機的下線，我們面對的困境也許會出現轉機。也許，中國製造2025，就這麼完成了。
