在浦东张江中芯国际的工厂里，无时无刻不在上演着代表人类最高制造水平的“接力赛”。直径30厘米的圆形硅晶薄片穿梭在各种极端精密的加工设施之间，由它们在硅片表面制作出只有发丝直径千分之一的沟槽或电路。热处理、光刻、刻蚀、清洗、沉积……每块晶圆要昼夜无休地被连续加工两个月，经过成百上千道工序，最终集成了海量的微小
半导体生产设备和材料，是半导体产品的最上游。据国际半导体产业协会（SEMI）公布的多个方面数据显示，2017年全球半导体设备商出货金额达到560亿美元，比起上一年大幅度增长接近40%，创下历史上最新的记录。相比2016年全球半导体市场3389亿美元的销售额来说，规模实际上并不大。
但在中国国家科技重大专项02专项技术总师、中科院微电子所所长叶甜春看来，与其他产业不同，半导体生产设备和材料并不是IC的配套产业，相反，而是IC产业高质量发展的决定性因素。从上世纪80年代末期开始，半导体设备公司开始把工艺能力整合在设备中，让用户买到设备就能保证使用，并且达到工艺技术要求，因此有“一代器件，一代设备”之说。“这样的领域的特点是技术和资金门槛极高，要经过漫长的投入期才能看到回报，也能够更好的起到控制他国集成电路发展速度的作用。”
集成电路（以下简称IC）产业制高点的竞争，归根结底，还是装备制造业的竞争。
“IC装备制造是我国芯片产业链中最薄弱的环节，经过20余年的追赶，中国芯片制造领域与世界还有两代差距。”叶甜春斩钉截铁地说，“IC制造业最核心的竞争力还是IC装备制造。中国IC产业要想掌握发展主导权，IC装备是必须要解决的问题。”
从随处可见的沙子变成手机电脑里不断运算的芯片，魔术般变化的背后，是复杂且耗时的IC制作的完整过程：上千道工艺，近两个月的打磨。
据上海集成电路行业协会原副秘书长、高级顾问王龙兴介绍，集成电路设备通常可分为前道工艺设备（晶圆制造）、后道工艺设备（封装与检测）等。因生产工艺复杂，工序繁多，所以生产的全部过程所需要的设备种类多样。其中，在晶圆制造中，共有七大生产区域，分别是扩散（Thermal Process）、光刻（Photo- lithography）、刻蚀（Etch）、离子注入（Ion Implant）、薄膜生长（Dielectric Deposition）、抛光（CMP）、金属化（Metalization），所对应的七大类生产设备分别为扩散炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备、化学机械抛光机和清洗机，其中金属化是把集成电路里的各个元件用金属导体连接起来，用到的设备也是薄膜生长设备。
虽然只有7个区域，但很多工艺需要反复进行，比如几乎每个区域都会用到清洗机，因为生产的基本工艺越来越复杂，几乎每一两步就要对硅片清洗一次。
设备的技术难度、价值和市场占有率是成正比的。从销售额来看，79%的市场为前端的晶圆处理设备，封装和测试设备分别占7%和9%。在晶圆制造中，由于光刻、刻蚀、沉积等流程在芯片生产的全部过程中不断循环往复，是芯片前端工艺流程的三大核心技术，其设备价值也最高，其中镀膜设备、刻蚀设备、光刻机大约分别占半导体晶圆厂设备总投资的15%、15%、20-25%。
美国、日本、荷兰是世界半导体装备制造的三大强国，分别占据了全球市场占有率的37%、20.6%和13.55%，留给其他几个国家的“蛋糕”不到30%。2016全球前十大半导体设备生产商中，只有美日荷三个国家的企业入围。美国应用材料（Applied Materials）、美国科林（Lam Research）、荷兰阿斯麦尔（ASML）、日本东京电子、美国科磊（KLATencor）位列前五，占据半导体装备市场占有率的66%。
从各个装备领域来看，这一些企业也占据着绝对的主导地位。荷兰的阿斯麦尔（ASML）占据了超过70%的高端光刻机市场，营收50.91亿美元；在离子注入机上，美国应用材料公司占据了70%市场占有率，营收77.37亿美元；在涂胶显影机方面，东京电子占据90%的市场占有率，营收46.81亿美元。
相比之下，国内IC装备产业规模要小得多。2016年中国半导体设备前十强单位占全球的市场占有率仅约为2%，出售的收益总计57.33亿元，远低于美国应用材料一家公司的出售的收益，而且主营业务其实还是光伏部分。国内体量最大的中电科电子装备和中微半导体，2017年出售的收益均仅为11亿元，远小于国际。
和市场份额不相匹配的，是国内日益火热的IC市场。从2014年开始，全球IC制造产业慢慢的开始向中国大陆转移。中国大陆作为未来全球新增产线的重点区域，将迎来千亿量级的设备采购。未来一至三年，中国大陆将至少有7条12英寸产线采购设备，采购金额将达到2000多亿元。SEMI预计2018年我国大陆地区设备投资额将达到86亿美元，超过中国***地区，成为第二大半导体装备市场。
尽管中国大陆半导体投资大增，但中国大陆设备厂商的供应能力却严重不足，特别是缺乏成套设备的供应，“在这样的领域，我们处于受制于人的局面。一旦国外停止向我国出口这些装备产品，中国大陆的集成电路生产线都要停工。”王龙兴急切地说。面对巨大的市场需求和历史性的发展机遇，中国大陆设备厂商亟需突破。
一面是巨大的市场蓝海，一面是巨头的虎视眈眈，对国内IC装备产业而言，既是机遇也是挑战。
随着IC行业纳米的加工已接近物理化学的极限，加工的精度接近单个原子的水平，IC装备产业也面临着前所未有的挑战。
光刻机，就像一台精密复杂的特殊照相机，是芯片制造中“定义图形”中最重要的一种机器。一闪之间，母版上复杂的电路设计图形转化为硅片上细微繁密的沟壑纹理。光刻机的主要难点聚焦在准分子光源、光学系统和超精密运动高速工作台。一台光刻机有上万个零部件，在电脑程序的控制下进行复杂协调的联动，其运动精准程度的误差不允许超出一根头发丝的千分之一，这无异于在头发上“绣花”！
高端光刻机集精密光学、机械、控制、材料等先进科技和工程技术于一体，是集成电路装备中技术难度最高、价格最昂贵的关键设备，被称为人类技术发展的制高点和制造工业“皇冠上的明珠”。相应的，其价值也高到很难来想象的地步。王龙兴感慨地说，在光刻机市场，荷兰的阿斯麦尔公司一家独大，掌握着28纳米以下的高端光刻机技术，处于绝对的垄断地位。一台40纳米的光刻机售价高达3000万美元，相当于一架波音737飞机，而最先进的极紫外光刻机（EUV）售价高达1.1亿美元。
到了20纳米工艺制程以下，已经没有能满足直接生成20纳米线宽的光刻机产品，需要用刻蚀机通过多道工艺去除多余的部分。一台刻蚀机每年要刻百万万亿个又细又深的接触孔或者线条，孔底的直径要准确到几个纳米。一个高端芯片产出常常要经过近千道工序，刻蚀机的准确度要达到99.99%才能满足整个硅片的良品率要求，若设备的准确度只能达到99%，那么近千道工序过后，良品率几乎为零。不到1%的差距，结果却是天壤之别。
在IC产业的百米竞赛中，装备产业不仅要跑赢自己，还要跑在制造工艺的前面。一般来说，一代设备的开发总要超前当代芯片的研发两到三年，而超前当代芯片大量生产的三到五年。比如中微半导体开发的28纳米到20纳米的ADRIE介质刻蚀机，要核准的就是10纳米的刻蚀要求。
而对于起步晚了几十年的国内IC装备产业来说，这一难度被拉大了无数倍。2008年，“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项（02专项）开始启动实施，跨出了从0到1的第一步。
但第二步也绝不轻松。一台设备从研发、样机开始，一定要经过大量硅片的工艺试验，才能察觉缺陷，并进行改型。另外，出厂前还要经过马拉松试验，测算平均无故障时间等参数。
产品验证环节，决定了设备最终的市场竞争力。一位下游企业的老总曾向王龙兴坦言，即使国产设备性能能做到和国际巨头一样，但他们还是不会轻易使用。“因为买设备看重的不只是性能，还有设备的运行成本。简单来说，就是生产一个芯片的成本。”王龙兴介绍说，运行成本和多种因素相关，包括产能、良品率、安全使用时间、维修及常规使用的寿命，这些往往是需要产线验证和技术积累的。
事实上，国际巨头大多有自己的设备验证生产线。如美国应用材料公司，产线验证工厂整整占了一个街区。此外，它还兼并了16个其他领域的设备企业，产品线覆盖光刻机之外几乎所有的半导体装备，为其产品验证提供了极大的便利和条件。
“集成电路是高度国际化的产业，一定要进入国际市场。”国际排名第4的中芯国际，2017年的市场占有率仅仅只有6%。王龙兴表示，如果一个设备公司没有进入三星英特尔和台积电的大生产线，没有用在大量芯片生产上，是没有生存和发展可能的。但是国际领先的芯片制造公司的门槛极高，且牢牢掌握在顶尖的设备生产企业手里，想要“虎口夺食”，难度极大。
“像是一场战争。”回想起中国IC装备产业的艰难发展史，02专项技术副总师、上海微系统所所长王曦院士感慨地说。
事实上，IC作为国家战略性产业，其发展需要克服的不单单是技术本身，还有不对称的国际竞争环境，有关半导体的一切技术、设备都受到了严格的输出限制。
在集成电路上我国曾长期受制于人。《瓦森纳协定》是美国等国家为防止高技术扩散而设定的管控“脚镣”，许多集成电路生产线核心装备就在限制清单中；如果要出口，美方会对交易反复审查，确认符合美国产业安全利益后才会放行；此后，买方还必须按美方要求作出一些使用上的承诺。
长期以来的技术封锁，导致IC装备产业日益呈现寡头垄断的局面，后来者面临的是极高的进入门槛、极少的市场占有率，以及寡头们的围追堵截。仅存的几个大厂不仅能通过产品打包销售等手段控制客户和市场，几十年的技术积累，使得大厂可以轻松玩转专利武器，冷不防地给后来者致命打击。“在这样的国际竞争环境中，中国的IC装备产业处于全面落后的状态。”王龙兴感慨说，“中国的IC装备企业活下来真不容易！”
研发投入的差距，是不对称竞争的重要表现形式。IC产业素有“碎钞机”之称，是当前信息产品制造业中投资最大的产业。就设备行业而言，从投入到产出至少需要5年，研发阶段所需的资金投入如无底洞，且投资回报风险很大。一台设备的研发投入往往需要几十上百台的出售的收益才能覆盖，一旦产品研发失败或没能进入产线，巨额的研发投入只能打水漂。半导体设备开发周期长，国外龙头厂商有相当体量的营收支撑后续的研发，美国应用材料每年的研发投入高达7-8亿美元，这样的大手笔，对于国内处于研发阶段、尚无出售的收益，短期内难以获得一定成果的装备企业而言，令人既艳羡又焦虑。
国内IC装备企业对资金的需求之大不言而喻。2017年7月，上海集成电路装备材料基金签约仪式在上海临港举行。由此，由100亿元设计业并购基金、100亿元装备材料业基金、300亿元制造业基金共同组成的上海500亿元集成电路产业基金完成组建。
在国家02专项的支持下，中国的IC装备企业带着使命从零开始，艰难前行。赛道重点是光刻机这类制造业中最尖端的技术，“沿途下蛋”、在生存与使命之间寻找一个支点也好，死磕硬碰、一开始瞄准最尖端的市场也好，无论螺旋前进还是一往无前，没有人是轻而易举的。
在这条路上，理想与现实交融，情怀与机遇并存，掌声与质疑同行。在这里，他们都是英雄。
浴血奋战十年，国内的关键装备产品终于实现重大突破，实现了从无到有，建立了中国IC装备技术体系和产业体系。北京中电科电子装备目前是国内唯一一家集研发、制造、服务于一体的离子注入机供应商，自主研发的200mmCMP商用机也完成内部测试，正在进行上线验证。
上海微电子装备的90纳米“沉浸式光刻机”2017年10月通过国家专项现场验收测试，实现国产高端光刻机零的突破；先进封装光刻机已出货40余台，占国内先进封装光刻机的80%市场占有率。中微半导体MOCVD设备进入大规模产业化，2017年实现销售订单200台，设备发货106台，占据国内市场60%的份额，位居全球第一；其7纳米的介质刻蚀设备进入台积电全球五大供应商之一。盛美半导体自主开发的12英寸单晶圆片清理洗涤设施在多个客户端45-22纳米技术的产线上大规模应用……
但不可否认的是，国内IC装备产业取得的只是“点”上的突破，还面临成套性较差、稳定性不一、高端设备缺位等众多难题。“解决了有无的问题，下一阶段要解决做大做强的问题。”在叶甜春看来，中国IC装备产业正在寻找一条新的出路。
集成电路进口替代迫在眉睫，2018年国内有望迎来装机大战，占集成电路制造投资比例最高的生产设备的“炼金术”也将更受瞩目。中国电子专用设备工业协会副秘书长金存忠认为，在新建集成电路生产线年国产集成电路设备销售的年均增长率将超过15%。到2020年销售额将达到50亿元左右。
“未来，我们大家都希望培育若干具有国际竞争力的有突出贡献的公司。”王曦说，下一步打算依托落户临港的装备产业基金，按照“基金+基地”的模式，整合一批小而散的国内装备材料企业，抓住下游厂商增线扩产的有利契机，围绕国内薄弱环节和关键领域，在关键细致划分领域培育若干具有全球影响力的装备材料企业，带动我国集成电路产业链的整体跃升。
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