中国制造真相，太震撼了（一）-经管之家官网！

扫码加入经济学习群

只有这个办法可以解决，就是国家的战略推动和宏观推动，和企业的自立自强要结合。

在本文中尹志尧博士讲解的内容还涉及半导体微观加工设备、数码产业格局、中国制造业升级战略等许多方面。这篇文章特别长，但你一定要看完。
1

我下面解释一下，我们做半导体芯片设备也好，还有其他泛半导体微观加工设备也好，在这个整个产业链处在一个什么位置，解释一下。

我们做的是大型真空的微观加工设备，它是做半导体芯片或其他微观器件加工的。就是现在大家看到的集成电路，大面积显示屏，太阳能电池，发光二极管，各种传感器啊等等。

最近大家讨论很热的叫VR、AR对吧？将来大家戴的那个眼镜里面有一个很小的屏幕，叫Micro ID，这都是属于微观器件的。

我们做的设备就是加工这些微观器件的。

打个比方吧，做机械加工的五轴联动的加工中心都见过吧，你要去机械加工厂一个大型的生产线上，可能上百台的机器，最早就是车床、铣床、刨床、钻床、磨床，后来呢，就把它都综合到一起，做在一个机床上，叫五轴联动加工中心，或六轴联动加工中心。它可以加工出各种各样的机器零件，看的见，摸的着。
和宏观加工的这个核心的设备一样，我们做的是微观加工的核心设备，用我们的设备可以做出各种各样看不见，摸不着，有奇妙形状的微小的器件。这些东西就构成了数码世界的最基本的器件和原件。

2

我讲宏观加工和微观加工的关系，一般比较喜欢从这里开始讲，这个话讲得长了哦！
其实人类社会的发展大概有将近300万年的历史，短的说也有200万年历史，就是从猿人开始的。
大概在两三百万年很长的时间内，人的生产方式是 “狩猎和采摘”，对吧？就是哪里有果子，就到哪里采摘，哪里有动物，就到哪里去打猎，但是后来到了2万多年以前就开始有村落住下来了，就变成 “农耕和畜牧”了。
为什么会产生这个变化吗？为什么人类采摘、狩猎了200万年，突然变成住下来？
其实有两个原因，一个原因是人这个智能动物发展，把果子采得越来越少，动物都打得越来越少？人却越来越多，所以有这个客观的需要。从能力上来讲呢，比如人们打的动物多了，当时吃不了，就放一些地方圈起来了，就发现小东西生出来了，人们就观察到这种现象，公母的在一块生小的，那我们就养着吧，我们就不要出去打，对吧？这是人类能力的发展。
从需求来讲，就是外面动物越来越少，可被采摘的果子也越来越少，原来到哪去摘果子吃了，拿来就可以吃。但是吃得差不多了以后，需要的不够了，再一个呢就是采摘能力多了，比如一些吃不完了就放着，因为掉地上长出芽来了，发现这可以种，自然而然的，这个几万年的演变就变成了大家知道可以种植了，也可以畜牧了！而且要盖了房子，有了屋的话，也不用一天到晚风餐露宿了。所以人类就走到第二个阶段，生产方式就变成了农业和畜牧，对不对？这个时间大概就是两万年。
那后来到了500到600年前，由于人们智力的发展和分工的原因，就慢慢形成一个新的工业革命。这个工业革命的本质，你们想是什么？传统工业从英国开始，采用机器。对，就是做一个机器代替人手。原来都是手工的，后来就发明了机器，用机器加工来代替人，这个就形成了一个宏观加工为核心的传统工业。
这个工业持续了500多年，这个革命有三个基本的组成：宏观材料（钢铁，水泥，塑料，纤维等等），宏观加工的母机(车床，铣床，钻床，磨床等等) 和驱动机器的能源（蒸汽机，内燃机，发电机，电动机等等）。
这个革命彻底的改变了人类生活和生产的方式。到了1940年到1950年，又开始了第二代的工业革命。
这个革命是从硅谷开始发展起来的。这个工业革命的本质是什么？如果说前一个工业革命是做个机器代替人手，那么这个革命实际上是造个电脑代替人脑。
作为电脑基础的半导体的集成电路是一种微小的器件，它需要输入电信号，而输出的也是电信号，或者是数码信号变成模拟信号，模拟信号变数码信号等等。但是后来呢，远远不止这些了。

3

微观器件扩展到为了人的各种感官的需要而产生。
输入电信号变成光信号这是发光二极管，输入光信号变成电信号是太阳能电池，输入声信号变成电信号是微麦克风，输入电信号变成声信号是微扬声器，对吧？所以我们现在讲的这个第二代工业革命，就做各种看不见摸不着的微观器件，它有非常奇妙的功能，它不但可以代替人脑，可以代替人身上各种感官，像触觉，味觉，听觉，对不对？
比如无人驾驶的汽车全靠这些叫做MEMS的微观器件。这个做集成电路及微器件来代替人的大脑，或者代替人的所有感官，这就形成了第二代工业革命，这个工业革命的核心是什么？微观加工。
前一代工业革命是宏观加工，有了材料，有工作母机，有了动力，就可以做出轮船，飞机，大炮，世界最长的桥，最高的楼，最快的高铁等等，这都属于第一代工业革命的范畴。第二代工业革命也需要微观材料，微观加工母机和新能源包括节能减排。这三个方面都需要设备支撑。
这个工业的革命催生了一个全新的数码产业，这个数码产业，最上层是网络，电商，传媒，大数据和云计算等等，这个产业有十几万亿美元的年产值；支撑这个产业的下一层是数码电子系统，小到电子玩具，手机，电脑，大到超高速计算机，全球互联的网络系统。
这个层次的年产值至少有几万亿美元。而支撑这个电子系统产业的下一层是半导体芯片设计和制造产业。
这个芯片的最近几年的年产值达到4000亿美元。而再往下看，芯片产业又是建筑在半导体设备的基础上。我国有一句俗话叫：“工欲善其事，必先利其器”。没有能加工出人头发丝几千分之一到上万分之一尺度的微观加工设备，就造不出芯片。
这个数码产业的四个层次，可以用一个倒置的三角图像来表示。
从尺度上讲，目前全世界一年做出的微观加工的新建设备，就讲纳米加工相关的设备，设备还有后端封装的和其他做太阳能设备啊等，那个市场也很大。
但是我现在讲的只是前段设备，就是做纳米加工，做芯片和传感器的，大概全世界每年采购的设备是400亿美金，它支撑了芯片制造产业，芯片制造全年的产值大概4000亿，有十倍的放大作用，然后有了4000亿的芯片，可以构成各种各样的电子系统，是几万亿的这样一个产值。
有了这个电子系统，又支撑了几十万亿的软件电商传媒大数据。马云谷歌，Google和Facebook就是这一层，而且都是上千亿的大公司。
但是不要忘记它的基础，最核心的是能够做出微观器件的微观加工设备。中国有句老话， 说 “工欲善其事必先利其器”。如果你没那个微观加工的机器那什么东西都没有，从这一点上，确实是重要的。
那我再讲下面这个故事帮助理解它的重要性。我在70年代后期在北大读研究生，北大有一个全国最先进的计算机，是2栋5层的大楼，里面全部是电子管，大概是128K容量的计算机，估计有12万多个电子管。
一个电子管几个厘米这么大，我把他叫厘米级的计算机，在美国这样的计算机在60年代就有了。
十年以后呢，到1985年，我已经在硅谷英特尔中心研究开发部做芯片了。当时我们把128K的这个容量已经做到一个指甲盖大小的芯片上。所以从一个2栋的五层大楼做到一个指甲盖，我粗算了一下，就是人类加工一个微器件的面积缩小100万倍。
后来，再经过30年到2015年，东芝首先宣布做出128G的flash memory就是闪存器U盘。那已经到纳米数量级了，这30年又把人类微观加工面积缩小了100万倍。所以这50年来我们所做的努力，人类微观器件加工的面积缩小了一万亿倍！
我们来看每人的手机，这个手机要回到四五十年前，如果变成电子管计算机，你知道会有多少栋楼那么大吗？相当于 200万栋楼！ 200万栋五层大楼里面全部充满了电子管，奇妙吧！
那手机怎么能做成那么小呢？手机里的十几个芯片，是用十大类设备联合作战把它做出来，这其中最重要的三大类：第一是光刻机，第二是等离子刻蚀机，第三是铺上材料薄膜设备，三种设备就构成了这个微观加工的最核心的东西。简单来讲，这个加工过程就像盖房子，一层一层的盖。现在盖多少层？差不多60层，要加工1000个步骤！这高楼的深孔或柱子的尺度，就我们现在说的14纳米啊、70纳米啊、7纳米等等。
大家知道人的头发丝平均直径是0.07毫米，7纳米是人头发丝的一万分之一。在这样的尺度上加工是非常困难的。其中关键就是靠光刻机和等离子体刻蚀机，两台机器精雕细刻。
我本人就是做了34年的等离子刻蚀机的开发和产业化的工作，在美国的硅谷做了20年，回国也做了14年了，就一直做等离子刻蚀机。我们还做化学薄膜设备。我们不会做光刻机，光刻机是完全不同的领域。

4

现在要做光刻机，必须用德国蔡司做的镜头或反光碗。蔡司是个百年老店，而且德国的精密加工是世界第一的。
但实际上这个光刻机不是德国人做的，它的镜头和反光碗是德国人提供的。然后荷兰的ASML做出整个的光刻机。
目前在大生产上的浸没式光刻机是用镜头来做光刻的，一个30多片镜头的镜头组价值5000万美金以上。最新的深紫外光刻机已经不用镜头了，用的是反光碗，有十几个反光碗，把一个激光打出来打在金属液滴上，通过多次聚焦变成一个平行光，来做曝光的。
这个反光碗的加工精度，有人跟我讲，是相当于德国国土的面积，这么大面积要平整到正负一毫米，在这样的精度下才能做出那样准确的反光碗。
所以这是一个非常难的技术，我们做的呢，就是次于光刻机最难做的等离子刻蚀机，就是要精雕细刻，等离子刻蚀机的复杂度是这样，恐怕有上千个刻蚀的工艺过程要开发出来，刻不同的材料，不同的形状。有的是刻存储器件，有的刻逻辑器件的，有的是刻传感器的，所有的设计都不一样，每一个设计每一种具体刻蚀应用都有它的挑战性。刻蚀机要刻出三维四维，很复杂的形状，在工艺开发上是最复杂的。
一个目前世界最先进的生产线，一个月可以生产5万片到6万片12英寸的晶圆片，然后用金刚石锯切割成几百个小片，经过封装就造出芯片了。
现代的芯片生产线全部是自动化的，而且智能化的，在同一条生产线上可以跑上百种不同的产品，不同的设计，它都是完全可以智能识别的。
这里我顺便说一下，所谓德国工业4.0提出了量体裁衣的智能化生产，其实在集成电路产业，十几年前就已经实现了。最先进的芯片生产就是量体裁衣的，全部是智能控制的。
做半导体设备需要的这个学科兵种我列了一下，有50多个学科，都牵扯到才能把这样的一个精确的微观加工的设备做起来。
它的加工精度是这样。右边那个SEM呢就是我们用我们开发的刻蚀机钻的深孔，就像个钻床钻的孔一样。这个孔并不小就是50纳米，但是他的深宽比差不多40:1，下一代要做到60:1的时候，可以想象就像头发丝一样。如果你要是机械钻床，精钻宏观加工的孔，你钻过了20:1，钻头很容易做断，钻下去，卡出来断掉。我们现在刻蚀机可以钻这么深的孔，而且比它还要深。而且要求上面的直径，如果是50纳米的话，下面直径不能小于45纳米，不能小于它的1/10，如果小于就不合格。因为这个孔干什么用的呢，一个孔，就是计算机的一个记忆单元叫bit。
这里面做一个金属导管一样的，充了电就是一，放了电就是零，就是计算机的1010，它有一个读数器，去读哪个孔是一哪个孔是零，这样就编码了。
那我这个机器一年要钻多少孔？10的18次方。100万万亿个孔，每个孔都要钻到准确度是人头发丝大概1/5000到1万分之一。现在我们前沿做到7纳米什么概念？人的头发是平均是0.07毫米，你可以在网上查是0.06到0.09毫米，之间有的粗有的细，平均0.07毫米。所以7纳米的概念是人头发丝1万分之一，我们就等于在人头发丝1万分之一这样的基础上加工，它的加工精度和重复要做到10万分之一。
而且你要雕刻出100万万亿个孔，每个孔都要精确到头发丝的10万分之一。可以想象米粒刻字，你知道水平最高的工匠在一个米粒上面能刻多少字，我看过，最多是250多个，现在我可以在米粒那么大的面积，可以刻1亿个中文字，甚至可能会刻到10亿个中文字。如果你用超高的电子显微镜看，真的看到就是中文字，很漂亮的。
这是20年前芯片一种比较简单的结构，现在比较复杂了，但是就拿这个例子，你可以看到黄的那个都是铜，下面很多柱子，灰色是钨，下面有粉色的，下面还有灰色的，都是下面的结构。
我们先讲一下这个东西怎么做出来。这里一个桥，那里像城市街道，还有像高速公路，这些怎么做的？刚才我们说了，在硅底物上先铺一层薄膜，然后上面甩一层光组，光组是什么东西？是一种聚合物，见了光它就分解，然后光刻机就是曝光，上面就做一个圆孔的模板，然后用光刻机这个光线照过去，把它缩小到4:1到5:1，就这个孔可以缩小，然后在底物上曝光后那部分光敏的光刻胶就分解了。你洗掉了就出来一个圆洞。然后呢用我们的等离子刻蚀，是一种等离子体，它有化学活性，可以加不同的气体，不同的活性，不同的材料有选择性，这样刻下去以后，薄膜就出来一个圆洞，然后下一步用强力的除胶机把没有曝光的光刻胶也除掉，这样就等于在我铺的薄膜上出了一个洞，然后我上面放一个铜板，一次攻击一个铜板，把铜的原子轰击到表面层，很薄的一层，就几层原子。把这个硅片上都是铜膜的，放在电解槽里面，通上负电去镀铜，铜就堆积起来，多镀一点就满出来了，从那孔出来，就平了这一层。然后化学机械抛光，磨床一样磨掉，这里就出了一个铜柱。
如果你相邻的两个铜柱做好了，下一层怎么做呢？我再铺一层薄膜，上面我再重复这个过程，重复过程的时候呢，这就不是一个圆孔，是架在圆孔上的一个沟，下一层的光胶去掉就是一个沟槽，然后把这个沟槽再刻下去，刻到第二次铺上的材料里，然后再经过镀铜和磨光，上面出了一个铜的棒，就是一条线一样。它正好架在刚才你做的两个柱，这就是第二层做好了。你可以知道平均每一层大概15个步骤。那你要做60层，60×15，接近一千次。就是这个芯片，像手机里的芯片，都要经过一千次的加工。
所以基层线路要把很多很多步骤给它集成起来，是大家集合的努力。
今天要特别总结到一个问题上，不要强调个人的作用，现在我们的宣传老是突出个人的作用，是很不好的做法。其实这个事不是一个人能做出来的，是整个集体，而且是全世界所有的精英一起来努力，经过50年才把它做出来。
如果哪个国家想把它据为己有是不切实际的，也是做不到的。美国在这个芯片技术的开发上，确实起了领先的作用，但是后来30年来，这个技术和产业一直向亚洲移动，现在75%以上的芯片生产线都在亚洲，发明创造也好，生产规模也好，多数都在亚洲。
就是在美国建一条芯片生产线，也要大量购买其他国家的设备和材料，也不是一个国家可以独立搞起来的。
我们中国也不要关起门自己干，只靠独立自主，自力更生是不可能发展集成电路产业的。集成线路是一个全世界的集合的努力，是大家的财富。
我在应用材料公司做了14年，这个公司在美国硅谷有66个国家的精英通力合作，开发了一个又一个复杂的设备。
刚才说没有光刻机就没有等离子体刻蚀机的微观加工，那么肯定光刻是最重要的。
但是最近从14纳米以下的情况有新的变化。就是光刻机曝光的时候，出来的不是一个很直的深孔或深沟，而是变成弯弯曲曲的形状，是和光的波长有关系。
现在我们做的尺度和波长几乎是同样数量级的，光刻出来会是弯弯曲曲的，因为有个驻波效应，一个光波打到表面反射，如果在某种特定情况下，他互相衍射形成波纹，然后你刻出来的就不对，就不是这个直筒了，就没法用。
实际上，大量生产的光刻机，只能刻出40纳米的线条。最新的光刻机叫深紫外的光刻机，EUV，就是ASML开发了新的，现在没有完全大量生产，正在进入生产。
目前最好也做到20纳米。那我为什么说14纳米是怎么回事呢？其实靠等离子刻蚀机和薄膜的组合拳把它做出来，不是靠光刻做的。如果通过光刻机刻出一个40纳米的模板，然后按这个模板刻下去，刻出一个墙，你理解它是一个重剖面。
这个墙是氧化硅的材料，是40纳米，这是通过光刻翻版出来，然后呢我在上面铺一层氮化硅薄膜，铺的时间控制好，这个侧面的墙是20纳米，这样的话呢，第二次用等离子刻蚀机刻，有方向性地把上面的盖去掉，把底部去掉，就出来两个叫边墙。这边墙的厚度就是20纳米，这是刻的氮化物。刻氮化物需要用选择性的气体刻。
然后刻完以后第三次刻呢，我们换一些气体专门刻氧化物，把氧化物刻掉，这个墙就留下来了。所以一个40纳米的微观结构就翻成两个20纳米的结构了，这个叫二重模版。
还有进一步的四层模板技术，在20纳米的氮化物墙上，再铺一个10纳米的氧化物的膜，我第四次刻的时候把上头盖去掉，底去掉以后，就出了四个边墙。 然后再用不同的化学气体，把中间的核刻掉，就变成了四个10纳米的边墙。20纳米以下是这样做出来。这里就没有光刻的事，就是等离子与薄膜组合拳，把它翻版就越翻越小。
所以目前来讲呢，这个14纳米以后，你可以看到刻蚀机和薄膜的市场涨得非常快，因为本来是1:1:1的步骤，现在变成1:3:5了。一次光靠大概三次薄膜，要五次等离子刻蚀。所以等离子体刻蚀机的市场增长最快，接下来薄膜设备增长的也很快。
现在因为光阻越做越薄越小，它的准确度差了。所以在光刻胶的基础上，底下做成双层模板或者三层模板，那种比较复杂的叫模板的技术。这样的话呢，又增加了好多次的刻蚀，先要把模板刻好，才能刻下面的东西，所以等离子刻蚀机越来越多，等离子刻蚀机的步骤从14纳米到5纳米增加了三倍。
但是光刻虽然步骤有限，但每台机器越来越贵。现在一台光刻机，卖到两亿美元了，就是那EUV最贵的，我们的机器大概卖到400万美金一台。

「经管之家」APP：经管人学习、答疑、交友，就上经管之家！
免流量费下载资料----在经管之家app可以下载论坛上的所有资源，并且不额外收取下载高峰期的论坛币。
涵盖所有经管领域的优秀内容----覆盖经济、管理、金融投资、计量统计、数据分析、国贸、财会等专业的学习宝库，各类资料应有尽有。
来自五湖四海的经管达人----已经有上千万的经管人来到这里，你可以找到任何学科方向、有共同话题的朋友。
经管之家（原人大经济论坛），跨越高校的围墙，带你走进经管知识的新世界。
扫描下方二维码下载并注册APP