日本半导体的秘密武器:迷你晶圆厂

日期:2023-09-21 17:17:54 作者:kunshan 浏览量:48

一直以来,业界普遍认为,由于日本企业经营不善、日本政府政策不力等因素的影响,日本半导体企业远落后于以韩国为代表的半导体企业。


但是,上述论点是事实吗?


回顾历史,日本半导体的确存在过称霸全球的时代。在自今37年前的1986年,当时的全球半导体销售额排名TOP3如下,NEC、日立制作所、东芝。而且,富士通、松下电子工业、三菱电机等企业也表现极佳,可以说当时的日本企业市绝对的全球第一。


但是,后来发生了一些“令人不愉快的事情”,如,1945年二战后,曾创造出零站战斗机的日本航空产业被迫解体,美国甚至主导了“摧毁日本汽车”的活动,并压迫曾经一度辉煌的日本工业技术(产业)。连续多年,美国“巨人”持续威胁日本。


当时的日本的确在安全方面对美国造成了威胁。理由如下,由于半导体对于生产武器(如导弹等)极其重要,如果半导体皆由日本生产,对美国而已的确存在“安全保障”方面的威胁。


1971年的全球半导体销售额排名如下,TOP1为TI(德州仪器)、TOP2为摩托罗拉、TOP3为仙童半导体,以上均为美国企业。由于日本仅靠短短的15年就超过了美国,因此“日本威胁论”开始泛滥。


虽然面临着美国的管控,1989年全球半导体销售额排名中,TOP3依然被NEC、东芝、日立制作所霸占。由于日本企业没有被“打败”,所以在1991年,日美之间又缔结了《第二次半导体协议》。


即便是再强的日本企业,也无法抵抗美国势力的二次打压,终于在1992年将全球半导体销售额TOP1的“宝座”让给了美国英特尔。


相反,没有受到美国压力威胁的韩国半导体产业获得了飞速发展。据报道,1998年,韩国、日本半导体的年度销售额几乎持平。即,如美国所愿,日本的半导体产业被打败了!


但是,日本并没有因为美国的打压而一蹶不振。


   


享誉全球的材料、设备




二战后,美国顾忌日本的零战战斗机,并执意摧毁,但日本的航空产业并没有完全被打败。本田喷气飞机(Honda Jet)、三菱Space Jet(MRJ)侥幸存留下来。全球大型客机市场上,美国波音和欧洲的Air Bus占有压倒式优势。军事应用方面没有日本企业的身影。


但是,上述客机却搭载了诸多日本厂家的零部件。另外,除飞机以外,日本企业对其他制造业(如汽车行业)的贡献也不可小觑。日本把原应集中在航空领域的资源转移到了以汽车行业为代表的其他诸多领域,并获得了极大的成功。


在半导体行业,日本企业采取的依然是“背后支援”政策,即避开“耀眼”的完成品市场,专注于设备、材料等“背后市场”。


众所周知,在硅晶圆领域,也是半导体的基础领域,日本的信越化学工业和SUMCO 位居业界前两位,坐拥50%以上的市场份额。此外,如诸位在新闻中看到的一样,美国管控对华出口尖端半导体生产设备,而且,同时要求荷兰和日本与美国保持同步。目前,尖端半导体生产设备被日本、美国、荷兰三国霸占。另外,在全球TOP10的厂家中,日本企业占四家。


“生产设备=操作机械”、“零部件&材料”是生产半导体设备的必须项。


据2022年11月28日版的《全球作业设备厂家排名TOP10》介绍,在全球工业设备TOP10中,日本企业占五家。中国、韩国厂家也入围TOP10,但在高精度设备方面,几乎没有厂家可以与日本企业抗衡。


另外,在某些细分领域,日本企业的表现也极佳。


例如,日本企业在光刻胶(Photo Resist)、光掩膜版(Mask Blanks)、光掩膜版检测设备领域的市占率几乎达到100%。另外,在光掩模、掩模版贴膜(Pellicle)、光掩模检测设备、EUVL方向硅晶圆等方面,日本企业也具有极强的优势。


此外,当年日本禁止对韩出口“氟聚酰亚胺”、“光刻胶”和“高纯度氟化氢”三种半导体材料,几乎震撼了整个韩国的半导体产业。


虽然韩国曾一度提倡国产化,但至今已经过去四年,韩国仍然不能生产出纯度为99.9999999999%(12个9)的产品。正如路透社于今年3月16日发布《日本解除对韩出口半导体材料的限制,韩国撤销向WTO提出的控诉》的一样,日本政府“卖了一个情面”。


BS WORLD在2020年1月10日发布文章《液体氟化氢~日本政府时隔半年允许出口》,并指出日本的森田化学、STELLACHEMIFA CORPORATION等公司的高纯度液体氟化氢市占率达80%一90%。


2019年7月3日,路透社披露文章《日本限制对韩出口的材料及其重要性》,文章指出,日本生产了约全球90%的氟化聚酰亚胺、70%的蚀刻气体、90%的光刻胶。


不过,日本的优势材料不仅上述三种。据日本《电子Device产业新闻》7月7日文章《终于迎来了半导体材料登场的时代》指出,日本企业提供了全球过半的半导体材料。



“迷你晶圆厂”,助日本重回巅峰?



虽然日本正在打造2nm的晶圆厂,并和台积电合资在日本建厂,但在很多人看来,这并不是一个很行之有效的方式。对于日本的半导体行业而言,可通过充分发挥设备、材料优势,发展完成品(半导体)产业。而可担此巨任的力量,就来自“迷你晶圆厂”。


业界普遍认为,半导体生产需要巨额投资。一方面,台湾集成电路公司(TSMC)等企业的半导体代工业务(Foundry)在业内发展的如火如荼;另一方面,长期以来不断增长的需求导致半导体交货期愈来愈长。为解决半导体行业的交期长、对应速度慢的课题,日本产业技术综合研究所(产总研)自2008年就开始研发“迷你晶圆厂”。“迷你晶圆厂”具有可进行少量、多品种生产的特色,为半导体生产行业带来了新趋势。


一直以来“迷你晶圆厂”仅用于生产试做品,为了尽快应用于量产,2022年12月日本产总研的研发人员成立了“Hundred Semiconductors公司(总部位于日本千叶县柏市)”。公司名称即包含了“可为客户提供多种半导体”的含义。其代表董事居村史人先生表示:“我们计划创造一个可供所有人设计、生产半导体的世界”。


“迷你晶圆厂”的优势在于可生产任意数量的半导体,哪怕是一颗。与一直以来的大批量生产不同,其优势在于少量、多品种生产。


“迷你晶圆厂”不使用传统的大尺寸晶圆,而是在直径为12.5cm的“Half Inch Wafer”上制作线路。生产设备的尺寸为30cm(宽)*144cm(高)*45cm(深),且可利用该设备进行曝光等诸多制程,同时也可以与“Mega Fab(巨型晶圆厂)”的设备并用。由于各道工序中使用的设备的尺寸基本类似,所以可利用机器人在各设备之间搬运晶圆。


此外,“迷你晶圆厂”内还配有可密封“Half Inch Wafer”的“迷你穿梭机(Minimal Shuttle)”,因此不需要洁净室(Clean Room)。虽然很难适用于超尖端半导体的生产,但生产传感器、微机电系统(MEMS)等产品是绰绰有余的。


“迷你晶圆厂”的优势之一是可削减设备投资。一般,巨型晶圆厂需要投资数千亿日元(甚至更高)的设备投资。另一方面,“迷你晶圆厂”的投资目标为其的1/100一1/1000。由于各类设备的尺寸都较小,因此既不需要大规模的工厂用地,也不需要用于形成线路的“光掩模”,所以与巨型晶圆厂相比,成本差异是天壤之别。


此外,“迷你晶圆厂”的交货周期也极短。对大规模半导体生产而言,从生产到交货的时间极长;“迷你晶圆厂”采取的是在必要的时间内、生产必要的量的“Just In Time”模式。


上述特征最有望在IoT(物联网)等方向的少量、多品种半导体的生产中发挥作用。居村代表董事表示:“由于客户订单量少,因此我们可以对应Foundry无法对应的小额订单”。


产总研自2008年启动项目后,一直在研发生产设备和“Half Inch Wafer”等。同时,为尽快推广“迷你晶圆厂”,2017年产总研成立“迷你晶圆厂推进机构(位于日本茨城县筑波市)”,但进行速度较缓,理由是没有找到使用“迷你晶圆厂”生产半导体的“玩家”,居村代表董事明确表示:“我们很早就将生产设备和“Half Inch Wafer”实现了商用,但是没有寻找到可以熟练使用迷你晶圆厂的人才和企业。”


为进一步推广“迷你晶圆厂”,“Hundred Semiconductors公司”将目光集中于半导体的试作品以及大型晶圆厂无法安排的订单。“迷你晶圆厂”正在通过一步步解决课题,如进行复杂的经营决策(如准确预测客户需求、判断投资可行性等),从试做迈向量产。通过接收巨型晶圆厂无法吸收的订单,进一步实现推广。


如今,“Hundred Semiconductors公司”正在积极推进半导体的设计、试做、量产活动。通过和客户共享经验,以实现普及生产技术的目标,同时,还会继续提升改良试作品的速度,以尽快向量产品迈进。


此外,产总研也在推进研发可用于“迷你晶圆厂”的设计软件。其目标是在一年内研发出用于互补金属氧化物半导体(CMOS)方向的PDK(Process Design Kit)。同时,为了更易于使用,还考虑将基本的线路设计标准化,并率先应用于研发方向。未来,将由产总研的临海副都心中心(日本东京都江东区)、筑波中心(日本茨城县筑波市)进行试作品生产。


此外,产总研还在挖掘新应用。如,考虑到消耗的电力问题,产总研在讨论填补集成电路(FPGA,可进行编程)无法满足的需求,目标是提供和普及更多上述设计、制程研发服务。产总研方面表示:“我们可灵活对应、满足客制化需求”。


如今,产总研已经完成了对前端工序(形成线路)、键合(Bonding)等工艺的研发。未来五年的目标是将封装基板集成于“Half Inch Wafer”上。以更小的面积封装半导体、削功耗,同时发掘更多应用场景。


为进一步推广“迷你晶圆厂”,产总研的目标是在未来五年后,扩大“Half Inch Wafer”的生产量,实现年产5万片。未来,不仅要有自己的生产据点,还要自行进行生产。居村代表董事指出:“对参与了推进机构的企业而言,迷你晶圆厂不过是他们的一个选择项,我们会充分发挥带头人的作用,推广此类生产模式”。


半导体行业的主基调一直是“大量生产、大量消费”,但“迷你晶圆厂”可以在必要的时候,为客户提供需求的数量。但另一方面,也面临着需要深挖客户群、培养具有多重需求的客户群的课题。同时,产总研也在努力研发技术,以为众多客户提供半导体的生产、设计服务。


参考链接

https://news.yahoo.co.jp/articles/5553257dc256e524e8e8016af5f24157832121e8


https://newswitch.jp/p/36866

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