日本半導(dǎo)體材料的神話與現(xiàn)實

 　　2021年6月，日本眾議院召開了一場主題為“復(fù)興日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)”的研討會，時值在疫情中遭遇重創(chuàng)的鎧俠半導(dǎo)體(即東芝存儲芯片部門)四處尋找接盤俠，日本存儲芯片最后的火種奄奄一息，日本官方邀請了五位專家學(xué)者暢所欲言，為產(chǎn)業(yè)復(fù)興出謀劃策，壓軸發(fā)言的是一個名叫湯之上隆的人。

　　湯之上隆曾任職于日立、爾必達的一線研發(fā)部門，親歷了日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從輝煌走向沒落的整個過程。2015年，他將自己的經(jīng)歷與思考寫進了《失去的制造業(yè)》一書，拋開其中對老東家和老領(lǐng)導(dǎo)的冷嘲熱諷，《失去的制造業(yè)》堪稱研究日本芯片產(chǎn)業(yè)的必讀書目。

　　相比日本官方高舉復(fù)興大旗，湯之上隆在研討會上建議大家以最快的速度躺平，讓在場議員們大跌眼鏡：“失去的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已無法挽回，繼續(xù)投入就是浪費納稅人的錢。”

　　他認為，由于日本的半導(dǎo)體公司一直難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)變化，早已錯失歷史機遇;如今與其瞎折騰，不如守護好最后一點家底：位于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈最上游的設(shè)備與材料[1]。

　　一塊芯片封裝前，會經(jīng)歷薄膜沉淀、光刻、蝕刻、清洗等多項工藝，每一步都需要特定的加工設(shè)備與原材料。過去數(shù)十年，日本企業(yè)一直是部分半導(dǎo)體設(shè)備的主要提供商。

　　而日本公司對半導(dǎo)體材料近乎壟斷的地位更是威名在外：前段工序常用的材料有19種，其中14種都由日本企業(yè)主導(dǎo)。

　　2019年7月，隨著日韓矛盾加劇，日本政府對韓國企業(yè)發(fā)起制裁，限制半導(dǎo)體核心材料的出口。鐵錘剛砸下三天，三星掌門李在镕如坐針氈，專程趕赴日本懇求松口。

　　后來眾議員的研討會結(jié)束不久，湯之上隆就寫了篇文章，標題叫“日本半導(dǎo)體設(shè)備和材料為何那么強?”，自豪之情溢于言表[2]。

　　極其夸張的市場份額

　　結(jié)果文章發(fā)出去沒多久，日本就吃了一場敗仗。2021年，韓國的SEMES強勢崛起，超越日本企業(yè)SCREEN成為全球第六大半導(dǎo)體設(shè)備公司，其母公司正是在材料上被卡的翻白眼的三星。同一時期，三星一口氣投資了十幾家材料公司，希望在材料環(huán)節(jié)繞開日本。

　　另一個有趣的現(xiàn)象是，相比輿論對日本半導(dǎo)體材料壟斷地位的艷羨，以及日本在化學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域長期耕耘的贊譽，日本產(chǎn)業(yè)界卻對這一成就評價復(fù)雜：

　　湯之上隆一邊高度認可材料環(huán)節(jié)的強勢地位，但一邊稱日本對韓國的斷供“極其愚蠢”。另一位學(xué)者西村吉雄則在《日本電子產(chǎn)業(yè)興衰錄》中說，日本芯片產(chǎn)業(yè)衰落的原因之一，就是做了太多基礎(chǔ)研究，反而忽視了應(yīng)用和模式層面的創(chuàng)新。

　　日本的半導(dǎo)體材料常常是一個被輿論神化的產(chǎn)業(yè)，它實際上并不復(fù)雜，但也沒有那么簡單。

　　卡脖子

　　對韓國芯片公司而言，日本的貿(mào)易制裁，其威力不亞于往京畿道工廠丟一顆炸彈。

　　被限制出口的半導(dǎo)體材料共有三種，首當(dāng)其沖的是氟化聚酰亞胺。這個念起來有些費嘴的化學(xué)物質(zhì)，是部分OLED面板的原材料。一旦掐斷供給，OLED電視等拳頭產(chǎn)品將面臨無貨可出的窘境。

　　但對三星等韓企來說，更棘手的其實是另外兩件“戰(zhàn)略核武器”。

　　*件是EUV光刻膠，打擊目標是韓國半導(dǎo)體的“未來”。

　　光刻膠是光刻工藝的關(guān)鍵材料，而光刻又是芯片制造的核心工藝。目前*進的光刻工藝是EUV(極紫外線)，用于生產(chǎn)7nm以及更先進制程的芯片。

　　過去幾年，三星一直在努力迭代自研的手機處理器Exynos，即便三星自己擁有7nm和5nm制程工藝，但也繞不開光刻膠這一環(huán)。此時，作為原材料的光刻膠遭到制裁，本就不富裕的日子變得更加雪上加霜。

　　另外，三星、SK海力士對下一代DRAM的研發(fā)也將被迫暫停。當(dāng)前，市場上的DRAM產(chǎn)品仍在努力逼近10nm制程，尚且用不上EUV光刻這樣的先進技術(shù);但未來DRAM的制程大概率會提升至5nm，這便踏進了EUV光刻的領(lǐng)域。

　　相比之下，第二把利器殺傷力更甚。這款名叫高純度氟化氫的材料，足以扼住韓國半導(dǎo)體的“現(xiàn)在”。

　　氟化氫是一種清洗用的化學(xué)材料。清洗工藝能夠去除芯片生產(chǎn)所帶來的雜質(zhì)，是影響芯片品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生產(chǎn)一款芯片大概需要500至1000個步驟，其中大約10%的步驟都得用到氟化氫進行清洗，堪稱是半導(dǎo)體的“血液”。

　　一旦氟化氫庫存告急，邏輯半導(dǎo)體(如CPU)、DRAM等主流半導(dǎo)體芯片均無法生產(chǎn)，能否開展日常業(yè)務(wù)都將打上一個問號[7]。

　　面對日本的咄咄逼人，危機感爆棚的韓國人使出了渾身解數(shù)，先是跑去WTO伸冤打官司，與此同時，政府牽頭大搞國產(chǎn)替代，一口氣投入了6萬億韓元的預(yù)算，三星也跟著投資了一批韓國本土的半導(dǎo)體材料企業(yè)。

　　在“打倒日本帝國主義”的號召下，同仇敵愾的韓國企業(yè)成功研發(fā)出了國產(chǎn)版本的高純度氟化氫和EUV光刻膠。文在寅卸任前的新年致辭中，曾重點提及了上述成就。

　　然而，故事的走向卻沒有發(fā)生太多逆轉(zhuǎn)：直到如今，日本依舊高度壟斷著高純度氟化氫和EUV光刻膠。

　　其地位之所以屹立不倒，和上述半導(dǎo)體材料的一大特質(zhì)有關(guān)：日本壟斷的材料，多是不能即插即用的非標準化產(chǎn)品。

　　其中氟化氫尤為典型——清洗并不是一項標準化的工藝，每個制造商都有各自的理解和流程。因此，關(guān)于氟化氫的使用，實際上有稀釋、與氯化氫混合、與過氧化氫混合等多種完全不同的方案。而每種方案對氟化氫產(chǎn)品的要求又不太一樣，均需要專門定制。

　　另一方面，大多數(shù)產(chǎn)品的理論原理和工藝技術(shù)都是公開的，但選材與配比的數(shù)值，甚至生產(chǎn)車間合適的溫度和濕度，都需要漫長的實驗才能得到*結(jié)果。材料的非標特質(zhì)，會帶來兩方面影響：

　　（1）企業(yè)難以輕易更換解決方案以及相關(guān)供應(yīng)商，一旦合作就是長期綁定。

　　在這方面，日本自己就吃過虧。1999年，日立和NEC兩家龍頭企業(yè)合資成立了存儲企業(yè)爾必達，準備向領(lǐng)跑的三星發(fā)起進攻。但在公司成立的頭兩年，卻爆發(fā)了嚴重的生產(chǎn)問題，市場份額也迅速下跌，而“罪魁禍首”之一正是日立和NEC的清洗方案不兼容。

　　因此，哪怕韓國企業(yè)自研出了高純度氟化氫，依舊不能立刻擺脫日企的壟斷，最快也需要至少1年時間做測試;而EUV光刻膠的更換周期則更久，通常需要測試2-3年才能搬上產(chǎn)線。

　　“有國產(chǎn)材料”和“用國產(chǎn)材料”，實際上是兩件事。

　　（2）非標材料的制造工藝多且繁雜，甚至存在部分只可意會不可言傳的隱性知識，需要企業(yè)有長期相關(guān)的積累。在這方面，向來以“匠人精神”自居、發(fā)力較早的日本同樣有先天優(yōu)勢。

　　正如湯之上隆在書中寫道：日本半導(dǎo)體材料的競爭力核心，正是日本獨特的匠人文化。

　　不可否認，這種“一生做好一件事”的匠人文化，確實在氟化氫這類具備延續(xù)性的領(lǐng)域頗有成效。氟化氫技術(shù)的迭代，本質(zhì)是不斷提升純度，將小數(shù)點后面的9越做越多的過程，主打一個精益求精。

　　韓國雖實現(xiàn)了氟化氫的國產(chǎn)化，但其純度只有99.99999999%(小數(shù)點后8個9)，日本企業(yè)卻能做到小數(shù)點后10個9�？瓷先ハ嗖顭o幾，但如果乘上幾十上百道工序，最終結(jié)果會千差萬別。

　　但問題是，難道隔了個日本海，匠人文化就失傳了嗎?日本半導(dǎo)體材料的強勢，顯然不能只用文化來解釋。

　　日本式的勝利

　　和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)很多環(huán)節(jié)一樣，光刻膠誕生于美國，柯達、IBM曾是該市場的領(lǐng)跑者，但最終被日本產(chǎn)業(yè)化。

　　從上世紀80年代開始，日本光刻膠產(chǎn)業(yè)突然火力全開，最終將IBM斬于馬下。這一切的起點，始于一個至今仍被全球反復(fù)研究的項目——VLSI。

　　1976年，IBM研發(fā)新一代計算機的消息傳來，日本業(yè)界意識到1μm或更小工藝日趨臨近，深感時不我待的通產(chǎn)省集結(jié)了富士通、日立、三菱、東芝、NEC五家半導(dǎo)體公司，以及日本工業(yè)技術(shù)研究院、 電子綜合研究所和計算機綜合研究所三家機構(gòu)，開展了一個名為VSLI(超大規(guī)模集成電路)的追趕計劃。

　　VLSI*的成就是DRAM芯片的突破，直接開創(chuàng)了日本半導(dǎo)體的黃金年代。但實際上，VLSI項目共設(shè)有六個實驗室，除了三個搞產(chǎn)品研發(fā)的，還有專門負責(zé)攻堅半導(dǎo)體材料、光刻工藝以及封裝測試技術(shù)的團隊。其中第四實驗室的科研成果，就是負性光刻膠。

　　當(dāng)時，隔壁的第五實驗室成功生產(chǎn)出了縮小投影型光刻裝置。由于材料和設(shè)備兩者互相強綁定，需要一同配套研發(fā)，這讓第四實驗室的光刻膠研發(fā)掃除了*的障礙。

　　VLSI*的成果，實際上是通過市場規(guī)模巨大的DRAM的突破，創(chuàng)造了一套國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈，擺脫了對美國的設(shè)備依賴。包括做材料的京瓷和住友，做光罩的TOPPAN，做封測的東京電子，和做光刻機的尼康。

　　90年代，KrF開始成為光刻膠的主流路線。此時，尼康推出了全球*實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的KrF光刻機系統(tǒng)，隔壁的光刻膠企業(yè)趁勢追趕。從2000年開始，隨著光刻膠路線開始往ArF和EUV轉(zhuǎn)向，日本又迅速和新任光刻機龍頭ASML建立了深度綁定，雙方配套研發(fā)、共同迭代。

　　由于和產(chǎn)業(yè)鏈的深度綁定，不論技術(shù)路線如何變化，日本光刻膠都有機會領(lǐng)跑[11]。

　　另一個推手則是日本產(chǎn)業(yè)界對基礎(chǔ)科研的極端重視。雖然大多數(shù)新技術(shù)都在日本產(chǎn)業(yè)化，但日本社會普遍不滿足于生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的成功，尤其是以貝爾實驗室為代表的大公司研究院模式，更是被日本反復(fù)學(xué)習(xí)效仿。

　　彼時，日本主流思潮認為：如果能在基礎(chǔ)科學(xué)上也保持*，日本將長期立于不敗之地[12]。

　　90年代后，日本經(jīng)濟陷入長期衰退，日本官方再次下場，希望通過對基礎(chǔ)研究的投入復(fù)蘇半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。1995年，日本出臺了《科學(xué)技術(shù)基本法》，并計劃此后每年往科學(xué)領(lǐng)域投入4萬億至5萬億日元。

　　2001年，日本政府提出，希望到2050年，日本能誕生30個諾貝爾獎。此后20年，日本足足有16人獲得了三大自然科學(xué)類諾貝爾獎，位居全球第三，其中6個屬于和半導(dǎo)體材料強相關(guān)的化學(xué)領(lǐng)域。

　　依靠在基礎(chǔ)科研上的長期投入，日本一直維持著半導(dǎo)體材料市場的霸主地位，并且將*蔓延到了動力電池產(chǎn)業(yè)。2019年，吉野彰獲得了諾貝爾化學(xué)獎，他的一大成就是發(fā)現(xiàn)了鋰電池負極材料，日本企業(yè)則是該領(lǐng)域的領(lǐng)跑者之一。另外，松下也是動力電池最主要的生產(chǎn)商之一。

　　但讓日本產(chǎn)業(yè)界始終難以介懷的是，與半導(dǎo)體材料的凱歌高奏相反，日本的傳統(tǒng)優(yōu)勢項目存儲、面板、芯片制造等環(huán)節(jié)，卻始終止步不前，成為了電子產(chǎn)業(yè)黃金年代中尷尬的旁觀者。

　　得到的與失去的

　　2023年3月，韓國總統(tǒng)尹錫悅出訪日本，宣告自2019年開始的日韓貿(mào)易戰(zhàn)結(jié)束。韓國不少聲音認為，尹錫悅已經(jīng)舉白旗投降——因為爭端源頭是歷史遺留問題催生的民族矛盾，但他上臺后卻對這些問題閉口不談，更主動對日本示好，無疑是“滑跪”的體現(xiàn)。

　　然而湯之上隆并不這么認為。他公開表示，制裁正在親手摧毀日本的氟化氫產(chǎn)業(yè)，堪稱“歷史性的愚策”，因為日本同樣高度依賴韓國市場。

　　事實也是如此，日本財務(wù)省統(tǒng)計的出口數(shù)據(jù)顯示，2011年之后，韓國一直是日本氟化氫的*出口國，并占據(jù)了總出口量的90%以上。由于氟化氫難以輕易替換，一旦合作便是長期綁定;但反過來說，一旦三星鐵了心要搞國產(chǎn)替代，日本氟化氫也會失去最主要的收入來源。

　　而這種影響已經(jīng)開始出現(xiàn)。2019年之前，日本氟化氫的對韓出口量大約在每月3000噸左右。此后，日本雖然解除了出口限制，但直到2023年年初，這個數(shù)字依舊只有約500噸[15]。

　　日本氟化氫對韓出口變化

　　這種“傷敵一千，自損一千二”的現(xiàn)象，反映了整個半導(dǎo)體材料行業(yè)的尷尬處境：戰(zhàn)略價值大，但戰(zhàn)術(shù)價值小。

　　材料雖是芯片生產(chǎn)的必需品，但市場規(guī)模“僅有”643億美元(2021年)，相比之下，日本人失去的存儲和面板市場，規(guī)模都高達1600億美元和1300億美元(2021年)。這還沒算上曾是日本傳統(tǒng)優(yōu)勢項目——被蘋果、高通、英偉達等公司占據(jù)的消費電子市場。

　　因此高情商的說法是，幾百億規(guī)模的半導(dǎo)體材料，足以影響下游上萬億規(guī)模的電子市場;但低情商的說法是，市場規(guī)模也就這么大。

　　這也是日本產(chǎn)業(yè)界無法釋懷的原因：相比他們失去的存儲、面板、芯片制造和消費電子市場，材料領(lǐng)域的霸權(quán)實在是太微不足道了。

　　在《日本電子產(chǎn)業(yè)興衰錄》一書中，對于日本政府和企業(yè)在科研上的大手筆投入，作者西村吉雄非但不覺得驕傲，反而認為對科研的癡迷導(dǎo)致日本半導(dǎo)體公司錯過了90年代電子產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型大潮。他提出了一個很有代表性的觀點：日本公司很擅長研究“怎么做”，卻疏于判斷“做什么”。

　　西村吉雄認為，基礎(chǔ)科學(xué)固然重要，但日本對此有些過度迷信，把“創(chuàng)新”與“技術(shù)突破”混為一談。在書中，他通過英特爾的例子來論證，其成功恰恰不是依賴于科學(xué)研究，而是打造了“技術(shù)封閉+標準開放”的生態(tài)，任何開發(fā)者都可以基于x86架構(gòu)與Windows系統(tǒng)開發(fā)軟件，最終成為了消費電子時代的霸主。

　　微處理器(CPU)等邏輯半導(dǎo)體的出現(xiàn)，其實和基礎(chǔ)科學(xué)的進步無關(guān)，更多是受到了市場需求的推動。日本對基礎(chǔ)科學(xué)的癡迷，最終導(dǎo)致它與一個千億美金的市場失之交臂。

　　后來，湯之上隆又在《失去的制造業(yè)》里補充一個生動鮮活的案例：

　　被三星打到破產(chǎn)的爾必達，其實在技術(shù)上遠遠超過三星。比如爾必達的512M DRAM的良品率可以達到98%，三星只有83%，但問題是，把成品率從80%提高到95%需要付出巨大的成本。相比三星2005年30%的利潤率，爾必達只有3%。

　　2008年，行業(yè)進入下行周期，三星故意擴產(chǎn)進一步壓低價格，爾必達虧到親媽不認。在破產(chǎn)的發(fā)布會上，CEO坂本幸雄仍然念叨著“爾必達技術(shù)世界*”。

　　湯之上隆在《失去的制造業(yè)》中總結(jié)了日本強勢產(chǎn)業(yè)的幾個特點，其中最重要的一點是：日本公司擅長在一條長坡厚雪的賽道做持續(xù)的創(chuàng)新，而不善于面對頻繁的技術(shù)變化。

　　前者的代表是燃油車、鋰電池和半導(dǎo)體材料這類“干中學(xué)、學(xué)中干”色彩強烈的產(chǎn)業(yè)，后者則是他們失去的存儲和面板。無論是市場地位、公司營收，還是創(chuàng)造的利稅、崗位與附加值，半導(dǎo)體材料都無法和后者相比擬。

　　尾聲

　　20世紀80年代，西方世界對東亞經(jīng)濟騰飛的解讀仍以新自由主義為底色，日本政府頗有微詞，豪擲120萬美元考察費，邀請世界銀行專家“客觀分析”日本模式成功的原因。1993年，世行出版了針對東亞后發(fā)經(jīng)濟體的研究報告《東亞奇跡》，扭扭捏捏的承認了“政府主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)升級”的益處。

　　報告發(fā)表一年后，美國經(jīng)濟學(xué)家保羅·克魯格曼(Paul Krugman)在《外交雜志》上潑了一盆冷水，稱日本“并非經(jīng)濟奇跡的典型”，亞洲四小虎更是紙老虎："亞洲的繁榮是高投入創(chuàng)造的數(shù)量增長，而非效率提升，建立于浮沙之上，遲早會幻滅 。"

　　80年代也是日本產(chǎn)業(yè)界自我反省的高峰期，日本人認為，自己不應(yīng)該滿足于將誕生于美國技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，而是應(yīng)該效仿美國企業(yè)設(shè)立研究院，在基礎(chǔ)科研上百尺竿頭更進一步，在下一次技術(shù)浪潮中拔得頭籌。

　　直到今天，日本企業(yè)的科研投入仍保持在全球一線梯隊：2019年，日本企業(yè)的研發(fā)投入占該年度GDP的3.51%，位居全球第三[13]。

　　陰差陽錯的是，在長久的經(jīng)濟衰退中，日本的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)被韓國、中國大陸和臺灣地區(qū)瓜分殆盡，在日本人眼里，產(chǎn)業(yè)上游的霸權(quán)地位，更像是某種體面的撤退。

　　日本在半導(dǎo)體材料上的霸權(quán)依然穩(wěn)固，但他們更加在意的是，夏普的龜山屏、東芝的Dynabook和索尼的Walkman，曾一次又一次驚艷過世界。

　　基礎(chǔ)科研與所謂“應(yīng)用創(chuàng)新”，本質(zhì)上并無高低優(yōu)劣之分，長周期高投入的科研與商業(yè)利益的平衡從來都難以取舍。但歸根結(jié)底，創(chuàng)新的目的不是為了卡誰的脖子，而是通過提高定價權(quán)獲得更高的產(chǎn)業(yè)附加值，繼而通過高收入崗位的創(chuàng)造與財富再分配，改善更多普通人的生活。

　　參考資料

　　[1]衆(zhòng)議院 2021年06月01日 科學(xué)技術(shù)特別委員會 #04 湯之上隆(參考人 微細加工研究所所長)，Youtube

　　[2]半導(dǎo)體製造裝置と材料、日本のシェアはなぜ高い?～「日本人特有の気質(zhì)」が生み出す競爭力，湯之上隆

　　[3]日本の前工程裝置のシェアはなぜ低下?～歐米韓より劣る要素とは，湯之上隆

　　[4] 國產(chǎn)半導(dǎo)體光刻膠野望，半導(dǎo)體行業(yè)觀察

　　[5] 電子化學(xué)品系列報告之一：光刻膠國產(chǎn)替代迎來良機，太平洋證券

　　[6] 光刻膠：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)核心卡脖子環(huán)節(jié)，國內(nèi)廠商蓄勢待發(fā)，浙商證券

　　[7]日韓経済戦爭の泥沼化、短期間でフッ化水素は代替できない，湯之上隆

　　[8] Dongjin Semichem localizes EUV photoresist，ET News

　　[9] 失去的制造業(yè)：日本制造業(yè)的敗北，湯之上隆

　　[10]韓國宣布國產(chǎn)高純度氟化氫成功，日本時隔半年重啟出口，快科技

　　[11] 大國產(chǎn)業(yè)鏈，中金公司研究部

　　[12] 日本電子產(chǎn)業(yè)興衰錄，西村吉雄

　　[13] 日本企業(yè)科技創(chuàng)新情況及相關(guān)案例研究，科情智庫

　　[14]日本：被罵出來的諾貝爾獎，世界靈敏度

　　[15]安倍內(nèi)閣と経産省が半導(dǎo)體材料産業(yè)の一角を破壊した…韓國への輸出規(guī)制は歴史的愚策，湯之上隆

　　[16] Chip supplier says China will struggle to develop advanced technology，F(xiàn)inancial Times