日本半導(dǎo)體的秘密武器：迷你晶圓廠

　　一直以來，業(yè)界普遍認(rèn)為，由于日本企業(yè)經(jīng)營不善、日本政府政策不力等因素的影響，日本半導(dǎo)體企業(yè)遠(yuǎn)落后于以韓國為代表的半導(dǎo)體企業(yè)。

　　但是，上述論點(diǎn)是事實(shí)嗎?

　　回顧歷史，日本半導(dǎo)體的確存在過稱霸全球的時(shí)代。在自今37年前的1986年，當(dāng)時(shí)的全球半導(dǎo)體銷售額排名TOP3如下，NEC、日立制作所、東芝。而且，富士通、松下電子工業(yè)、三菱電機(jī)等企業(yè)也表現(xiàn)*，可以說當(dāng)時(shí)的日本企業(yè)市*的全球*。

　　但是，后來發(fā)生了一些“令人不愉快的事情”，如，1945年二戰(zhàn)后，曾創(chuàng)造出零站戰(zhàn)斗機(jī)的日本航空產(chǎn)業(yè)被迫解體，美國甚至主導(dǎo)了“摧毀日本汽車”的活動(dòng)，并壓迫曾經(jīng)一度輝煌的日本工業(yè)技術(shù)(產(chǎn)業(yè))。連續(xù)多年，美國“巨人”持續(xù)威脅日本。

　　當(dāng)時(shí)的日本的確在安全方面對美國造成了威脅。理由如下，由于半導(dǎo)體對于生產(chǎn)武器(如導(dǎo)彈等)極其重要，如果半導(dǎo)體皆由日本生產(chǎn)，對美國而已的確存在“安全保障”方面的威脅。

　　1971年的全球半導(dǎo)體銷售額排名如下，TOP1為TI(德州儀器)、TOP2為摩托羅拉、TOP3為仙童半導(dǎo)體，以上均為美國企業(yè)。由于日本僅靠短短的15年就超過了美國，因此“日本威脅論”開始泛濫。

　　雖然面臨著美國的管控，1989年全球半導(dǎo)體銷售額排名中，TOP3依然被NEC、東芝、日立制作所霸占。由于日本企業(yè)沒有被“打敗”，所以在1991年，日美之間又締結(jié)了《第二次半導(dǎo)體協(xié)議》。

　　即便是再強(qiáng)的日本企業(yè)，也無法抵抗美國勢力的二次打壓，終于在1992年將全球半導(dǎo)體銷售額TOP1的“寶座”讓給了美國英特爾。

　　相反，沒有受到美國壓力威脅的韓國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)獲得了飛速發(fā)展。據(jù)報(bào)道，1998年，韓國、日本半導(dǎo)體的年度銷售額幾乎持平。即，如美國所愿，日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)被打敗了!

　　但是，日本并沒有因?yàn)槊绹�的打壓而一蹶不振�?/p>

　　享譽(yù)全球的材料、設(shè)備

　　二戰(zhàn)后，美國顧忌日本的零戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)，并執(zhí)意摧毀，但日本的航空產(chǎn)業(yè)并沒有完全被打敗。本田噴氣飛機(jī)(Honda Jet)、三菱Space Jet(MRJ)僥幸存留下來。全球大型客機(jī)市場上，美國波音和歐洲的Air Bus占有壓倒式優(yōu)勢。軍事應(yīng)用方面沒有日本企業(yè)的身影。

　　但是，上述客機(jī)卻搭載了諸多日本廠家的零部件。另外，除飛機(jī)以外，日本企業(yè)對其他制造業(yè)(如汽車行業(yè))的貢獻(xiàn)也不可小覷。日本把原應(yīng)集中在航空領(lǐng)域的資源轉(zhuǎn)移到了以汽車行業(yè)為代表的其他諸多領(lǐng)域，并獲得了極大的成功。

　　在半導(dǎo)體行業(yè)，日本企業(yè)采取的依然是“背后支援”政策，即避開“耀眼”的完成品市場，專注于設(shè)備、材料等“背后市場”。

　　眾所周知，在硅晶圓領(lǐng)域，也是半導(dǎo)體的基礎(chǔ)領(lǐng)域，日本的信越化學(xué)工業(yè)和SUMCO 位居業(yè)界前兩位，坐擁50%以上的市場份額。此外，如諸位在新聞中看到的一樣，美國管控對華出口尖端半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備，而且，同時(shí)要求荷蘭和日本與美國保持同步。目前，尖端半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備被日本、美國、荷蘭三國霸占。另外，在全球TOP10的廠家中，日本企業(yè)占四家。

　　“生產(chǎn)設(shè)備=操作機(jī)械”、“零部件&材料”是生產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備的必須項(xiàng)。

　　據(jù)2022年11月28日版的《全球作業(yè)設(shè)備廠家排名TOP10》介紹，在全球工業(yè)設(shè)備TOP10中，日本企業(yè)占五家。中國、韓國廠家也入圍TOP10，但在高精度設(shè)備方面，幾乎沒有廠家可以與日本企業(yè)抗衡。

　　另外，在某些細(xì)分領(lǐng)域，日本企業(yè)的表現(xiàn)也*。

　　例如，日本企業(yè)在光刻膠(Photo Resist)、光掩膜版(Mask Blanks)、光掩膜版檢測設(shè)備領(lǐng)域的市占率幾乎達(dá)到100%。另外，在光掩模、掩模版貼膜(Pellicle)、光掩模檢測設(shè)備、EUVL方向硅晶圓等方面，日本企業(yè)也具有極強(qiáng)的優(yōu)勢。

　　此外，當(dāng)年日本禁止對韓出口“氟聚酰亞胺”、“光刻膠”和“高純度氟化氫”三種半導(dǎo)體材料，幾乎震撼了整個(gè)韓國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

　　雖然韓國曾一度提倡國產(chǎn)化，但至今已經(jīng)過去四年，韓國仍然不能生產(chǎn)出純度為99.9999999999%(12個(gè)9)的產(chǎn)品。正如路透社于今年3月16日發(fā)布《日本解除對韓出口半導(dǎo)體材料的限制，韓國撤銷向WTO提出的控訴》的一樣，日本政府“賣了一個(gè)情面”。

　　BS WORLD在2020年1月10日發(fā)布文章《液體氟化氫~日本政府時(shí)隔半年允許出口》，并指出日本的森田化學(xué)、STELLACHEMIFA CORPORATION等公司的高純度液體氟化氫市占率達(dá)80%一90%。

　　2019年7月3日，路透社披露文章《日本限制對韓出口的材料及其重要性》，文章指出，日本生產(chǎn)了約全球90%的氟化聚酰亞胺、70%的蝕刻氣體、90%的光刻膠。

　　不過，日本的優(yōu)勢材料不僅上述三種。據(jù)日本《電子Device產(chǎn)業(yè)新聞》7月7日文章《終于迎來了半導(dǎo)體材料登場的時(shí)代》指出，日本企業(yè)提供了全球過半的半導(dǎo)體材料。

　　“迷你晶圓廠”，助日本重回*？

　　雖然日本正在打造2nm的晶圓廠，并和臺(tái)積電合資在日本建廠，但在很多人看來，這并不是一個(gè)很行之有效的方式。對于日本的半導(dǎo)體行業(yè)而言，可通過充分發(fā)揮設(shè)備、材料優(yōu)勢，發(fā)展完成品(半導(dǎo)體)產(chǎn)業(yè)。而可擔(dān)此巨任的力量，就來自“迷你晶圓廠”。

　　業(yè)界普遍認(rèn)為，半導(dǎo)體生產(chǎn)需要巨額投資。一方面，臺(tái)灣集成電路公司(TSMC)等企業(yè)的半導(dǎo)體代工業(yè)務(wù)(Foundry)在業(yè)內(nèi)發(fā)展的如火如荼;另一方面，長期以來不斷增長的需求導(dǎo)致半導(dǎo)體交貨期愈來愈長。為解決半導(dǎo)體行業(yè)的交期長、對應(yīng)速度慢的課題，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(產(chǎn)總研)自2008年就開始研發(fā)“迷你晶圓廠”。“迷你晶圓廠”具有可進(jìn)行少量、多品種生產(chǎn)的特色，為半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)帶來了新趨勢。

　　一直以來“迷你晶圓廠”僅用于生產(chǎn)試做品，為了盡快應(yīng)用于量產(chǎn)，2022年12月日本產(chǎn)總研的研發(fā)人員成立了“Hundred Semiconductors公司(總部位于日本千葉縣柏市)”。公司名稱即包含了“可為客戶提供多種半導(dǎo)體”的含義。其代表董事居村史人先生表示：“我們計(jì)劃創(chuàng)造一個(gè)可供所有人設(shè)計(jì)、生產(chǎn)半導(dǎo)體的世界”。

　　“迷你晶圓廠”的優(yōu)勢在于可生產(chǎn)任意數(shù)量的半導(dǎo)體，哪怕是一顆。與一直以來的大批量生產(chǎn)不同，其優(yōu)勢在于少量、多品種生產(chǎn)。

　　“迷你晶圓廠”不使用傳統(tǒng)的大尺寸晶圓，而是在直徑為12.5cm的“Half Inch Wafer”上制作線路。生產(chǎn)設(shè)備的尺寸為30cm(寬)*144cm(高)*45cm(深)，且可利用該設(shè)備進(jìn)行曝光等諸多制程，同時(shí)也可以與“Mega Fab(巨型晶圓廠)”的設(shè)備并用。由于各道工序中使用的設(shè)備的尺寸基本類似，所以可利用機(jī)器人在各設(shè)備之間搬運(yùn)晶圓。

　　此外，“迷你晶圓廠”內(nèi)還配有可密封“Half Inch Wafer”的“迷你穿梭機(jī)(Minimal Shuttle)”，因此不需要潔凈室(Clean Room)。雖然很難適用于超尖端半導(dǎo)體的生產(chǎn)，但生產(chǎn)傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等產(chǎn)品是綽綽有余的。

　　“迷你晶圓廠”的優(yōu)勢之一是可削減設(shè)備投資。一般，巨型晶圓廠需要投資數(shù)千億日元(甚至更高)的設(shè)備投資。另一方面，“迷你晶圓廠”的投資目標(biāo)為其的1/100一1/1000。由于各類設(shè)備的尺寸都較小，因此既不需要大規(guī)模的工廠用地，也不需要用于形成線路的“光掩模”，所以與巨型晶圓廠相比，成本差異是天壤之別。

　　此外，“迷你晶圓廠”的交貨周期也極短。對大規(guī)模半導(dǎo)體生產(chǎn)而言，從生產(chǎn)到交貨的時(shí)間極長;“迷你晶圓廠”采取的是在必要的時(shí)間內(nèi)、生產(chǎn)必要的量的“Just In Time”模式。

　　上述特征最有望在IoT(物聯(lián)網(wǎng))等方向的少量、多品種半導(dǎo)體的生產(chǎn)中發(fā)揮作用。居村代表董事表示：“由于客戶訂單量少，因此我們可以對應(yīng)Foundry無法對應(yīng)的小額訂單”。

　　產(chǎn)總研自2008年啟動(dòng)項(xiàng)目后，一直在研發(fā)生產(chǎn)設(shè)備和“Half Inch Wafer”等。同時(shí)，為盡快推廣“迷你晶圓廠”，2017年產(chǎn)總研成立“迷你晶圓廠推進(jìn)機(jī)構(gòu)(位于日本茨城縣筑波市)”，但進(jìn)行速度較緩，理由是沒有找到使用“迷你晶圓廠”生產(chǎn)半導(dǎo)體的“玩家”，居村代表董事明確表示：“我們很早就將生產(chǎn)設(shè)備和“Half Inch Wafer”實(shí)現(xiàn)了商用，但是沒有尋找到可以熟練使用迷你晶圓廠的人才和企業(yè)。”

　　為進(jìn)一步推廣“迷你晶圓廠”，“Hundred Semiconductors公司”將目光集中于半導(dǎo)體的試作品以及大型晶圓廠無法安排的訂單。“迷你晶圓廠”正在通過一步步解決課題，如進(jìn)行復(fù)雜的經(jīng)營決策(如準(zhǔn)確預(yù)測客戶需求、判斷投資可行性等)，從試做邁向量產(chǎn)。通過接收巨型晶圓廠無法吸收的訂單，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)推廣。

　　如今，“Hundred Semiconductors公司”正在積極推進(jìn)半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)、試做、量產(chǎn)活動(dòng)。通過和客戶共享經(jīng)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)普及生產(chǎn)技術(shù)的目標(biāo)，同時(shí)，還會(huì)繼續(xù)提升改良試作品的速度，以盡快向量產(chǎn)品邁進(jìn)。

　　此外，產(chǎn)總研也在推進(jìn)研發(fā)可用于“迷你晶圓廠”的設(shè)計(jì)軟件。其目標(biāo)是在一年內(nèi)研發(fā)出用于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)方向的PDK(Process Design Kit)。同時(shí)，為了更易于使用，還考慮將基本的線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，并率先應(yīng)用于研發(fā)方向。未來，將由產(chǎn)總研的臨海副都心中心(日本東京都江東區(qū))、筑波中心(日本茨城縣筑波市)進(jìn)行試作品生產(chǎn)。

　　此外，產(chǎn)總研還在挖掘新應(yīng)用。如，考慮到消耗的電力問題，產(chǎn)總研在討論填補(bǔ)集成電路(FPGA，可進(jìn)行編程)無法滿足的需求，目標(biāo)是提供和普及更多上述設(shè)計(jì)、制程研發(fā)服務(wù)。產(chǎn)總研方面表示：“我們可靈活對應(yīng)、滿足客制化需求”。

　　如今，產(chǎn)總研已經(jīng)完成了對前端工序(形成線路)、鍵合(Bonding)等工藝的研發(fā)。未來五年的目標(biāo)是將封裝基板集成于“Half Inch Wafer”上。以更小的面積封裝半導(dǎo)體、削功耗，同時(shí)發(fā)掘更多應(yīng)用場景。

　　為進(jìn)一步推廣“迷你晶圓廠”，產(chǎn)總研的目標(biāo)是在未來五年后，擴(kuò)大“Half Inch Wafer”的生產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)5萬片。未來，不僅要有自己的生產(chǎn)據(jù)點(diǎn)，還要自行進(jìn)行生產(chǎn)。居村代表董事指出：“對參與了推進(jìn)機(jī)構(gòu)的企業(yè)而言，迷你晶圓廠不過是他們的一個(gè)選擇項(xiàng)，我們會(huì)充分發(fā)揮帶頭人的作用，推廣此類生產(chǎn)模式”。

　　半導(dǎo)體行業(yè)的主基調(diào)一直是“大量生產(chǎn)、大量消費(fèi)”，但“迷你晶圓廠”可以在必要的時(shí)候，為客戶提供需求的數(shù)量。但另一方面，也面臨著需要深挖客戶群、培養(yǎng)具有多重需求的客戶群的課題。同時(shí)，產(chǎn)總研也在努力研發(fā)技術(shù)，以為眾多客戶提供半導(dǎo)體的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)服務(wù)。