日本半導(dǎo)體，不認(rèn)命
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2021-11-17
來(lái)源：工程師
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眾所周知，日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的整體實(shí)力十分雄厚，材料、設(shè)備等領(lǐng)域一直處于國(guó)際領(lǐng)先位置，然而日本全球晶圓市場(chǎng)份額卻有些后勁不足。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IC Insights數(shù)據(jù)顯示，日本在1990年占據(jù)全球晶片市場(chǎng)50%，現(xiàn)在市場(chǎng)份額只有6%。
從當(dāng)初的全球霸主，到如今守著一畝三分地，日本半導(dǎo)體高光漸逝的背后或許有著各種各樣的原因，但毫無(wú)疑問(wèn)，光刻機(jī)就是這位曾經(jīng)王者在戰(zhàn)役中丟了的馬蹄釘。
當(dāng)前，晶圓制造的先進(jìn)工藝離不開(kāi)EUV光刻機(jī)，而這在領(lǐng)域顯然由荷蘭的ASML獨(dú)占鰲頭。資料顯示，2020年全球光刻機(jī)總銷售量為413臺(tái)。其中ASML銷售258臺(tái)占比62%，佳能銷售122臺(tái)占比30%，尼康銷售33臺(tái)占比8%。
這與三四十年前的全球光刻機(jī)格局相比，可以說(shuō)是截然相反。彼時(shí)，尼康和佳能的光刻機(jī)業(yè)務(wù)曾占據(jù)了全球市場(chǎng)的50%。
曾經(jīng)的光刻機(jī)王者為何在EUV上掉了隊(duì)？
那時(shí)候的光刻技術(shù)不比照相機(jī)復(fù)雜。60年代末，日本尼康和佳能開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。80年代左右，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)遭遇危機(jī)，加之美國(guó)的扶持，尼康和佳能抓住發(fā)展大機(jī)遇，趁勢(shì)崛起，取代GCA、Ultratech 和 P&E三家美國(guó)光刻機(jī)廠商，一躍成為國(guó)際光刻機(jī)市場(chǎng)的主導(dǎo)者。
尤其是尼康，憑借著相機(jī)時(shí)代的積累成為當(dāng)之無(wú)愧的巨頭，代表著當(dāng)時(shí)光刻機(jī)的最高水平。1980年，日本尼康發(fā)布光刻機(jī)NSR-1010G，首次采用i線光源，波長(zhǎng)只有g(shù)線的80%，拿下了IBM、Intel、TI、AMD等多個(gè)大客戶。從 80 年代后期至本世紀(jì)初，尼康光刻機(jī)市場(chǎng)占有率超50%。而佳能則憑借對(duì)準(zhǔn)器的優(yōu)勢(shì)也占領(lǐng)了一席之地。
然而，再?gòu)?qiáng)的馬也有失蹄的時(shí)候。尼康在光刻機(jī)領(lǐng)域一路沖刺，卻在193nm卡了整整二十年。2002年，光刻機(jī)領(lǐng)域似乎出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)，但同時(shí)也迎來(lái)了著名的干濕路線之爭(zhēng)。時(shí)任臺(tái)積電研發(fā)副經(jīng)理林本堅(jiān)提出“沉浸式光刻”方案，即不改變波長(zhǎng)，在鏡頭和光刻膠之間加一層光線折射率的介質(zhì)，比如水，原有的193nm激光經(jīng)過(guò)折射，可以直接越過(guò)了157nm降低到132nm。
當(dāng)時(shí)，以尼康為首的日本廠商選擇延續(xù)以往的“干刻法”，而ASML卻選擇林本堅(jiān)的“濕刻法”，并搶先一步在2004年就趕出了第一臺(tái)樣機(jī)，波長(zhǎng) 132nm。雖然尼康很快也推出干式微影157nm技術(shù)的成品，但由于時(shí)間和波長(zhǎng)方面都略遜于對(duì)方，因此落了下風(fēng)。尼康這一落，就至今沒(méi)再能趕上ASML。
當(dāng)然，除了技術(shù)上的趕超失敗外，當(dāng)時(shí)的美國(guó)打壓以及日本半導(dǎo)體企業(yè)原本的運(yùn)作模式都是壓垮“駱駝”的稻草。
1997年EUV LLC聯(lián)盟成立，ASML在做出多項(xiàng)讓步后成功入局。EUV LLC聯(lián)盟匯聚了美國(guó)頂尖的研究資源和芯片巨頭，包括勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室三大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合IBM、AMD、摩托羅拉等科技巨頭，集中數(shù)百位頂尖科學(xué)家，共同研究EUV光刻技術(shù)。然而尼康卻被美國(guó)以“國(guó)家安全”為由拒之門外，這也成為了尼康掉離光刻機(jī)高端產(chǎn)業(yè)隊(duì)伍的重要原因。
此外，尼康、佳能等企業(yè)從設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)都要自己抓的IDM模式，造就日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)高光時(shí)刻的同時(shí)，也成為了最大軟肋。用一句來(lái)說(shuō)就是，“成也蕭何，敗也蕭何”。
就目前ASML EUV光刻機(jī)而言，可以說(shuō)是集全球技術(shù)之長(zhǎng)。根據(jù)SIA與BCG的研究報(bào)告顯示，EUV有100,000個(gè)零件，來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、西歐、日本等主要幾個(gè)區(qū)域或國(guó)家的5,000家供應(yīng)商。而日本萬(wàn)事都要自己干的模式，顯然已經(jīng)不能滿足越來(lái)越精密的先進(jìn)制程需求。
走出另一條路
那么，沒(méi)有EUV光刻機(jī)就真的不能研發(fā)先進(jìn)工藝制程了嗎？有微博網(wǎng)友曾表示“日本離高端芯片制造只差一臺(tái)光刻機(jī)”。
但顯然日本不這么認(rèn)為，沒(méi)有EUV光刻機(jī)并不耽誤研發(fā)先進(jìn)工藝。
挑戰(zhàn)EUV，NIL也能直上5nm
其實(shí)，鎧俠從2017年就開(kāi)始與佳能，以及光罩、模板等半導(dǎo)體零組件制造商DNP合作研發(fā)NIL的量產(chǎn)技術(shù)，如今終于取得成效。對(duì)此，佳能表示，致力于將NIL量產(chǎn)技術(shù)廣泛的應(yīng)用于制作DRAM及PC用的CPU等邏輯芯片的設(shè)備上，以在未來(lái)供應(yīng)更多的半導(dǎo)體制造商，也希望能應(yīng)用于手機(jī)應(yīng)用處理器等最先進(jìn)的制程上。
據(jù)了解，NIL 是將形成三維結(jié)構(gòu)的掩膜壓在晶圓上被稱為液體樹脂的感光材料上，同時(shí)照射光線，一次性完成結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印的方法，被認(rèn)為是微納加工領(lǐng)域第三代最有前景的光刻技術(shù)之一。相較于極紫外光工藝，NIL新工藝無(wú)需使用EUV光刻機(jī)，也不需要使用鏡頭。由于NIL技術(shù)的微影制程較為單純，耗電量可壓低至EUV技術(shù)的10%，并讓設(shè)備投資降低至僅有EUV設(shè)備的40% 。
由此來(lái)看，一旦NIL量產(chǎn)技術(shù)達(dá)到5nm，或許可以彌補(bǔ)日本缺乏EUV光刻機(jī)的不利局面。
尼康DUV“一條道走到黑”
在日前舉辦的第四屆中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)（進(jìn)博會(huì)）上，尼康展出了其最先端的ArF液浸半導(dǎo)體光刻機(jī)NSR-S635E。據(jù)介紹，該光刻機(jī)專為5nm工藝制程量產(chǎn)而開(kāi)發(fā)，將提供卓越的疊加精度和超高吞吐量，以支持最關(guān)鍵的半導(dǎo)體設(shè)備制造，產(chǎn)品計(jì)劃于2023 年起售。
而在今年10月，尼康還宣布正在開(kāi)發(fā)下一代NSR-S636E ArF 浸入式光刻機(jī)。NSR-S636E 具有增強(qiáng)型在線對(duì)準(zhǔn)站(iAS)，它是集成在涂布機(jī)/顯影器單元和光刻掃描儀之間的芯片預(yù)測(cè)量模塊。S636E和 iAS 利用復(fù)雜的多點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)測(cè)量和高級(jí)校正功能，使設(shè)備制造商能夠?qū)崿F(xiàn)3D 設(shè)備結(jié)構(gòu)所需的嚴(yán)格疊加精度，同時(shí)最大限度地提高浸入式光刻機(jī)的生產(chǎn)力。NSR-S636E非常適合尖端半導(dǎo)體制造，包括邏輯和存儲(chǔ)設(shè)備、CMOS圖像傳感器應(yīng)用等。
雖然當(dāng)時(shí)尼康并未公布S636E更多的參數(shù)，但是作為NSR-S635E進(jìn)階版，S636E應(yīng)該也是可以量產(chǎn)5nm芯片。
420億日元，日本靠砸錢發(fā)力2nm
據(jù)了解，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的支持項(xiàng)目旨在，在 2020 年代中期建立寬度為 2 nm以后的下一代半導(dǎo)體的制造技術(shù)，將建立一條測(cè)試線，開(kāi)發(fā)精細(xì)電路的加工和清洗等制造技術(shù)。
日本似乎已下定決心，試圖通過(guò)“錢海戰(zhàn)術(shù)”發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。除了420 億日元外，今年5月底，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省還發(fā)布消息稱，對(duì)于臺(tái)積電在日本進(jìn)行的半導(dǎo)體制造技術(shù)研究開(kāi)發(fā)，將撥款約190億日元（約合人民幣11億元）。
不過(guò)此次臺(tái)積電在日本的晶圓廠主要專注于較成熟的22nm和28nm工藝，離2nm的先進(jìn)工藝還是有點(diǎn)距離，但對(duì)于目前生產(chǎn)線仍停留在40nm以上的日本來(lái)說(shuō)，不乏是追趕先進(jìn)工藝的好機(jī)會(huì)。
東京電子加強(qiáng)外部合作，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)1nm量產(chǎn)化
近日，作為涂布顯影設(shè)備領(lǐng)域的龍頭，東京電子決定加強(qiáng)與外部組織合作，將參加比利時(shí)研究機(jī)構(gòu)IMEC主導(dǎo)的聯(lián)盟，與荷蘭ASML等涉足半導(dǎo)體設(shè)備的大型企業(yè)推進(jìn)新制程開(kāi)發(fā)。
通過(guò)合作，東京電子把IMEC分享的數(shù)據(jù)應(yīng)用于新設(shè)備開(kāi)發(fā)。據(jù)日經(jīng)中文網(wǎng)報(bào)道，東京電子的執(zhí)行董事秋山啟一表示，“能取得EUV數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)有限，與IMEC的合作非常寶貴”。此外，秋山據(jù)稱力爭(zhēng)通過(guò)開(kāi)發(fā)新一代光刻系統(tǒng)，在2025～2026年之前實(shí)現(xiàn)1納米線寬級(jí)別半導(dǎo)體的量產(chǎn)化。
據(jù)介紹，東京電子將在2022年內(nèi)向IMEC提供在半導(dǎo)體晶圓上進(jìn)行感光劑（光刻膠）涂布和顯影的新型“涂布顯影設(shè)備（Coater Developer）”，計(jì)劃在IMEC和ASML運(yùn)營(yíng)的荷蘭研究所，搭配新一代EUV（極紫外）光刻設(shè)備使用。
“全員全球龍頭”的底氣
在EUV光刻機(jī)的配套設(shè)備中，光掩膜缺陷檢測(cè)設(shè)備和涂覆顯影設(shè)備的重要性不言而喻，而這兩個(gè)領(lǐng)域分別被Lasertec和東京電子絕對(duì)壟斷，市場(chǎng)份額皆為100%。
EUV光源系統(tǒng)發(fā)展至今，主流的EUV光源已確定為激光等離子體光源(LPP)，目前只有兩家公司能夠生產(chǎn)，一家是美國(guó)的Cymer（已被ASML收購(gòu)），另外一家就是日本的Gigaphoton。Gigaphoton原為小松公司和Ushio公司各占50%股份的合資公司，2011年，小松從Ushio公司手中收購(gòu)Gigaphoton余下的50%股份，如今Gigaphoton已成為小松的獨(dú)資企業(yè)。
在光刻膠方面，日本將半導(dǎo)體材料的壟斷地位表現(xiàn)得淋漓盡致。日本水戶證券消息顯示，JSR、東京應(yīng)化工業(yè)、信越化學(xué)、住友化學(xué)、富士膠片這5家公司占據(jù)了9成世界市場(chǎng)份額。而其他材料方面，日本還有東洋合成工業(yè)、大阪有機(jī)化學(xué)工業(yè)等。
在全球半導(dǎo)體光掩模市場(chǎng)中，日本也處于領(lǐng)先水平，擁有凸版印刷、DNP、HOYA等企業(yè)。資料顯示，全球光掩模市場(chǎng)一年市場(chǎng)規(guī)模約 35 億～40 億美元上下。主要供應(yīng)商以美日大廠為主，其中日本凸版印刷、DNP、美國(guó) Photronics 三家就占了 80% 以上的市占率，其他還有日本豪雅 HOYA、日本 SK 電子、臺(tái)灣光罩等。
此外，全球空白掩膜版市場(chǎng)也被HOYA和AGC兩家日本公司壟斷，HOYA市占率超過(guò)50%。
從上圖可以看出，在清洗設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、切割設(shè)備等方面，日本大廠的份額也都不少。
如此羅列下來(lái)，日本在EUV周邊設(shè)備產(chǎn)業(yè)方面，筆者稱之為“全員全球龍頭”也不為過(guò)。
寫在最后
在中美摩擦以及芯片緊缺的影響下，日本也意識(shí)到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要性，多措并舉向著復(fù)興半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁步。
政府層面，通過(guò)“錢海戰(zhàn)術(shù)”成功吸引了擁有最先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的臺(tái)積電建廠，并鼓勵(lì)企業(yè)研發(fā)2nm先進(jìn)工藝。而企業(yè)層面，雖沒(méi)有光刻機(jī)，但佳能、尼康、鎧俠、東京電子等大廠依舊沒(méi)有放棄研發(fā)先進(jìn)工藝。
但是需要注意的是，日本當(dāng)前存在的課題是能否通過(guò)吸引外資企業(yè)和促進(jìn)投資來(lái)強(qiáng)化半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。終端對(duì)上游產(chǎn)業(yè)鏈擁有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)。過(guò)去日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)因錯(cuò)過(guò)以PC和手機(jī)為代表的消費(fèi)電子時(shí)代，而失去了對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的話語(yǔ)權(quán)。如果汽車、傳感器等使用半導(dǎo)體的終端需求不能擴(kuò)大，那么復(fù)興半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也就無(wú)從談起。
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