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日本半导体设备和材料为何那么强?

12月17日,在“SEMICON Japan 2021 Hybrid”的Semi Technology Symposium的尖端材料、设备的分析环节,笔者做了题目为《日本的半导体设备、材料的竞争力与其根本原因》的演讲。

但是,笔者擅长的领域在于半导体的前段工序,对于后段工序以及封装方面,笔者不是很了解。于是,有关后段工序、封装方面的演讲,由龟和田忠司先生负责,我们二人共同完成了演讲(下图1)。龟和田忠司先生在英特尔工作三十多年,有着丰富的经验。

图1:半导体的生产工艺、在SEMICON Japan上演讲工作的分配。

笔者与龟和田先生首先决定了演讲内容的框架,从八月份开始历经四个月的时间准备了此次演讲。演讲内容的框架大致如下:

1.明确日本企业在前段工序、后段工序(封装)中的设备、材料占比。

2.在前段工序、后段工序(封装)中,为什么日本企业的设备、材料占比较高?

3.为什么日本企业的市占率较高(较低)、分析其理由。构建包含前段工序、后段工序的假说。笔者(汤之上 隆)与龟和田先生合作完成了本次演讲。两人历经四个月的时间,调查和研究以上内容,最终得出了精彩的结论。

一言以蔽之,日本人和欧美人之间迥异的思维方式、行动方式与设备、材料的占比有很大的关系。首先,从汤之上负责的部分(前段工序)开始论述。

日本企业在前段工序的设备和材料中的占比

虽然半导体的前段工序中有500一一1,000(甚至更多)道工艺,但是工艺却很简单(下图2)。

首先以直径为200毫米一一300毫米的硅晶圆(Silicon Wafer)为基板,然后进行以下规定的工序(反复30次一一50次,甚至更多):清洗→成膜→光刻形成线路(Lithography Patterning)→蚀刻(Etching)→抛光(Ashing)或者清洗→检测。除以上工艺之外,还有离子注入、热处理、CMP等工艺。

图2:前段工序的简单概要

通过前段工序,在硅晶圆上形成晶体管、电容、排线等的3D 结构。此外,在硅晶圆上同时形成约1,000个芯片(Chip)。前道工序中使用的主要设备的厂家如下图3所示,日本企业占比较高的有涂布显影设备(Coater & Developer,92%)、热处理设备(也被称为“纵型扩散炉”,93%)、单片式清洗设备(63%)和批量式(Batch)清洗设备(86%)、测长SEM(80%)等。

此外,日本在CMP设备方面虽然不占有TOP 1的优势,但日本的荏原制作所在逻辑半导体方面占有30%的市占率,因此,CMP设备属于日本企业占比较高的范围。

图3:在半导体前段工序中,各家企业在各类设备中的占比,以及日本企业的占比。

然而,日本企业在干蚀(Dry Etching)设备、CVD设备和溅射等成膜设备、各类检测设备方面的占比较低。但是,这些设备采用了很多日本产的零部件。

其中,采用最多的是石英产品、陶瓷产品等。其次,前段工序中使用的主要材料的企业占比如下图4所示。日本企业在硅晶圆、各类光刻胶、各类CMP粉浆、各类高纯度溶液等产品中的占比极高。可以说,日本各家材料厂商的气势绝不亚于设备厂家,存在感极高。

图4:在半导体前段工序中,各家企业在各类材料中的占比,以及日本企业的占比。

如上所示,日本企业在设备方面的占比尤其高,即使是占比较低的设备,其采用的零部件也多为日本制造。此外,就大部分材料而言,日本企业的占比是比较高的。根据以上内容,我们将日本占比较高的、较低的产品进行分类。

对日本企业占比较高的设备、材料、零部件进行分类

如果对日本企业占比较高的设备、材料、零部件进行分类,可以得出下图5,其要点有二、如下所示。第一,日本企业在液体(或者气体、流体)等相关的设备、材料方面的占比较高。第二,日本企业在加热后凝固的材料和零部件方面的占比较高。

图5:将日本企业占比较高的设备、材料、零部件进行分类。

第一类下有两小类,其一,旋转晶圆的单片式设备和相关液体材料。具体而言,涂覆显影设备(Coater & Developer)、光刻胶(Resist)、CMP(Chemical Mechanical Polishing,化学机械抛光,用于逻辑半导体)和浆液、单片式清洗设备和各类药液。上图中黄色箭头为相关关系。

其二,另一种设备是晶圆本身不旋转,气体和液体在设备内部循环(即为旋转),主要为批量式清洗设备和纵型扩散炉。就纵型扩散炉而言,大多采用石英零部件。而日本企业在石英材料中的占比极高。类似的还有硅晶圆和各类陶瓷产品。这些产品的共同点如下:加热后凝固的材料、零部件。

如上所示,我们对日本企业占比较高的设备、材料、零部件进行分类后发现,日本企业在化学领域(而不是物理)发挥了充分的优势。

将日本企业占比较低的设备进行分类

我们将日本企业占比较低的设备进行分类后,如下图6所示,一言以蔽之,日本企业基本上是在 “干(Dry)设备”方面的占比较低(除去ArF液浸),此处主要有两点。

图6:日本企业占比较低的设备的特点。

1.在使用了光、电子束(Beam)的设备方面,日本企业的占比较低,这些属于检测设备、曝光设备。但是日本企业在CD-SEM方面的占比较高,因此此处为例外。

2.在使用了等离子(Plasma)的真空设备方面,日本企业的占比较低,具体而言,有干蚀刻(Dry Etching)设备、CVD设备、PVD设备(溅射设备),此外,最先进的曝光设备一一EUV(极紫外光)曝光设备也隶属于此范畴。

以上这些设备的特点如下:不是把晶圆卡(Chuck)在Stage上移动,即使晶圆移动了,也仅有XY轴方向的移动,不会旋转晶圆。此外,可以断言,日本企业在“物理(而非化学)”相关的设备方面占比较低。

比较、分析日本企业占比较高的领域和较低的领域

至此,我们已经展示并归类了日本企业占比较高的领域和较低的领域。下面我们分析一下为什么会出现这种现象。为了完成分析,我们采访了20位生产设备、材料领域的专家一一“为什么这个领域的设备、材料的占比高或者低”?当时,我们聆听到了丰富的见解。笔者将搜集到的见解和自己的认知汇总出下图7。

图7:比较日本企业占比较高的领域和占比较低的领域。

首先,日本企业占比较高的产品有以下:液体、流体、粉末,产品最初的形状不是固定的,且“质地柔软”。因此实现优化的标准非常多,且非常复杂。在这种情况下,日本人基于自己的经验和直觉,得出最合适的见解。即,很多无法实现标准化的“隐性知识”、“技巧”最终演变成了“匠人、工匠精神”。

此外,以上这些领域都需要在车间里不断的改善和改良,且认真、极具忍耐力的日本人优化了每个细节。最终,以自下而上(Bottom Up)的方式,生产出设备、材料、零部件。因此,可以说这就是日本企业占比较高的根本原因所在。

欧美人是如何研发设备的?

另一方面,在日本企业占比较低的领域,即AMAT(美国应用材料)、Lam Research(Lam,泛林集团)、KLA(科磊)、ASML(阿斯麦)四家欧美企业是如何研发的呢?首先,他们根据市场(Marketing),把握需求(Needs)。而且,各类设备在最初研发阶段都有科技(Science)成分存在。

在需求(Needs)和科技(Science)的引领下,根据强有力的自上而下(Top Down)的领导方式,构架整个设备。且多以模组化(Module)的形式呈现。

另外,在研发设备的各个阶段,进行模拟(Simulation)实验。同时,将技术(Technology)和技巧(Know How)“软件化”,融入设备。最后,将以上元素汇聚于一体,生产出拥有全球标准的设备。

因此,可以看出,欧美社会的“坚硬强势”的“契约精神”被反映得淋漓尽致。

总体而言,大部分日本的设备厂家是为各个半导体厂家“量身定制”设备,而欧美的设备厂家基本上是仅生产一种具有全球标准的设备。总而言之,在设备研发方面,日本企业呈发散趋势、欧美企业呈集约趋势,大相径庭。

因此,日本企业在液体、流体等形状不固定的材料方面占有较高比例,而欧美厂家在使用光、电子束(Beam)、等离子的真空设备方面占有较高比较的原因正在于此。但是,还有更重要的部分!

日本人、欧美人在思维和行动方式上的不同点

至此,我们论述了日本人和欧美人在设备研发等方面的不同点。日本人、欧美人在思维方式和行动方式方面的差异,直接影响了他们对设备的研发。

首先,欧美人是理论先行。而且,在研发初期,进行充分的讨论,然后才固定一条方针。在此基础上,创造规则(Rule)、情节(Story)、逻辑(Logic)。反过来说,欧美技术人员的下属们比较笨拙、做实验的水平也不高(倒不如说,欧美的文化就是技术人员不做任何实验,而是把实验交给一种被称为Technician(技师)的人员)。

另一方面,日本的技术人员以出色的感知和经验为基础,直接亲自动手做实验。此外,日本人很擅长在固定的框架内优化某个项目。但是,日本人不擅长制作规则和规定。

如上所述,日本人和欧美人在思维方式、行动方式方面大相径庭,且这与他们在设备等领域的占比有很大的关系。至此,就半导体生产的前段工序,我们分析了日本企业占比较高(较低)的领域、具体比例、分类、原因。

接下来,我们论证后段工序。在论述后段工序之前,我们会先谈以下内容:随着3D封装(3D Packing,以下简称为“3D IC”)时代的到来,在前段工序、后段工序(封装)中间,出现了Paradigm Shift(典范转移)。

3D IC时代的Paradigm Shift(典范转移)

在笔者担任微缩化加工技术员的1987年一一2002年期间,并没有特别在意后段工序和封装领域。此外,在笔者担任同志社大学经营学教师的2003年一一2008年期间,计划对后段工序进行调查时,相关人士说:“您知道《士农工商、后段工序》吗”?即,在半导体工艺的世界里,有明确的“等级制度(Hierachy)”(如下图8)。

在2010年前后,半导体前段工序处于绝对优势。其中,光刻技术人员是所谓的“香饽饽”,甚至出现了以下言论:“没有光刻、就不会有蚀刻”、“只要做好光刻,就会通过后面的工艺自动做成晶体管”。

图8:前段工序和后段工序的Paradigm Shift(典范转移)。

此外,甚至都没有把后段工序(封装)放入前段工序的“士农工商”序列,正如日本江户时代的“最底层的贱民”一样,被看做是位于社会底层的最底层(笔者认为自己也是其中的一员)。

然而,如今时代变了!在现代社会的尖端半导体中,各家Foundry代工厂(如TSMC等)、英特尔和三星电子等IDM(Integrated Device Manufacturer,垂直整合型)厂家、OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test,外包半导体产品封装和测试)厂家都竞相开始研发3D IC。就3D IC研发而言,最先进行研发的是封装设计。

融入3D IC的SoC(System on Chip,系统级芯片)、GPU、DRAM等芯片已经实现商品化。要生产出以上“商品”,需要前段工序的技术要素。这样,前段工序和后段工序(封装)之间就出现了Paradigm Shift(典范转移)现象。

可想而知,后段工序(封装)开始引起人们的关注,那么,日本企业在此处的设备、材料的占比如何呢?

后段工序的概要、封装(Packing)的作用

下图9是半导体后段工序的概要。在前段工序中,在单颗晶圆上形成1,000个左右的芯片(Chip),而在后段工序中,通过裁断(Dicing)工艺,将一颗颗芯片(Chip)切割出来,封装到IC载板上,再进行各类测试,最终完成产品。

图9:后段工艺的概要。

此处,与前段工序不同、后段工序中相对复杂的是有机基板(一般为有机基板,用于搭载芯片,据说因用途、企业不同而不同)。即,后段工序中没有像前段工序中的硅晶圆(Silicon Wafer)那样的全球标准,因此,要理解后段工序是有难度的。

此外,与前段工序的技术节点(Technology Node)相比,后段工序的设计规则(Design Rule)有三位数的差异(前段工序为纳米级、后段工序为微米级,如下图10)。就目前而言,TSMC在前段工序中已经开始量产5纳米节点,而后段工序中使用的有机基板的设计规则还停留在5微米。

图10:半导体前段工序的技术节点和后段工序的设计规则之间的差异,封装的附加值。

那些完全沉浸于“唯微缩化是最重要的工艺”想法的前段工序的技术人员看了上图后,或许会有人认为“半导体后段工序也就是MEMS的水平”。其实,这是大错特错!如果后段工序中的有机基板的设计规则可以紧跟前段工序的微缩化发展,那么,封装的最终产品就可以卖个好价钱!

那么,如果封装技术没有跟上前段工序中的微缩化技术,就会严重影响最终产品的销售价格!此处,就是封装的最大附加值!也就是说,并不是仅发展微缩化就足够了。

后段工序(封装)的决策者、流程

后段工序(封装)相关的“玩家”、决策人、流程都是十分复杂的。请看下图11,我们把英特尔的用于服务器方向的处理器(Processor)作为一个事例来分析。

图11:后段工序(封装)的决策者、流程。

就后段工序的工艺而言,既有OAST(Outsourced Semiconductor Assembly and Testing,外包半导体产品封装和测试)封装的情况,也有英特尔自行封装的情况。为了易于读者理解,我们假设全部由OSAT进行封装。

(1)首先,由英特尔决定把芯片(Chip)封装在哪家公司的基板上、英特尔决定基板的原材料。

(2)被英特尔选定的味之素Fine-Techno、三菱气体化学等基板材料厂家把基板材料供给由英特尔选定的基板厂家(揖斐电电子、新光电气)。

(3)揖斐电电子、新光电气根据英特尔的规格要求,生产有机基板,然后将基板出货给日月光(ASE)、安靠(Amkor)等OSAT厂家。

(4)OSAT再采购各类用于后段工序的设备、材料,如DISCO(迪思科)的切割设备(Dicer)等。

(5)英特尔再把在前段工序中完成的晶圆(Wafer)交给OSAT。

(6)OSAT利用后段工序的各类设备、材料,为英特尔封装、测试各类最终产品。

如上所示,即生产出了英特尔的用于服务器的处理器(Processor),那么,日本企业在有机基板材料、有机基板、后段工序材料、后段工序设备领域中的占比如何呢?这些领域中有哪些主要“玩家”呢?

各家企业在有机基板材料、有机基板、后段工序材料、后段工序设备中的占比

下图12 各家企业在有机基板材料中的占比,就用于低端、普通印刷线路板(Printed Circuit Board, PCB)的铜箔压层板而言,日本企业的市占率几乎为零,几乎被中国大陆、台湾的企业“瓜分”。

图12:上图第一行黄色部分为“中国台湾”、绿色部分为“美国”、第一行和第二行的最右侧褐色部分为“其他”,第二行中间红色部分为“韩国斗山集团”。

就用于高端封装的铜箔压层板而言,日本企业占比为65%(甚至更多);就用于封装的压层(Build Up)材料和用于封装的阻焊剂(Solder Resist)而言,日本企业几乎“霸占”了100%的市场。

下图13是全球主要基板厂家,大部分基板厂家都集中在亚洲地区。其中,日本的揖斐电电子(IBIDEN)、新光电气(Shinko)的技术尤其出色,如果没有这两家公司,就无法生产出用于服务器的处理器(Processor)。总而言之,揖斐电电子、新光电气是独一无二的存在。

图13:主要基板厂家。出自:AZ Supply Chain Solutions。

下图14是各家企业在各类后段工序材料中的占比。就边框(Lead-frame)而言,日本的占比仅为37%。但是,就作为封装材料的塑封材料(Mold)而言,日本占有65%以上的市占率,此外,就TSMC研发的用于苹果手机的InFO(Integrated Fan-Out WLP,集成扇出型晶圆级封装)等材料、用于FOWLP(Fan Out Wafer Level Packaging,扇出型晶圆级封装)的塑封(Mold)材料而言,日本企业占有88%的比例。

此外,日本企业在底部填充材料(Under-fill)中占有92%的份额,也近乎“独霸”。

图14:各家企业在后段工序材料中的占比。出自:IHS Markit、Yole、各家日本材料厂家。

最后,下图15是各家企业在后段工序设备中的占比。日本企业在半导体切割机(Dicer)方面占有90%的占比;日本企业在芯片焊接机(Die Bonding)方面的占比仅有10%;在塑封设备(Molding)方面占有65%的份额,测试设备为55%,都过半。

图15:各家企业在后段工序设备中的占比。出自:各家公司财报、乐天证券、野村证券。

如上所述,在有机基板材料、有机基板、后段工序材料、后段工序设备中,总的来说,日本企业的市占率颇高,在全球范围内拥有较强的竞争力。

后段工序(封装)设备、材料的竞争力的源泉

我们分析一下拥有较高市占率的日本企业,可以发现以下三点。

第一,日本企业专注于某一项材料、某一种设备,且拥有知识产权,占有压倒性优势,是其他企业远不能及的。举例来说,迪斯科(Disco)的切割设备(Dicer,80%),味之素Fine-techno的封装压层(Build-up)材料(96%),太阳油墨(Ink)的用于封装的阻焊剂(Solder Resist,85%)等。

第二,日本企业专注于高端技术,利用世界一流的技术,成为其他企业无法赶超的行业第一。比方说,三菱气体化学(30%)、昭和电工材料(30%)的用于封装的铜箔压层板,揖斐电电子和新光电气的有机基板等。

第三,有的企业涉及多个领域(如设备、工艺、材料等),通过提供多种材料为客户提供综合性的解决方案(Total Solution)。最具典型性的就是昭和电工材料,其通过JOINT Consortium(联合国际财团)的方式,成功为多家客户提供多种材料。

此外,提供铜箔压层板和塑封材料的住友电木株式会社也是其中的典型代表。综上所述,拥有较高市占率的企业都至少能提供三种产品,其根本原因正如文章开头所述的日本的特点:诚实地生产制造和管理质量、踏实的研发能力、竭尽全力满足客户需求的态度等。这些都是日本企业获得较高竞争力的源泉。

可以说,日本人的思维方式、行动方式促使了日本企业获得如此高的市占率。

总括

文章至此,我们已经分别分析了在半导体前段工序、后段工序(封装)、相关设备和材料中,日本企业的占比、缘何有如此高(或者低)的占比。在半导体前段工序中,日本企业在涉及液体、流体、粉末等不具具体形状的设备和材料方面,拥有较高的市占率。

另一方面,在涉及光、电子束(Beam)以及等离子(Plasma)设备方面,日本企业不占优势。笔者认为,这些市占率的高低是由日本人与欧美人思维方式、行动方式的不同直接相关。

在后段工序(封装)中,就有机基板材料、有机基板、后段工序相关设备和材料而言,可以看出日本企业的占比是极高的。将这些企业分类后,发现以下趋势:有的企业专注于某一特定行业并获得其他企业无法比肩的优势、有的企业以世界一流的技术获得压倒性的优势、有的企业发力多个领域且都获得了较高的市占率。

可以说,日本人的思维方式、行动方式直接推动了日本企业的较高市占率。的确,如今的日本企业在前段工序、后段工序(封装)中拥有较高的市占率,未来能否继续保持下去呢?那些怀着“我们公司是世界第一”傲慢态度的企业最终却走向失败的事例不胜枚举。

可以举出的半导体行业的事例如下:在上世纪八十年代,日本的DRAM业务可谓全球第一;日本的SoC业务在2010年后近乎覆没。在设备和材料领域亦是如此,韩国和中国正举全国之力在加速实现国产化。

此外,欧美国家正加速使用人工智能(AI)来开发设备和材料,他们都很有可能会凌驾在日本的匠人精神之上。为了继续保持和提高日本企业现有的较高市占率,必须毫不松懈地不断研发。

根据需要,甚至可以采取欧美企业的研发方式。笔者在今年6月1日的众议院演讲中,提出了“应该让优势更强”的观点!笔者认为,日本的各家材料厂家、设备厂家应该充分发挥和加强自身的优势、长处,以在3D IC时代充分发挥自身的竞争力。

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