日本半導體，不認命
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眾所周知，日本半導體產業(yè)的整體實力十分雄厚，材料、設備等領域一直處于國際領先位置，然而日本全球晶圓市場份額卻有些后勁不足。市場研究機構IC Insights數(shù)據顯示，日本在1990年占據全球晶片市場50%，現(xiàn)在市場份額只有6%。
從當初的全球霸主，到如今守著一畝三分地，日本半導體高光漸逝的背后或許有著各種各樣的原因，但毫無疑問，光刻機就是這位曾經王者在戰(zhàn)役中丟了的馬蹄釘。
當前，晶圓制造的先進工藝離不開EUV光刻機，而這在領域顯然由荷蘭的ASML獨占鰲頭。資料顯示，2020年全球光刻機總銷售量為413臺。其中ASML銷售258臺占比62%，佳能銷售122臺占比30%，尼康銷售33臺占比8%。
這與三四十年前的全球光刻機格局相比，可以說是截然相反。彼時，尼康和佳能的光刻機業(yè)務曾占據了全球市場的50%。
曾經的光刻機王者為何在EUV上掉了隊？
那時候的光刻技術不比照相機復雜。60年代末，日本尼康和佳能開始進入這個領域。80年代左右，全球半導體市場遭遇危機，加之美國的扶持，尼康和佳能抓住發(fā)展大機遇，趁勢崛起，取代GCA、Ultratech 和 P&E三家美國光刻機廠商，一躍成為國際光刻機市場的主導者。
尤其是尼康，憑借著相機時代的積累成為當之無愧的巨頭，代表著當時光刻機的最高水平。1980年，日本尼康發(fā)布光刻機NSR-1010G，首次采用i線光源，波長只有g線的80%，拿下了IBM、Intel、TI、AMD等多個大客戶。從 80 年代后期至本世紀初，尼康光刻機市場占有率超50%。而佳能則憑借對準器的優(yōu)勢也占領了一席之地。
然而，再強的馬也有失蹄的時候。尼康在光刻機領域一路沖刺，卻在193nm卡了整整二十年。2002年，光刻機領域似乎出現(xiàn)了轉機，但同時也迎來了著名的干濕路線之爭。時任臺積電研發(fā)副經理林本堅提出“沉浸式光刻”方案，即不改變波長，在鏡頭和光刻膠之間加一層光線折射率的介質，比如水，原有的193nm激光經過折射，可以直接越過了157nm降低到132nm。
當時，以尼康為首的日本廠商選擇延續(xù)以往的“干刻法”，而ASML卻選擇林本堅的“濕刻法”，并搶先一步在2004年就趕出了第一臺樣機，波長 132nm。雖然尼康很快也推出干式微影157nm技術的成品，但由于時間和波長方面都略遜于對方，因此落了下風。尼康這一落，就至今沒再能趕上ASML。
當然，除了技術上的趕超失敗外，當時的美國打壓以及日本半導體企業(yè)原本的運作模式都是壓垮“駱駝”的稻草。
1997年EUV LLC聯(lián)盟成立，ASML在做出多項讓步后成功入局。EUV LLC聯(lián)盟匯聚了美國頂尖的研究資源和芯片巨頭，包括勞倫斯利弗莫爾實驗室、勞倫斯伯克利實驗室、桑迪亞國家實驗室三大國家實驗室，聯(lián)合IBM、AMD、摩托羅拉等科技巨頭，集中數(shù)百位頂尖科學家，共同研究EUV光刻技術。然而尼康卻被美國以“國家安全”為由拒之門外，這也成為了尼康掉離光刻機高端產業(yè)隊伍的重要原因。
此外，尼康、佳能等企業(yè)從設計、制造、封測都要自己抓的IDM模式，造就日本半導體產業(yè)高光時刻的同時，也成為了最大軟肋。用一句來說就是，“成也蕭何，敗也蕭何”。
就目前ASML EUV光刻機而言，可以說是集全球技術之長。根據SIA與BCG的研究報告顯示，EUV有100,000個零件，來自美國、英國、西歐、日本等主要幾個區(qū)域或國家的5,000家供應商。而日本萬事都要自己干的模式，顯然已經不能滿足越來越精密的先進制程需求。
走出另一條路
那么，沒有EUV光刻機就真的不能研發(fā)先進工藝制程了嗎？有微博網友曾表示“日本離高端芯片制造只差一臺光刻機”。
但顯然日本不這么認為，沒有EUV光刻機并不耽誤研發(fā)先進工藝。
挑戰(zhàn)EUV，NIL也能直上5nm
其實，鎧俠從2017年就開始與佳能，以及光罩、模板等半導體零組件制造商DNP合作研發(fā)NIL的量產技術，如今終于取得成效。對此，佳能表示，致力于將NIL量產技術廣泛的應用于制作DRAM及PC用的CPU等邏輯芯片的設備上，以在未來供應更多的半導體制造商，也希望能應用于手機應用處理器等最先進的制程上。
據了解，NIL 是將形成三維結構的掩膜壓在晶圓上被稱為液體樹脂的感光材料上，同時照射光線，一次性完成結構的轉印的方法，被認為是微納加工領域第三代最有前景的光刻技術之一。相較于極紫外光工藝，NIL新工藝無需使用EUV光刻機，也不需要使用鏡頭。由于NIL技術的微影制程較為單純，耗電量可壓低至EUV技術的10%，并讓設備投資降低至僅有EUV設備的40% 。
由此來看，一旦NIL量產技術達到5nm，或許可以彌補日本缺乏EUV光刻機的不利局面。
尼康DUV“一條道走到黑”
在日前舉辦的第四屆中國國際進口博覽會（進博會）上，尼康展出了其最先端的ArF液浸半導體光刻機NSR-S635E。據介紹，該光刻機專為5nm工藝制程量產而開發(fā)，將提供卓越的疊加精度和超高吞吐量，以支持最關鍵的半導體設備制造，產品計劃于2023 年起售。
而在今年10月，尼康還宣布正在開發(fā)下一代NSR-S636E ArF 浸入式光刻機。NSR-S636E 具有增強型在線對準站(iAS)，它是集成在涂布機/顯影器單元和光刻掃描儀之間的芯片預測量模塊。S636E和 iAS 利用復雜的多點對準測量和高級校正功能，使設備制造商能夠實現(xiàn)3D 設備結構所需的嚴格疊加精度，同時最大限度地提高浸入式光刻機的生產力。NSR-S636E非常適合尖端半導體制造，包括邏輯和存儲設備、CMOS圖像傳感器應用等。
雖然當時尼康并未公布S636E更多的參數(shù)，但是作為NSR-S635E進階版，S636E應該也是可以量產5nm芯片。
420億日元，日本靠砸錢發(fā)力2nm
據了解，日本經濟產業(yè)省的支持項目旨在，在 2020 年代中期建立寬度為 2 nm以后的下一代半導體的制造技術，將建立一條測試線，開發(fā)精細電路的加工和清洗等制造技術。
日本似乎已下定決心，試圖通過“錢海戰(zhàn)術”發(fā)展半導體產業(yè)。除了420 億日元外，今年5月底，日本經濟產業(yè)省還發(fā)布消息稱，對于臺積電在日本進行的半導體制造技術研究開發(fā)，將撥款約190億日元（約合人民幣11億元）。
不過此次臺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的先進工藝還是有點距離，但對于目前生產線仍停留在40nm以上的日本來說，不乏是追趕先進工藝的好機會。
東京電子加強外部合作，力爭實現(xiàn)1nm量產化
近日，作為涂布顯影設備領域的龍頭，東京電子決定加強與外部組織合作，將參加比利時研究機構IMEC主導的聯(lián)盟，與荷蘭ASML等涉足半導體設備的大型企業(yè)推進新制程開發(fā)。
通過合作，東京電子把IMEC分享的數(shù)據應用于新設備開發(fā)。據日經中文網報道，東京電子的執(zhí)行董事秋山啟一表示，“能取得EUV數(shù)據的機會有限，與IMEC的合作非常寶貴”。此外，秋山據稱力爭通過開發(fā)新一代光刻系統(tǒng)，在2025～2026年之前實現(xiàn)1納米線寬級別半導體的量產化。
據介紹，東京電子將在2022年內向IMEC提供在半導體晶圓上進行感光劑（光刻膠）涂布和顯影的新型“涂布顯影設備（Coater Developer）”，計劃在IMEC和ASML運營的荷蘭研究所，搭配新一代EUV（極紫外）光刻設備使用。
“全員全球龍頭”的底氣
在EUV光刻機的配套設備中，光掩膜缺陷檢測設備和涂覆顯影設備的重要性不言而喻，而這兩個領域分別被Lasertec和東京電子絕對壟斷，市場份額皆為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，一家是美國的Cymer（已被ASML收購），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Gigaphoton余下的50%股份，如今Gigaphoton已成為小松的獨資企業(yè)。
在光刻膠方面，日本將半導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、東京應化工業(yè)、信越化學、住友化學、富士膠片這5家公司占據了9成世界市場份額。而其他材料方面，日本還有東洋合成工業(yè)、大阪有機化學工業(yè)等。
在全球半導體光掩模市場中，日本也處于領先水平，擁有凸版印刷、DNP、HOYA等企業(yè)。資料顯示，全球光掩模市場一年市場規(guī)模約 35 億～40 億美元上下。主要供應商以美日大廠為主，其中日本凸版印刷、DNP、美國 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、臺灣光罩等。
此外，全球空白掩膜版市場也被HOYA和AGC兩家日本公司壟斷，HOYA市占率超過50%。
從上圖可以看出，在清洗設備、檢測設備、切割設備等方面，日本大廠的份額也都不少。
如此羅列下來，日本在EUV周邊設備產業(yè)方面，筆者稱之為“全員全球龍頭”也不為過。
寫在最后
在中美摩擦以及芯片緊缺的影響下，日本也意識到半導體產業(yè)的重要性，多措并舉向著復興半導體產業(yè)邁步。
政府層面，通過“錢海戰(zhàn)術”成功吸引了擁有最先進半導體技術的臺積電建廠，并鼓勵企業(yè)研發(fā)2nm先進工藝。而企業(yè)層面，雖沒有光刻機，但佳能、尼康、鎧俠、東京電子等大廠依舊沒有放棄研發(fā)先進工藝。
但是需要注意的是，日本當前存在的課題是能否通過吸引外資企業(yè)和促進投資來強化半導體產業(yè)基礎。終端對上游產業(yè)鏈擁有絕對的話語權。過去日本半導體產業(yè)因錯過以PC和手機為代表的消費電子時代，而失去了對整個產業(yè)鏈的話語權。如果汽車、傳感器等使用半導體的終端需求不能擴大，那么復興半導體產業(yè)也就無從談起。
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