日本半導體，最后的機會

原創芯世相 2023-11-18 09:03

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日本正在采取新的重大產業政策，旨在恢復其半導體產業的國際競爭力。

20?世紀 80?年代末，日本半導體產業的產量占世界總產量的 50%以上，而到 2022 年，這一數字已下降到9%。如今，日本的半導體產業大約比全球技術領先者落后 10?年。為了體現決策者的緊迫感和憂患意識，日本已經摒棄了戰后長時間作為其產業政策特征的做法，包括限制外國投資和不允許大型外資生產設施在日本運營。

在 2022 年 7 月舉行的日美經濟政策委員會會議上，日本與美國同意在關鍵技術領域開展聯合研發（R&D），日本宣布成立一個以美國國家半導體技術中心（NSTC）為藍本的公共研究機構，名為?"尖端半導體技術中心"（LSTC）。

日本在芯片制造方面面臨的挑戰是嚴峻的。日本最先進的晶圓廠采用 40 nm的設計規則，比世界領先的臺積電和三星落后約 10?年。日本的DRAM生產商曾在 20?世紀 80?年代主導全球市場，但現在已基本退出了這一行業，目前日本最先進的 DRAM 是由美國公司美光擁有和運營。

盡管日本在某些半導體器件類型（如 NAND 存儲器、功率半導體、MCU和 CMOS 圖像傳感器）方面仍具有國際競爭力，但正如日本政府最近承認的那樣，目前努力推動芯片的行為很可能是讓日本在全球芯片市場占據有利地位的?"最后機會"。

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日本的新興半導體戰略

2021 年 6 月，日本經濟產業省（METI）宣布了《半導體和數字產業發展戰略》，其中包括以下內容：

與美國建立合作伙伴關系。通過與 IBM 和歐洲研究機構 IMEC 合作成立Rapidus，在 2020?年代末能夠設計和生產下一代芯片（2 納米及以下）。

開發?"改變游戲規則?"的未來半導體技術。為此，日本正在建立一個由政府支持的尖端半導體技術中心LSTC。據報道，建立 LSTC 的想法源于促成《基本原則》通過的美日討論。IBM 將支持 LSTC 的建立和工作。

建立新的芯片制造基地，生產傳統設備。根據這一目標，政府鼓勵世界上最先進的半導體制造商——臺積電與日本索尼公司和電裝公司（汽車零部件制造商）組建合資企業：?日本先進半導體制造公司。該公司正在熊本縣建設一家晶圓制造廠。據報道，臺積電正在考慮在該地建立第二座晶圓廠。

為日本國內芯片制造提供補貼。日本政府表示，將為國內外制造商生產指定類型的半導體器件（包括功率器件、MCU和模擬器件）、設備、材料和原材料所產生的資本成本提供最多三分之一的補貼。補貼的條件是在日本國內生產至少達到 10?年，而且要求制造商在全球短缺時優先考慮日本出貨。

日本強調國際合作是該國的一大轉變，至少在 20?世紀 90?年代以前，日本一直奉行實現半導體自給自足的政策。這與美國目前的認識相似，即如果沒有關鍵的外國合作伙伴，就不可能重新獲得芯片領域的領先地位。

啟動?Rapidus

Rapidus 是一個由日本 8 大巨頭公司合體創辦的公司，與IBM合作開發 2nm技術，以便在日本建造一座或多座晶圓廠進行生產。

第一座晶圓廠將建在北海道，目標啟動時間為2026-2027 年。Rapidus 此前已與總部設在比利時的 IMEC 建立了合作伙伴關系，IMEC 是歐洲最重要的微電子研究機構，與世界上幾乎所有主要的半導體設備、設備和材料公司都有合作。

Rapidus 公司是由日本資深半導體高管組建的，其中最著名的是公司總裁小池淳義（曾擔任存儲器制造商日本西部數據的負責人）和董事長東哲郎（曾在日本半導體設備制造廠Tokyo Electron擔任CEO）。

這些股份由 12 位日本半導體專家持有。Rapidus 成員包括豐田、索尼、NTT、NEC、Kioxia、軟銀、電裝和三菱日聯銀行等日本高科技和金融公司。值得注意的是，Rapidus 的許多合作伙伴都是芯片消費大戶；預計他們將成為?Rapidus?產出的初始市場。

Rapidus 獲得了日本政府的大量資金支持，據說初期金額為 700?億日元（約合 5.3 億美元），其中大部分將用于購買荷蘭 ASML 公司的兩臺極紫外光刻（EUV）設備。2023 年 4 月底，政府宣布將向 Rapidus 再提供 2,600?億日元（約合 19.4 億美元），"以加強公司的研發業務"。Rapidus 預計需要約 5 萬億日元（約合 351 億美元）的投資才能開始量產。

美國政府也鼓勵 Rapidus 的成立以及與 IBM 的合作。然而，雙邊關系依然緊張。

2023 年 3 月，Rapidus 公司高管 Orii Yasumitsu 批評美國政府對半導體的出口管制?"過于激進"，這是日本半導體行業高管首次?"公開表達對美國芯片法案的負面立場"。Orii 還說："過去，美國的法規削弱了日本的半導體產業。但現在，美國正試圖通過法規再次奪回全球半導體行業的霸主地位。韓國和日本必須攜手應對美國的舉動。"

LSTC：尖端半導體技術中心

日本在半導體領域發展的新發力點在于：以產業、政府和學術之間的密切合作為特色。因此，Rapidus 的工作將得到 LSTC 的支持。

LSTC 成立于 2022 年 12 月，作為一個總體組織來協調日本的半導體研究。LSTC 正在開展的研究課題與 Rapidus 的工作計劃密切相關。LSTC 將得到日本一些現有公共研究機構的支持：日本產業技術綜合研究所（AIST）、日本理化學研究所?(RIKEN)和東京大學。LSTC 將向來自"志同道合?"國家的研究人員開放。

LSTC 將致力于若干關鍵主題：

建立先進的半導體電路設計技術；

開發先進的全能柵極（GAA）晶體管技術；

開發批量生產技術，加快芯片設計與制造之間的快速周轉時間?(TAT)；

建立 3D 封裝技術支持；

開發用于 GAA 結構和先進封裝的材料。

LSTC 計劃每年從日本一流大學選拔幾十名學生和研究人員進行專業培訓。將由半導體制造和電信技術專家授課。Rapidus在北海道的試點工廠將實施自己的培訓計劃。

雄心勃勃的技術目標

Rapidus-IBM-IMEC 的合作可以說是全球半導體行業歷史上最雄心勃勃的合作之一。

如前所述，日本目前在芯片制造技術方面落后于世界領先的臺積電和三星 10?年，其芯片制造技術處于 40 nm節點。Rapidus建議在兩到三年內跨越多個節點，開始 2 納米的生產。這將是一項無與倫比的技術壯舉。

哪怕是跳過一個節點，都會對公司提出重大要求，如更多和更復雜的設計規則檢查、額外的計算要求、節點間 IP 設計人員配備要求的大幅增加，以及眾多具有挑戰性的不斷發展的技術——所有這一切都是在時間和成本壓力增加的情況下進行的，同時還要應對無法預料的技術未知風險。

一位分析師寫道：“跳過節點要深思熟慮......現在節點與節點之間的漸進學習非常多，這種學習的需求不會因為節點的跳轉而消失。你最終只會把這種學習壓縮到下一個設計的關鍵路徑中，而管理層仍然希望你以與上一個設計相同或更短的時間完成該設計。這只能以失敗告終?！?/span>

Rapidus 公司沒有制造先進芯片的經驗，迄今為止，也沒有跡象表明它能從擁有必要經驗的公司（如臺積電和三星）那里獲得這方面的實際知識。成功的關鍵可能在于 IBM 的技術，它采用了 GAA 晶體管或?"納米片 FET"，使器件的規模超過了目前的 FinFET 技術（一種三維晶體管，與平面器件相比，開關時間更快，密度更高）。

據一位消息人士稱，"這可能是自集成電路誕生以來最具顛覆性的晶體管設計"。IBM 最近還宣布在互連（半導體元件之間的布線）技術方面取得突破，用釕（"互連 3.0"）取代銅作為互連材料，這種材料可以擴展到 1 納米甚至更小的尺寸，而且仍然是一種有效的導體。

日本的芯片基礎設施

據報道，盡管日本芯片生產成本較高，但美國決策者和行業領袖逐漸將日本視為另一個芯片生產中心。在很大程度上，這種觀點反映了日本在最先進的芯片制造所需的工具和材料方面具有非凡的競爭力，日本供應商在其專業領域往往代表著世界最佳水平。這些領域包括：

EUV光刻技術：?日本生產的許多設備可用于先進節點的芯片制造所需的極紫外線（EUV）光刻技術。日本東京電子公司（TEL）在全球EUV涂布顯影設備領域上占有近 100%的份額。

芯片堆疊：TEL 還與 IBM 緊密合作，在 12英寸晶圓上實現全球首個芯片堆疊操作。

光掩模：?日本公司 JEOL 和 NuFlare 占有全球 91%?的 EUV 光刻掩模版設備市場份額。

抗蝕加工：?日本公司 TEL 和 SCREEN 占光刻膠加工所需設備全球市場 96%?的份額。

高端光刻膠：?四家日本公司——信越化學、東京應化工業、JSR 和富士膠片電子材料，占全球先進芯片制造所需的高端光刻膠產量的 75%，幾乎壟斷了利用 EUV 光刻技術制造設備所需的光刻膠。第五家日本公司住友化學最近也進入了光刻膠生產市場。

晶圓加工：?日本公司 Accretech、Okimoto、Toyo 和 Disco 占有晶圓加工所需設備全球市場 95%?的份額。日本公司 Rorze、Daifuku 和 Muratech 占有全球晶圓處理設備市場 88%?的份額。

半導體材料：?在芯片制造所需的 14 種最關鍵材料（包括光掩模、光刻膠和硅晶片）中，日本占有 50%?以上的份額，是全球最大的半導體材料生產國，這一地位已保持了幾十年。

3D 封裝：?包括日產化學和昭和電工在內的日本半導體材料供應商正在進行新的重大投資，以開發和生產 3D 芯片封裝所需的材料。2024 年，日產化學將開始批量生產 3D 封裝中使用的臨時粘合劑，這種粘合劑可在拋光和堆疊過程中將硅晶圓固定在玻璃基板上，同時還能在不損壞硅晶圓的情況下將其取出。

硅晶片：?日本材料公司 SUMCO 和信越化學共同占據了全球硅晶圓市場 60%?的份額。

重新關注后端

日本加強芯片制造能力的努力將包括生產流程的?"后端"——組裝、測試，特別是封裝，這被認為在先進芯片的開發中起著至關重要的作用。

目前，由于日本重視與中國和亞洲其他國家的國際合作，包括封裝在內的大多數后端業務都在其他地方進行。后端業務重點的一些關鍵要素包括：

半導體封裝陶瓷制造商京瓷公司最近宣布，它將投資 620?億日元（4.7 億美元）建設二十年來的第一個新生產設施，生產先進芯片的封裝材料。

芯片測試設備制造商Advantest與臺積電達成技術聯盟，用于開發高密度后端應用的測試設備，在筑波的臺積電3D IC研發中心實施。

日本領先的光刻設備制造商佳能正在推出后端光刻機，旨在建立設備之間的高密度連接，從而在單個封裝中提高性能和能效。

日本芯片設備制造商 Ulvac 正在改進其設備，用于清除微小雜質的設備，由于封裝操作更加復雜，產生的微小雜質數量增加。這些雜質可能會影響芯片性能。

芯片材料供應商 Sumitomo Bakelite 正在開發與先進的后端生產工藝兼容的專用樹脂。

至少在 20?世紀 90?年代之前，日本一直奉行以產業獨立為特征的政策。如今，日本的目標是與美國和歐洲合作，建立一條全球供應鏈。

正如經濟產業省一位官員在 2022 年 8 月所說："世界和平，誰為我們提供半導體都可以的時代已經過去了?！比毡镜男抡呤菍@一新現實的雄心勃勃的有效回應。

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來源：內容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）編譯自「csis」，作者:?Sujai Shivakumar、Charles Wessnerand、Thomas Howell

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