日本半導體設備和材料為何那麼強？_風聞
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2021-12-17 11:24
來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自eetimes.jp，作者： 湯之上隆、龜和田忠司，謝謝。12月17日，在“SEMICON Japan 2021 Hybrid”的Semi Technology Symposium的尖端材料、設備的分析環節，筆者做了題目為《日本的半導體設備、材料的競爭力與其根本原因》的演講。但是，筆者擅長的領域在於半導體的前段工序，對於後段工序以及封裝方面，筆者不是很瞭解。於是，有關後段工序、封裝方面的演講，由龜和田忠司先生負責，我們二人共同完成了演講（下圖1）。龜和田忠司先生在英特爾工作三十多年，有着豐富的經驗。
筆者與龜和田先生首先決定了演講內容的框架，從八月份開始歷經四個月的時間準備了此次演講。演講內容的框架大致如下：
1.明確日本企業在前段工序、後段工序（封裝）中的設備、材料佔比。
2.在前段工序、後段工序（封裝）中，為什麼日本企業的設備、材料佔比較高？
3.為什麼日本企業的市佔率較高（較低）、分析其理由。構建包含前段工序、後段工序的假説。
筆者（湯之上 隆）與龜和田先生合作完成了本次演講。兩人歷經四個月的時間，調查和研究以上內容，最終得出了精彩的結論。一言以蔽之，日本人和歐美人之間迥異的思維方式、行動方式與設備、材料的佔比有很大的關係。
首先，從湯之上負責的部分（前段工序）開始論述。
日本企業在前段工序的設備和材料中的佔比
雖然半導體的前段工序中有500一一1,000（甚至更多）道工藝，但是工藝卻很簡單（下圖2）。首先以直徑為200毫米一一300毫米的硅晶圓（Silicon Wafer）為基板，然後進行以下規定的工序（反覆30次一一50次，甚至更多）：清洗→成膜→光刻形成線路（Lithography Patterning）→蝕刻（Etching）→拋光（Ashing）或者清洗→檢測。除以上工藝之外，還有離子注入、熱處理、CMP等工藝。
（圖片出自：eetimes.jp）
通過前段工序，在硅晶圓上形成晶體管、電容、排線等的3D 結構。此外，在硅晶圓上同時形成約1,000個芯片（Chip）。
前道工序中使用的主要設備的廠家如下圖3所示，日本企業佔比較高的有塗布顯影設備（Coater & Developer，92%）、熱處理設備（也被稱為“縱型擴散爐”，93%）、單片式清洗設備（63%）和批量式（Batch）清洗設備（86%）、測長SEM（80%）等。此外，日本在CMP設備方面雖然不佔有TOP 1的優勢，但日本的荏原製作所在邏輯半導體方面佔有30%的市佔率，因此，CMP設備屬於日本企業佔比較高的範圍。
然而，日本企業在幹蝕（Dry Etching）設備、CVD設備和濺射等成膜設備、各類檢測設備方面的佔比較低。但是，這些設備採用了很多日本產的零部件。其中，採用最多的是石英產品、陶瓷產品等。
其次，前段工序中使用的主要材料的企業佔比如下圖4所示。日本企業在硅晶圓、各類光刻膠、各類CMP粉漿、各類高純度溶液等產品中的佔比極高。可以説，日本各家材料廠商的氣勢絕不亞於設備廠家，存在感極高。
如上所示，日本企業在設備方面的佔比尤其高，即使是佔比較低的設備，其採用的零部件也多為日本製造。此外，就大部分材料而言，日本企業的佔比是比較高的。根據以上內容，我們將日本佔比較高的、較低的產品進行分類。
對日本企業佔比較高的設備、材料、零部件進行分類
如果對日本企業佔比較高的設備、材料、零部件進行分類，可以得出下圖5，其要點有二、如下所示。
第一，日本企業在液體（或者氣體、流體）等相關的設備、材料方面的佔比較高。
第二，日本企業在加熱後凝固的材料和零部件方面的佔比較高。
第一類下有兩小類，其一，旋轉晶圓的單片式設備和相關液體材料。具體而言，塗覆顯影設備（Coater & Developer）、光刻膠（Resist）、CMP（Chemical Mechanical Polishing，化學機械拋光，用於邏輯半導體）和漿液、單片式清洗設備和各類藥液。上圖中黃色箭頭為相關關係。
其二，另一種設備是晶圓本身不旋轉，氣體和液體在設備內部循環（即為旋轉），主要為批量式清洗設備和縱型擴散爐。
就縱型擴散爐而言，大多采用石英零部件。而日本企業在石英材料中的佔比極高。類似的還有硅晶圓和各類陶瓷產品。這些產品的共同點如下：加熱後凝固的材料、零部件。
如上所示，我們對日本企業佔比較高的設備、材料、零部件進行分類後發現，日本企業在化學領域（而不是物理）發揮了充分的優勢。
將日本企業佔比較低的設備進行分類
我們將日本企業佔比較低的設備進行分類後，如下圖6所示，一言以蔽之，日本企業基本上是在 “幹（Dry）設備”方面的佔比較低（除去ArF液浸），此處主要有兩點。
（圖片出自：eetimes.jp）
**1.****在使用了光、電子束（Beam）的設備方面，**日本企業的佔比較低，這些屬於檢測設備、曝光設備。但是日本企業在CD-SEM方面的佔比較高，因此此處為例外。
**2.在使用了等離子（Plasma）的真空設備方面，**日本企業的佔比較低，具體而言，有幹蝕刻（Dry Etching）設備、CVD設備、PVD設備（濺射設備），此外，最先進的曝光設備一一EUV（極紫外光）曝光設備也隸屬於此範疇。
以上這些設備的特點如下：不是把晶圓卡（Chuck）在Stage上移動，即使晶圓移動了，也僅有XY軸方向的移動，不會旋轉晶圓。此外，可以斷言，日本企業在“物理（而非化學）”相關的設備方面佔比較低。
比較、分析日本企業佔比較高的領域和較低的領域
至此，我們已經展示並歸類了日本企業佔比較高的領域和較低的領域。下面我們分析一下為什麼會出現這種現象。
為了完成分析，我們採訪了20位生產設備、材料領域的專家一一“為什麼這個領域的設備、材料的佔比高或者低”？當時，我們聆聽到了豐富的見解。筆者將蒐集到的見解和自己的認知彙總出下圖7。
首先，日本企業佔比較高的產品有以下：液體、流體、粉末，產品最初的形狀不是固定的，且“質地柔軟”。因此實現優化的標準非常多，且非常複雜。在這種情況下，日本人基於自己的經驗和直覺，得出最合適的見解。即，很多無法實現標準化的“隱性知識”、“技巧”最終演變成了“匠人、工匠精神”。
此外，以上這些領域都需要在車間裏不斷的改善和改良，且認真、極具忍耐力的日本人優化了每個細節。最終，以自下而上（Bottom Up）的方式，生產出設備、材料、零部件。因此，可以説這就是日本企業佔比較高的根本原因所在。
歐美人是如何研發設備的？
另一方面，在日本企業佔比較低的領域，即AMAT（美國應用材料）、Lam Research（Lam，泛林集團）、KLA（科磊）、ASML（阿斯麥）四家歐美企業是如何研發的呢？
首先，他們根據市場（Marketing），把握需求（Needs）。而且，各類設備在最初研發階段都有科技（Science）成分存在。在需求（Needs）和科技（Science）的引領下，根據強有力的自上而下（Top Down）的領導方式，構架整個設備。且多以模組化（Module）的形式呈現。
另外，在研發設備的各個階段，進行模擬（Simulation）實驗。同時，將技術（Technology）和技巧（Know How）“軟件化”，融入設備。最後，將以上元素匯聚於一體，生產出擁有全球標準的設備。因此，可以看出，歐美社會的“堅硬強勢”的“契約精神”被反映得淋漓盡致。
總體而言，大部分日本的設備廠家是為各個半導體廠家“量身定製”設備，而歐美的設備廠家基本上是僅生產一種具有全球標準的設備。總而言之，在設備研發方面，日本企業呈發散趨勢、歐美企業呈集約趨勢，大相徑庭。因此，日本企業在液體、流體等形狀不固定的材料方面佔有較高比例，而歐美廠家在使用光、電子束（Beam）、等離子的真空設備方面佔有較高比較的原因正在於此。
但是，還有更重要的部分！
日本人、歐美人在思維和行動方式上的不同點
至此，我們論述了日本人和歐美人在設備研發等方面的不同點。日本人、歐美人在思維方式和行動方式方面的差異，直接影響了他們對設備的研發。
首先，歐美人是理論先行。而且，在研發初期，進行充分的討論，然後才固定一條方針。在此基礎上，創造規則（Rule）、情節（Story）、邏輯（Logic）。反過來説，歐美技術人員的下屬們比較笨拙、做實驗的水平也不高（倒不如説，歐美的文化就是技術人員不做任何實驗，而是把實驗交給一種被稱為Technician（技師）的人員）。
另一方面，日本的技術人員以出色的感知和經驗為基礎，直接親自動手做實驗。此外，日本人很擅長在固定的框架內優化某個項目。但是，日本人不擅長製作規則和規定。
如上所述，日本人和歐美人在思維方式、行動方式方面大相徑庭，且這與他們在設備等領域的佔比有很大的關係。
至此，就半導體生產的前段工序，我們分析了日本企業佔比較高（較低）的領域、具體比例、分類、原因。
接下來，我們論證後段工序。在論述後段工序之前，我們會先談以下內容：隨着3D封裝（3D Packing，以下簡稱為“3D IC”）時代的到來，在前段工序、後段工序（封裝）中間，出現了Paradigm Shift（典範轉移）。
3D IC時代的Paradigm Shift（典範轉移）
在筆者擔任微縮化加工技術員的1987年一一2002年期間，並沒有特別在意後段工序和封裝領域。此外，在筆者擔任同志社大學經營學教師的2003年一一2008年期間，計劃對後段工序進行調查時，相關人士説：“您知道《士農工商、後段工序》嗎”？
即，在半導體工藝的世界裏，有明確的“等級制度（Hierachy）”（如下圖8）。在2010年前後，半導體前段工序處於絕對優勢。其中，光刻技術人員是所謂的“香餑餑”，甚至出現了以下言論：“沒有光刻、就不會有蝕刻”、“只要做好光刻，就會通過後面的工藝自動做成晶體管”。
此外，甚至都沒有把後段工序（封裝）放入前段工序的“士農工商”序列，正如日本江户時代的“最底層的賤民”一樣，被看做是位於社會底層的最底層（筆者認為自己也是其中的一員）。
然而，如今時代變了！在現代社會的尖端半導體中，各家Foundry代工廠（如TSMC等）、英特爾和三星電子等IDM（Integrated Device Manufacturer，垂直整合型）廠家、OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，外包半導體產品封裝和測試）廠家都競相開始研發3D IC。
就3D IC研發而言，最先進行研發的是封裝設計。融入3D IC的SoC（System on Chip，系統級芯片）、GPU、DRAM等芯片已經實現商品化。要生產出以上“商品”，需要前段工序的技術要素。這樣，前段工序和後段工序（封裝）之間就出現了Paradigm Shift（典範轉移）現象。
可想而知，後段工序（封裝）開始引起人們的關注，那麼，日本企業在此處的設備、材料的佔比如何呢？
後段工序的概要、封裝（Packing）的作用
下圖9是半導體後段工序的概要。在前段工序中，在單顆晶圓上形成1,000個左右的芯片（Chip），而在後段工序中，通過裁斷（Dicing）工藝，將一顆顆芯片（Chip）切割出來，封裝到IC載板上，再進行各類測試，最終完成產品。
（圖片出自：eetimes.jp）
此處，與前段工序不同、後段工序中相對複雜的是有機基板（一般為有機基板，用於搭載芯片，據説因用途、企業不同而不同）。即，後段工序中沒有像前段工序中的硅晶圓（Silicon Wafer）那樣的全球標準，因此，要理解後段工序是有難度的。
此外，與前段工序的技術節點（Technology Node）相比，後段工序的設計規則（Design Rule）有三位數的差異（前段工序為納米級、後段工序為微米級，如下圖10）。就目前而言，TSMC在前段工序中已經開始量產5納米節點，而後段工序中使用的有機基板的設計規則還停留在5微米。
那些完全沉浸於“唯微縮化是最重要的工藝”想法的前段工序的技術人員看了上圖後，或許會有人認為“半導體後段工序也就是MEMS的水平”。其實，這是大錯特錯！如果後段工序中的有機基板的設計規則可以緊跟前段工序的微縮化發展，那麼，封裝的最終產品就可以賣個好價錢！
那麼，如果封裝技術沒有跟上前段工序中的微縮化技術，就會嚴重影響最終產品的銷售價格！此處，就是封裝的最大附加值！也就是説，並不是僅發展微縮化就足夠了。
後段工序（封裝）的決策者、流程
後段工序（封裝）相關的“玩家”、決策人、流程都是十分複雜的。請看下圖11，我們把英特爾的用於服務器方向的處理器（Processor）作為一個事例來分析。
圖11：後段工序（封裝）的決策者、流程。
（圖片出自：eetimes.jp）
就後段工序的工藝而言，既有OAST（Outsourced Semiconductor Assembly and Testing，外包半導體產品封裝和測試）封裝的情況，也有英特爾自行封裝的情況。為了易於讀者理解，我們假設全部由OSAT進行封裝。
（1）首先，由英特爾決定把芯片（Chip）封裝在哪家公司的基板上、英特爾決定基板的原材料。
（2）被英特爾選定的味之素Fine-Techno、三菱氣體化學等基板材料廠家把基板材料供給由英特爾選定的基板廠家（揖斐電電子、新光電氣）。
（3）揖斐電電子、新光電氣根據英特爾的規格要求，生產有機基板，然後將基板出貨給日月光（ASE）、安靠（Amkor）等OSAT廠家。
（4）OSAT再採購各類用於後段工序的設備、材料，如DISCO（迪思科）的切割設備（Dicer）等。（5）英特爾再把在前段工序中完成的晶圓（Wafer）交給OSAT。
（6）OSAT利用後段工序的各類設備、材料，為英特爾封裝、測試各類最終產品。
如上所示，即生產出了英特爾的用於服務器的處理器（Processor），那麼，日本企業在有機基板材料、有機基板、後段工序材料、後段工序設備領域中的佔比如何呢？這些領域中有哪些主要“玩家”呢？
各家企業在有機基板材料、有機基板、後段工序材料、後段工序設備中的佔比
下圖12 各家企業在有機基板材料中的佔比，就用於低端、普通印刷線路板（Printed Circuit Board， PCB）的銅箔壓層板而言，日本企業的市佔率幾乎為零，幾乎被中國大陸、台灣的企業“瓜分”。
就用於高端封裝的銅箔壓層板而言，日本企業佔比為65%（甚至更多）；就用於封裝的壓層（Build Up）材料和用於封裝的阻焊劑（Solder Resist）而言，日本企業幾乎“霸佔”了100%的市場。
下圖13是全球主要基板廠家，大部分基板廠家都集中在亞洲地區。其中，日本的揖斐電電子（IBIDEN）、新光電氣（Shinko）的技術尤其出色，如果沒有這兩家公司，就無法生產出用於服務器的處理器（Processor）。總而言之，揖斐電電子、新光電氣是獨一無二的存在。
出自：AZ Supply Chain Solutions。
（圖片出自：eetimes.jp）
下圖14是各家企業在各類後段工序材料中的佔比。就邊框（Lead-frame）而言，日本的佔比僅為37%。但是，就作為封裝材料的塑封材料（Mold）而言，日本佔有65%以上的市佔率，此外，就TSMC研發的用於蘋果手機的InFO（Integrated Fan-Out WLP，集成扇出型晶圓級封裝）等材料、用於FOWLP（Fan Out Wafer Level Packaging，扇出型晶圓級封裝）的塑封（Mold）材料而言，日本企業佔有88%的比例。此外，日本企業在底部填充材料（Under-fill）中佔有92%的份額，也近乎“獨霸”。
出自：IHS Markit、Yole、各家日本材料廠家。
（圖片出自：eetimes.jp）
最後，下圖15是各家企業在後段工序設備中的佔比。日本企業在半導體切割機（Dicer）方面佔有90%的佔比；日本企業在芯片焊接機（Die Bonding）方面的佔比僅有10%；在塑封設備（Molding）方面佔有65%的份額，測試設備為55%，都過半。
出自：各家公司財報、樂天證券、野村證券。
（圖片出自：eetimes.jp）
如上所述，在有機基板材料、有機基板、後段工序材料、後段工序設備中，總的來説，日本企業的市佔率頗高，在全球範圍內擁有較強的競爭力。
後段工序（封裝）設備、材料的競爭力的源泉
我們分析一下擁有較高市佔率的日本企業，可以發現以下三點。
第一，日本企業專注於某一項材料、某一種設備，且擁有知識產權，佔有壓倒性優勢，是其他企業遠不能及的。舉例來説，迪斯科（Disco）的切割設備（Dicer，80%），味之素Fine-techno的封裝壓層（Build-up）材料（96%），太陽油墨（Ink）的用於封裝的阻焊劑（Solder Resist，85%）等。
第二，日本企業專注於高端技術，利用世界一流的技術，成為其他企業無法趕超的行業第一。比方説，三菱氣體化學（30%）、昭和電工材料（30%）的用於封裝的銅箔壓層板，揖斐電電子和新光電氣的有機基板等。
第三，有的企業涉及多個領域（如設備、工藝、材料等），通過提供多種材料為客户提供綜合性的解決方案（Total Solution）。最具典型性的就是昭和電工材料，其通過JOINT Consortium（聯合國際財團）的方式，成功為多家客户提供多種材料。此外，提供銅箔壓層板和塑封材料的住友電木株式會社也是其中的典型代表。
綜上所述，擁有較高市佔率的企業都至少能提供三種產品，其根本原因正如文章開頭所述的日本的特點：誠實地生產製造和管理質量、踏實的研發能力、竭盡全力滿足客户需求的態度等。這些都是日本企業獲得較高競爭力的源泉。可以説，日本人的思維方式、行動方式促使了日本企業獲得如此高的市佔率。
總括
文章至此，我們已經分別分析了在半導體前段工序、後段工序（封裝）、相關設備和材料中，日本企業的佔比、緣何有如此高（或者低）的佔比。
在半導體前段工序中，日本企業在涉及液體、流體、粉末等不具具體形狀的設備和材料方面，擁有較高的市佔率。另一方面，在涉及光、電子束（Beam）以及等離子（Plasma）設備方面，日本企業不佔優勢。筆者認為，這些市佔率的高低是由日本人與歐美人思維方式、行動方式的不同直接相關。
在後段工序（封裝）中，就有機基板材料、有機基板、後段工序相關設備和材料而言，可以看出日本企業的佔比是極高的。將這些企業分類後，發現以下趨勢：有的企業專注於某一特定行業並獲得其他企業無法比肩的優勢、有的企業以世界一流的技術獲得壓倒性的優勢、有的企業發力多個領域且都獲得了較高的市佔率。
此外，與前段工序一樣，在後段工序（封裝）中，日本企業的競爭力來源於日本技術人員認真、誠實的製造態度等獨具特色的日本精神。可以説，日本人的思維方式、行動方式直接推動了日本企業的較高市佔率。
的確，如今的日本企業在前段工序、後段工序（封裝）中擁有較高的市佔率，未來能否繼續保持下去呢？
那些懷着“我們公司是世界第一”傲慢態度的企業最終卻走向失敗的事例不勝枚舉。可以舉出的半導體行業的事例如下：在上世紀八十年代，日本的DRAM業務可謂全球第一；日本的SoC業務在2010年後近乎覆沒。
在設備和材料領域亦是如此，韓國和中國正舉全國之力在加速實現國產化。此外，歐美國家正加速使用人工智能（AI）來開發設備和材料，他們都很有可能會凌駕在日本的匠人精神之上。
為了繼續保持和提高日本企業現有的較高市佔率，必須毫不鬆懈地不斷研發。根據需要，甚至可以採取歐美企業的研發方式。
筆者在今年6月1日的眾議院演講中，提出了“應該讓優勢更強”的觀點！筆者認為，日本的各家材料廠家、設備廠家應該充分發揮和加強自身的優勢、長處，以在3D IC時代充分發揮自身的競爭力。