渺小的霸權：日本半導體材料的神話與現實_風聞

遠川研究所

2023年05月21日 21:18:29 來自北京

2021年6月，日本眾議院召開了一場主題為“復興日本半導體產業”的研討會，時值在疫情中遭遇重創的鎧俠半導體（即東芝存儲芯片部門）四處尋找接盤俠，日本存儲芯片最後的火種奄奄一息，日本官方邀請了五位專家學者暢所欲言，為產業復興出謀劃策，壓軸發言的是一個名叫湯之上隆的人。

湯之上隆曾任職於日立、爾必達的一線研發部門，親歷了日本半導體產業從輝煌走向沒落的整個過程。2015年，他將自己的經歷與思考寫進了《失去的製造業》一書，拋開其中對老東家和老領導的冷嘲熱諷，《失去的製造業》堪稱研究日本芯片產業的必讀書目。

相比日本官方高舉復興大旗，湯之上隆在研討會上建議大家以最快的速度躺平，讓在場議員們大跌眼鏡：“失去的半導體產業已無法挽回，繼續投入就是浪費納税人的錢。”

他認為，由於日本的半導體公司一直難以適應產業變化，早已錯失歷史機遇；如今與其瞎折騰，不如守護好最後一點家底：位於半導體產業鏈最上游的設備與材料[1]。

一塊芯片封裝前，會經歷薄膜沉澱、光刻、蝕刻、清洗等多項工藝，每一步都需要特定的加工設備與原材料。過去數十年，日本企業一直是部分半導體設備的主要提供商。

而日本公司對半導體材料近乎壟斷的地位更是威名在外：前段工序常用的材料有19種，其中14種都由日本企業主導。

2019年7月，隨着日韓矛盾加劇，日本政府對韓國企業發起制裁，限制半導體核心材料的出口。鐵錘剛砸下三天，三星掌門李在鎔如坐針氈，專程趕赴日本懇求鬆口。

後來眾議員的研討會結束不久，湯之上隆就寫了篇文章，標題叫“日本半導體設備和材料為何那麼強？”，自豪之情溢於言表[2]。

極其誇張的市場份額

結果文章發出去沒多久，日本就吃了一場敗仗。2021年，韓國的SEMES強勢崛起，超越日本企業SCREEN成為全球第六大半導體設備公司，其母公司正是在材料上被卡的翻白眼的三星。同一時期，三星一口氣投資了十幾家材料公司，希望在材料環節繞開日本。

另一個有趣的現象是，相比輿論對日本半導體材料壟斷地位的豔羨，以及日本在化學、材料學等領域長期耕耘的讚譽，日本產業界卻對這一成就評價複雜：

湯之上隆一邊高度認可材料環節的強勢地位，但一邊稱日本對韓國的斷供“極其愚蠢”。另一位學者西村吉雄則在《日本電子產業興衰錄》中説，日本芯片產業衰落的原因之一，就是做了太多基礎研究，反而忽視了應用和模式層面的創新。

日本的半導體材料常常是一個被輿論神化的產業，它實際上並不複雜，但也沒有那麼簡單。

卡脖子

對韓國芯片公司而言，日本的貿易制裁，其威力不亞於往京畿道工廠丟一顆炸彈。

被限制出口的半導體材料共有三種，首當其衝的是氟化聚酰亞胺。這個念起來有些費嘴的化學物質，是部分OLED面板的原材料。一旦掐斷供給，OLED電視等拳頭產品將面臨無貨可出的窘境。

但對三星等韓企來説，更棘手的其實是另外兩件“戰略核武器”。

第一件是EUV光刻膠，打擊目標是韓國半導體的“未來”。

光刻膠是光刻工藝的關鍵材料，而光刻又是芯片製造的核心工藝。目前最先進的光刻工藝是EUV（極紫外線），用於生產7nm以及更先進製程的芯片。

過去幾年，三星一直在努力迭代自研的手機處理器Exynos，即便三星自己擁有7nm和5nm製程工藝，但也繞不開光刻膠這一環。此時，作為原材料的光刻膠遭到制裁，本就不富裕的日子變得更加雪上加霜。

另外，三星、SK海力士對下一代DRAM的研發也將被迫暫停。當前，市場上的DRAM產品仍在努力逼近10nm製程，尚且用不上EUV光刻這樣的先進技術；但未來DRAM的製程大概率會提升至5nm，這便踏進了EUV光刻的領域。

EUV光刻

相比之下，第二把利器殺傷力更甚。這款名叫高純度氟化氫的材料，足以扼住韓國半導體的“現在”。

氟化氫是一種清洗用的化學材料。清洗工藝能夠去除芯片生產所帶來的雜質，是影響芯片品質的關鍵環節。生產一款芯片大概需要500至1000個步驟，其中大約10%的步驟都得用到氟化氫進行清洗，堪稱是半導體的“血液”。

一旦氟化氫庫存告急，邏輯半導體（如CPU）、DRAM等主流半導體芯片均無法生產，能否開展日常業務都將打上一個問號[7]。

面對日本的咄咄逼人，危機感爆棚的韓國人使出了渾身解數，先是跑去WTO伸冤打官司，與此同時，政府牽頭大搞國產替代，一口氣投入了6萬億韓元的預算，三星也跟着投資了一批韓國本土的半導體材料企業。

在“打倒日本帝國主義”的號召下，同仇敵愾的韓國企業成功研發出了國產版本的高純度氟化氫和EUV光刻膠。文在寅卸任前的新年致辭中，曾重點提及了上述成就。

文在寅視察韓國產氟化氫

然而，故事的走向卻沒有發生太多逆轉：直到如今，日本依舊高度壟斷着高純度氟化氫和EUV光刻膠。

其地位之所以屹立不倒，和上述半導體材料的一大特質有關：日本壟斷的材料，多是不能即插即用的非標準化產品。

其中氟化氫尤為典型——清洗並不是一項標準化的工藝，每個製造商都有各自的理解和流程。因此，關於氟化氫的使用，實際上有稀釋、與氯化氫混合、與過氧化氫混合等多種完全不同的方案。而每種方案對氟化氫產品的要求又不太一樣，均需要專門定製。

另一方面，大多數產品的理論原理和工藝技術都是公開的，但選材與配比的數值，甚至生產車間合適的温度和濕度，都需要漫長的實驗才能得到最佳結果。材料的非標特質，會帶來兩方面影響：

（1）企業難以輕易更換解決方案以及相關供應商，一旦合作就是長期綁定。

在這方面，日本自己就吃過虧。1999年，日立和NEC兩家龍頭企業合資成立了存儲企業爾必達，準備向領跑的三星發起進攻。但在公司成立的頭兩年，卻爆發了嚴重的生產問題，市場份額也迅速下跌，而“罪魁禍首”之一正是日立和NEC的清洗方案不兼容。

因此，哪怕韓國企業自研出了高純度氟化氫，依舊不能立刻擺脱日企的壟斷，最快也需要至少1年時間做測試；而EUV光刻膠的更換週期則更久，通常需要測試2-3年才能搬上產線。

“有國產材料”和“用國產材料”，實際上是兩件事。

氟化氫

（2）非標材料的製造工藝多且繁雜，甚至存在部分只可意會不可言傳的隱性知識，需要企業有長期相關的積累。在這方面，向來以“匠人精神”自居、發力較早的日本同樣有先天優勢。

正如湯之上隆在書中寫道：日本半導體材料的競爭力核心，正是日本獨特的匠人文化。

不可否認，這種“一生做好一件事”的匠人文化，確實在氟化氫這類具備延續性的領域頗有成效。氟化氫技術的迭代，本質是不斷提升純度，將小數點後面的9越做越多的過程，主打一個精益求精。

韓國雖實現了氟化氫的國產化，但其純度只有99.99999999%（小數點後8個9），日本企業卻能做到小數點後10個9。看上去相差無幾，但如果乘上幾十上百道工序，最終結果會千差萬別。

但問題是，難道隔了個日本海，匠人文化就失傳了嗎？日本半導體材料的強勢，顯然不能只用文化來解釋。

日本式的勝利

和半導體產業很多環節一樣，光刻膠誕生於美國，柯達、IBM曾是該市場的領跑者，但最終被日本產業化。

從上世紀80年代開始，日本光刻膠產業突然火力全開，最終將IBM斬於馬下。這一切的起點，始於一個至今仍被全球反覆研究的項目——VLSI。

1976年，IBM研發新一代計算機的消息傳來，日本業界意識到1μm或更小工藝日趨臨近，深感時不我待的通產省集結了富士通、日立、三菱、東芝、NEC五家半導體公司，以及日本工業技術研究院、 電子綜合研究所和計算機綜合研究所三家機構，開展了一個名為VSLI（超大規模集成電路）的追趕計劃。

VLSI最大的成就是DRAM芯片的突破，直接開創了日本半導體的黃金年代。但實際上，VLSI項目共設有六個實驗室，除了三個搞產品研發的，還有專門負責攻堅半導體材料、光刻工藝以及封裝測試技術的團隊。其中第四實驗室的科研成果，就是負性光刻膠。

當時，隔壁的第五實驗室成功生產出了縮小投影型光刻裝置。由於材料和設備兩者互相強綁定，需要一同配套研發，這讓第四實驗室的光刻膠研發掃除了最大的障礙。

VLSI最大的成果，實際上是通過市場規模巨大的DRAM的突破，創造了一套國產產業鏈，擺脱了對美國的設備依賴。包括做材料的京瓷和住友，做光罩的TOPPAN，做封測的東京電子，和做光刻機的尼康。

光刻膠

90年代，KrF開始成為光刻膠的主流路線。此時，尼康推出了全球首個實現商業化應用的KrF光刻機系統，隔壁的光刻膠企業趁勢追趕。從2000年開始，隨着光刻膠路線開始往ArF和EUV轉向，日本又迅速和新任光刻機龍頭ASML建立了深度綁定，雙方配套研發、共同迭代。

由於和產業鏈的深度綁定，不論技術路線如何變化，日本光刻膠都有機會領跑[11]。

另一個推手則是日本產業界對基礎科研的極端重視。雖然大多數新技術都在日本產業化，但日本社會普遍不滿足於生產製造環節的成功，尤其是以貝爾實驗室為代表的大公司研究院模式，更是被日本反覆學習效仿。

彼時，日本主流思潮認為：如果能在基礎科學上也保持領先，日本將長期立於不敗之地[12]。

90年代後，日本經濟陷入長期衰退，日本官方再次下場，希望通過對基礎研究的投入復甦半導體產業。1995年，日本出台了《科學技術基本法》，並計劃此後每年往科學領域投入4萬億至5萬億日元。

2001年，日本政府提出，希望到2050年，日本能誕生30個諾貝爾獎。此後20年，日本足足有16人獲得了三大自然科學類諾貝爾獎，位居全球第三，其中6個屬於和半導體材料強相關的化學領域。

依靠在基礎科研上的長期投入，日本一直維持着半導體材料市場的霸主地位，並且將領先蔓延到了動力電池產業。2019年，吉野彰獲得了諾貝爾化學獎，他的一大成就是發現了鋰電池負極材料，日本企業則是該領域的領跑者之一。另外，松下也是動力電池最主要的生產商之一。

但讓日本產業界始終難以介懷的是，與半導體材料的凱歌高奏相反，日本的傳統優勢項目存儲、面板、芯片製造等環節，卻始終止步不前，成為了電子產業黃金年代中尷尬的旁觀者。

得到的與失去的

2023年3月，韓國總統尹錫悦出訪日本，宣告自2019年開始的日韓貿易戰結束。韓國不少聲音認為，尹錫悦已經舉白旗投降——因為爭端源頭是歷史遺留問題催生的民族矛盾，但他上台後卻對這些問題閉口不談，更主動對日本示好，無疑是“滑跪”的體現。

然而湯之上隆並不這麼認為。他公開表示，制裁正在親手摧毀日本的氟化氫產業，堪稱“歷史性的愚策”，因為日本同樣高度依賴韓國市場。

事實也是如此，日本財務省統計的出口數據顯示，2011年之後，韓國一直是日本氟化氫的最大出口國，並佔據了總出口量的90%以上。由於氟化氫難以輕易替換，一旦合作便是長期綁定；但反過來説，一旦三星鐵了心要搞國產替代，日本氟化氫也會失去最主要的收入來源。

而這種影響已經開始出現。2019年之前，日本氟化氫的對韓出口量大約在每月3000噸左右。此後，日本雖然解除了出口限制，但直到2023年年初，這個數字依舊只有約500噸[15]。

日本氟化氫對韓出口變化

這種“傷敵一千，自損一千二”的現象，反映了整個半導體材料行業的尷尬處境：戰略價值大，但戰術價值小。

材料雖是芯片生產的必需品，但市場規模“僅有”643億美元（2021年），相比之下，日本人失去的存儲和麪板市場，規模都高達1600億美元和1300億美元（2021年）。這還沒算上曾是日本傳統優勢項目——被蘋果、高通、英偉達等公司佔據的消費電子市場。

因此高情商的説法是，幾百億規模的半導體材料，足以影響下游上萬億規模的電子市場；但低情商的説法是，市場規模也就這麼大。

這也是日本產業界無法釋懷的原因：相比他們失去的存儲、面板、芯片製造和消費電子市場，材料領域的霸權實在是太微不足道了。

在《日本電子產業興衰錄》一書中，對於日本政府和企業在科研上的大手筆投入，作者西村吉雄非但不覺得驕傲，反而認為對科研的痴迷導致日本半導體公司錯過了90年代電子產業的轉型大潮。他提出了一個很有代表性的觀點：日本公司很擅長研究“怎麼做”，卻疏於判斷“做什麼”。

西村吉雄認為，基礎科學固然重要，但日本對此有些過度迷信，把“創新”與“技術突破”混為一談。在書中，他通過英特爾的例子來論證，其成功恰恰不是依賴於科學研究，而是打造了“技術封閉+標準開放”的生態，任何開發者都可以基於x86架構與Windows系統開發軟件，最終成為了消費電子時代的霸主。

微處理器（CPU）等邏輯半導體的出現，其實和基礎科學的進步無關，更多是受到了市場需求的推動。日本對基礎科學的痴迷，最終導致它與一個千億美金的市場失之交臂。

後來，湯之上隆又在《失去的製造業》裏補充一個生動鮮活的案例：

被三星打到破產的爾必達，其實在技術上遠遠超過三星。比如爾必達的512M DRAM的良品率可以達到98%，三星只有83%，但問題是，把成品率從80%提高到95%需要付出巨大的成本。相比三星2005年30%的利潤率，爾必達只有3%。

2008年，行業進入下行週期，三星故意擴產進一步壓低價格，爾必達虧到親媽不認。在破產的發佈會上，CEO坂本幸雄仍然唸叨着“爾必達技術世界第一”。

湯之上隆在《失去的製造業》中總結了日本強勢產業的幾個特點，其中最重要的一點是：日本公司擅長在一條長坡厚雪的賽道做持續的創新，而不善於面對頻繁的技術變化。

前者的代表是燃油車、鋰電池和半導體材料這類“幹中學、學中幹”色彩強烈的產業，後者則是他們失去的存儲和麪板。無論是市場地位、公司營收，還是創造的利税、崗位與附加值，半導體材料都無法和後者相比擬。

尾聲

20世紀80年代，西方世界對東亞經濟騰飛的解讀仍以新自由主義為底色，日本政府頗有微詞，豪擲120萬美元考察費，邀請世界銀行專家“客觀分析”日本模式成功的原因。1993年，世行出版了針對東亞後發經濟體的研究報告《東亞奇蹟》，扭扭捏捏的承認了“政府主導產業升級”的益處。

報告發表一年後，美國經濟學家保羅·克魯格曼(Paul Krugman)在《外交雜誌》上潑了一盆冷水，稱日本“並非經濟奇蹟的典型”，亞洲四小虎更是紙老虎：“亞洲的繁榮是高投入創造的數量增長，而非效率提升，建立於浮沙之上，遲早會幻滅 。”

80年代也是日本產業界自我反省的高峯期，日本人認為，自己不應該滿足於將誕生於美國技術產業化，而是應該效仿美國企業設立研究院，在基礎科研上百尺竿頭更進一步，在下一次技術浪潮中拔得頭籌。

直到今天，日本企業的科研投入仍保持在全球一線梯隊：2019年，日本企業的研發投入佔該年度GDP的3.51%，位居全球第三[13]。

陰差陽錯的是，在長久的經濟衰退中，日本的優勢產業被韓國、中國大陸和台灣地區瓜分殆盡，在日本人眼裏，產業上游的霸權地位，更像是某種體面的撤退。

日本在半導體材料上的霸權依然穩固，但他們更加在意的是，夏普的龜山屏、東芝的Dynabook和索尼的Walkman，曾一次又一次驚豔過世界。

基礎科研與所謂“應用創新”，本質上並無高低優劣之分，長週期高投入的科研與商業利益的平衡從來都難以取捨。但歸根結底，創新的目的不是為了卡誰的脖子，而是通過提高定價權獲得更高的產業附加值，繼而通過高收入崗位的創造與財富再分配，改善更多普通人的生活。