半导体行业观察(ID:icbank)| 来源

龚佳佳 | 作者

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日前,台积电日本建厂尘埃落定,全球最大晶圆代工厂的入驻似乎给日本半导体制造业带来了新希望。

众所周知,日本半导体产业的整体实力十分雄厚,材料、设备等领域一直处于国际领先位置,然而日本全球晶圆市场份额却有些后劲不足。市场研究机构IC Insights数据显示,日本在1990年占据全球晶片市场50%,现在市场份额只有6%。

从当初的全球霸主,到如今守着一亩三分地,日本半导体高光渐逝的背后或许有着各种各样的原因,但毫无疑问,光刻机就是这位曾经王者在战役中丢了的马蹄钉。

当前,晶圆制造的先进工艺离不开EUV光刻机,而这在领域显然由荷兰的ASML独占鳌头。资料显示,2020年全球光刻机总销售量为413台。其中ASML销售258台占比62%,佳能销售122台占比30%,尼康销售33台占比8%。

图片来源:中银证券

这与三四十年前的全球光刻机格局相比,可以说是截然相反。彼时,尼康和佳能的光刻机业务曾占据了全球市场的50%。

01、曾经的光刻机王者为何在EUV上掉了队?

1950年代末,美国仙童半导体发明掩膜版曝光刻蚀技术,拉开了现代光刻机发展的大幕。

那时候的光刻技术不比照相机复杂。60年代末,日本尼康和佳能开始进入这个领域。80年代左右,全球半导体市场遭遇危机,加之美国的扶持,尼康和佳能抓住发展大机遇,趁势崛起,取代GCA、Ultratech 和 P&E三家美国光刻机厂商,一跃成为国际光刻机市场的主导者。

尤其是尼康,凭借着相机时代的积累成为当之无愧的巨头,代表着当时光刻机的最高水平。1980年,日本尼康发布光刻机NSR-1010G,首次采用i线光源,波长只有g线的80%,拿下了IBM、Intel、TI、AMD等多个大客户。从 80 年代后期至本世纪初,尼康光刻机市场占有率超50%。而佳能则凭借对准器的优势也占领了一席之地。

NSR-1010G(图片来源:尼康官网)

然而,再强的马也有失蹄的时候。尼康在光刻机领域一路冲刺,却在193nm卡了整整二十年。2002年,光刻机领域似乎出现了转机,但同时也迎来了著名的干湿路线之争。时任台积电研发副经理林本坚提出“沉浸式光刻”方案,即不改变波长,在镜头和光刻胶之间加一层光线折射率的介质,比如水,原有的193nm激光经过折射,可以直接越过了157nm降低到132nm。

当时,以尼康为首的日本厂商选择延续以往的“干刻法”,而ASML却选择林本坚的“湿刻法”,并抢先一步在2004年就赶出了第一台样机,波长 132nm。虽然尼康很快也推出干式微影157nm技术的成品,但由于时间和波长方面都略逊于对方,因此落了下风。尼康这一落,就至今没再能赶上ASML。

当然,除了技术上的赶超失败外,当时的美国打压以及日本半导体企业原本的运作模式都是压垮“骆驼”的稻草。

1997年EUV LLC联盟成立,ASML在做出多项让步后成功入局。EUV LLC联盟汇聚了美国顶尖的研究资源和芯片巨头,包括劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯伯克利实验室、桑迪亚国家实验室三大国家实验室,联合IBM、AMD、摩托罗拉等科技巨头,集中数百位顶尖科学家,共同研究EUV光刻技术。然而尼康却被美国以“国家安全”为由拒之门外,这也成为了尼康掉离光刻机高端产业队伍的重要原因。

此外,尼康、佳能等企业从设计、制造、封测都要自己抓的IDM模式,造就日本半导体产业高光时刻的同时,也成为了最大软肋。用一句来说就是,“成也萧何,败也萧何”。

就目前ASML EUV光刻机而言,可以说是集全球技术之长。根据SIA与BCG的研究报告显示,EUV有100,000个零件,来自美国、英国、西欧、日本等主要几个区域或国家的5,000家供应商。而日本万事都要自己干的模式,显然已经不能满足越来越精密的先进制程需求。

02、走出另一条路

那么,没有EUV光刻机就真的不能研发先进工艺制程了吗?有微博网友曾表示“日本离高端芯片制造只差一台光刻机”。

但显然日本不这么认为,没有EUV光刻机并不耽误研发先进工艺。

挑战EUV,NIL也能直上5nm

根据日本媒体10月报道,铠侠已掌握纳米压印微影(NIL)15nm的制程量产技术,目前正在进行15nm以下技术研发,预计2025年进一步达成。而根据DNP的说法,NIL量产技术电路微缩程度则可达5nm节点。

其实,铠侠从2017年就开始与佳能,以及光罩、模板等半导体零组件制造商DNP合作研发NIL的量产技术,如今终于取得成效。对此,佳能表示,致力于将NIL量产技术广泛的应用于制作DRAM及PC用的CPU等逻辑芯片的设备上,以在未来供应更多的半导体制造商,也希望能应用于手机应用处理器等最先进的制程上。

据了解,NIL 是将形成三维结构的掩膜压在晶圆上被称为液体树脂的感光材料上,同时照射光线,一次性完成结构的转印的方法,被认为是微纳加工领域第三代最有前景的光刻技术之一。相较于极紫外光工艺,NIL新工艺无需使用EUV光刻机,也不需要使用镜头。由于NIL技术的微影制程较为单纯,耗电量可压低至EUV技术的10%,并让设备投资降低至仅有EUV设备的40% 。

图片来源:日经中文网

由此来看,一旦NIL量产技术达到5nm,或许可以弥补日本缺乏EUV光刻机的不利局面。

尼康DUV“一条道走到黑”

作为前霸主的尼康似乎更想从DUV光刻机上取得新突破。

在日前举办的第四届中国国际进口博览会(进博会)上,尼康展出了其最先端的ArF液浸半导体光刻机NSR-S635E。据介绍,该光刻机专为5nm工艺制程量产而开发,将提供卓越的叠加精度和超高吞吐量,以支持最关键的半导体设备制造,产品计划于2023 年起售。

NSR-S635E参数(图片来源:尼康官网)

而在今年10月,尼康还宣布正在开发下一代NSR-S636E ArF 浸入式光刻机。NSR-S636E 具有增强型在线对准站(iAS),它是集成在涂布机/显影器单元和光刻扫描仪之间的芯片预测量模块。S636E和 iAS 利用复杂的多点对准测量和高级校正功能,使设备制造商能够实现3D 设备结构所需的严格叠加精度,同时最大限度地提高浸入式光刻机的生产力。NSR-S636E非常适合尖端半导体制造,包括逻辑和存储设备、CMOS图像传感器应用等。

NSR-S636E(来源:尼康官网)

虽然当时尼康并未公布S636E更多的参数,但是作为NSR-S635E进阶版,S636E应该也是可以量产5nm芯片。

420亿日元,日本靠砸钱发力2nm

据日经3月报道,Canon等3家日本企业将和国家先进工业科学技术研究所合作开发下一代半导体。日本经济产业省还将通过自有资金投资约 420 亿日元来支持研究和开发,且将和台积电等海外厂商建构合作体系,期望借此重振日本处于落后的先进半导体的研发。

据了解,日本经济产业省的支持项目旨在,在 2020 年代中期建立宽度为 2 nm以后的下一代半导体的制造技术,将建立一条测试线,开发精细电路的加工和清洗等制造技术。

日本似乎已下定决心,试图通过“钱海战术”发展半导体产业。除了420 亿日元外,今年5月底,日本经济产业省还发布消息称,对于台积电在日本进行的半导体制造技术研究开发,将拨款约190亿日元(约合人民币11亿元)。

不过此次台积电在日本的晶圆厂主要专注于较成熟的22nm和28nm工艺,离2nm的先进工艺还是有点距离,但对于目前生产线仍停留在40nm以上的日本来说,不乏是追赶先进工艺的好机会。

东京电子加强外部合作,力争实现1nm量产化

在全球分工的形势之下,日本半导体企业也意识到了“闭门造车”技术突破百害而无一利,只有加强与外部的合作,才能有机会取得突破。毕竟连ASML也一直都在强调,开发EUV光刻新技术的过程中与涉足周边制程的设备企业展开合作的必要性。

近日,作为涂布显影设备领域的龙头,东京电子决定加强与外部组织合作,将参加比利时研究机构IMEC主导的联盟,与荷兰ASML等涉足半导体设备的大型企业推进新制程开发。

通过合作,东京电子把IMEC分享的数据应用于新设备开发。据日经中文网报道,东京电子的执行董事秋山启一表示,“能取得EUV数据的机会有限,与IMEC的合作非常宝贵”。此外,秋山据称力争通过开发新一代光刻系统,在2025~2026年之前实现1纳米线宽级别半导体的量产化。

据介绍,东京电子将在2022年内向IMEC提供在半导体晶圆上进行感光剂(光刻胶)涂布和显影的新型“涂布显影设备(Coater Developer)”,计划在IMEC和ASML运营的荷兰研究所,搭配新一代EUV(极紫外)光刻设备使用。

03、“全员全球龙头”的底气

不打无准备之仗。没有EUV却敢迈向先进工艺,底气或许源自那堪比“全员龙头”的EUV周边设备产业链。例如:生产光刻胶的JSR、东京应化工业、信越化学、住友化学、富士胶片;制造光掩膜设备的Lasertec(レーザーテック);制造涂布显影设备的东京电子;制造光掩模的凸版印刷、DNP、HOYA;制造空白掩膜版的AGC、HOYA等。

图片来源:乐天证券

在EUV光刻机的配套设备中,光掩膜缺陷检测设备和涂覆显影设备的重要性不言而喻,而这两个领域分别被Lasertec和东京电子绝对垄断,市场份额皆为100%。

EUV光源系统发展至今,主流的EUV光源已确定为激光等离子体光源(LPP),目前只有两家公司能够生产,一家是美国的Cymer(已被ASML收购),另外一家就是日本的Gigaphoton。Gigaphoton原为小松公司和Ushio公司各占50%股份的合资公司,2011年,小松从Ushio公司手中收购Gigaphoton余下的50%股份,如今Gigaphoton已成为小松的独资企业。

在光刻胶方面,日本将半导体材料的垄断地位表现得淋漓尽致。日本水户证券消息显示,JSR、东京应化工业、信越化学、住友化学、富士胶片这5家公司占据了9成世界市场份额。而其他材料方面,日本还有东洋合成工业、大阪有机化学工业等。

图片来源:水户证券

在全球半导体光掩模市场中,日本也处于领先水平,拥有凸版印刷、DNP、HOYA等企业。资料显示,全球光掩模市场一年市场规模约 35 亿~40 亿美元上下。主要供应商以美日大厂为主,其中日本凸版印刷、DNP、美国 Photronics 三家就占了 80% 以上的市占率,其他还有日本豪雅 HOYA、日本 SK 电子、台湾光罩等。

图片来源:长江证券

此外,全球空白掩膜版市场也被HOYA和AGC两家日本公司垄断,HOYA市占率超过50%。

图片来源:乐天证券

从上图可以看出,在清洗设备、检测设备、切割设备等方面,日本大厂的份额也都不少。

如此罗列下来,日本在EUV周边设备产业方面,笔者称之为“全员全球龙头”也不为过。

04、写在最后

在中美摩擦以及芯片紧缺的影响下,日本也意识到半导体产业的重要性,多措并举向着复兴半导体产业迈步。

政府层面,通过“钱海战术”成功吸引了拥有最先进半导体技术的台积电建厂,并鼓励企业研发2nm先进工艺。而企业层面,虽没有光刻机,但佳能、尼康、铠侠、东京电子等大厂依旧没有放弃研发先进工艺。

但是需要注意的是,日本当前存在的课题是能否通过吸引外资企业和促进投资来强化半导体产业基础。终端对上游产业链拥有绝对的话语权。过去日本半导体产业因错过以PC和手机为代表的消费电子时代,而失去了对整个产业链的话语权。如果汽车、传感器等使用半导体的终端需求不能扩大,那么复兴半导体产业也就无从谈起。