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日本半导体设备和资料为何那么强?

发布时间:2022-01-07 09:35:31 来源:环球体育拉齐奥网址最新app下载

  12月17日,在“SEMICON Japan 2021 Hybrid”的Semi Technology Symposium的顶级资料、设备的剖析环节,笔者做了标题为《日本的半导体设备、资料的竞争力与其根本原因》的讲演。可是,笔者拿手的范畴在于半导体的前段工序,关于后段工序以及封装方面,笔者不是很了解。所以,有关后段工序、封装方面的讲演,由龟和田忠司先生担任,咱们二人共同完结了讲演(下图1)。龟和田忠司先生在英特尔作业三十多年,有着丰厚的经历。

  图1:半导体的出产工艺、在SEMICON Japan上讲演作业的分配。(图片出自:eetimes.jp)

  笔者与龟和田先生首要决议了讲演内容的结构,从八月份开端历经四个月的时刻预备了此次讲演。讲演内容的结构大致如下:

  笔者(汤之上 隆)与龟和田先生协作完结了本次讲演。两人历经四个月的时刻,调查和研讨以上内容,终究得出了精彩的定论。一言以蔽之,日本人和欧佳人之间悬殊的思想方法、举动方法与设备、资料的占比有很大的联系。

  尽管半导体的前段工序中有500逐个1,000(乃至更多)道工艺,可是工艺却很简略(下图2)。首要以直径为200毫米逐个300毫米的硅晶圆(Silicon Wafer)为基板,然后进行以下规矩的工序(重复30次逐个50次,乃至更多):清洗→成膜→光刻构成线路(Lithography Patterning)→蚀刻(Etching)→抛光(Ashing)或许清洗→检测。除以上工艺之外,还有离子注入、热处理、CMP等工艺。

  经过前段工序,在硅晶圆上构成晶体管、电容、排线D 结构。此外,在硅晶圆上一起构成约1,000个芯片(Chip)。

  前道工序中运用的首要设备的厂家如下图3所示,日本企业占比较高的有涂布显影设备(Coater & Developer,92%)、热处理设备(也被称为“纵型分散炉”,93%)、单片式清洗设备(63%)和批量式(Batch)清洗设备(86%)、测长SEM(80%)等。此外,日本在CMP设备方面尽管不占有TOP 1的优势,但日本的荏原制作盗匪逻辑半导体方面占有30%的市占率,因而,CMP设备归于日本企业占比较高的规模。

  图3:在半导体前段工序中,各家企业在各类设备中的占比,以及日本企业的占比。笔者依据野村证券的数据制作了此图。(图片出自:eetimes.jp)

  可是,日本企业在干蚀(Dry Etching)设备、CVD设备和溅射等成膜设备、各类检测设备方面的占比较低。可是,这些设备选用了许多日本产的零部件。其间,选用最多的是石英产品、陶瓷产品等。

  其次,前段工序中运用的首要资料的企业占比方下图4所示。日本企业在硅晶圆、各类光刻胶、各类CMP粉浆、各类高纯度溶液等产品中的占比极高。能够说,日本各家资料厂商的气势绝不亚于设备厂家,存在感极高。

  图4:在半导体前段工序中,各家企业在各类资猜中的占比,以及日本企业的占比。制作此图笔者得到了许多日本资料厂家的帮忙。(图片出自:eetimes.jp)

  如上所示,日本企业在设备方面的占比特别高,即便是占比较低的设备,其选用的零部件也多为日本制作。此外,就大部分资料而言,日本企业的占比是比较高的。依据以上内容,咱们将日本占比较高的、较低的产品进行分类。

  榜首类下有两小类,其一,旋转晶圆的单片式设备和相关液体资料。详细而言,涂覆显影设备(Coater & Developer)、光刻胶(Resist)、CMP(Chemical Mechanical Polishing,化学机械抛光,用于逻辑半导体)和浆液、单片式清洗设备和各类药液。上图中黄色箭头为相关联系。

  其二,另一种设备是晶圆本身不旋转,气体和液体在设备内部循环(即为旋转),首要为批量式清洗设备和纵型分散炉。

  就纵型分散炉而言,大多选用石英零部件。而日本企业在石英资猜中的占比极高。相似的还有硅晶圆和各类陶瓷产品。这些产品的共同点如下:加热后凝结的资料、零部件。

  如上所示,咱们对日本企业占比较高的设备、资料、零部件进行分类后发现,日本企业在化学范畴(而不是物理)发挥了充沛的优势。

  咱们将日本企业占比较低的设备进行分类后,如下图6所示,一言以蔽之,日本企业基本上是在 “干(Dry)设备”方面的占比较低(除掉ArF液浸),此处首要有两点。

  1.在运用了光、电子束(Beam)的设备方面,日本企业的占比较低,这些归于检测设备、曝光设备。可是日本企业在CD-SEM方面的占比较高,因而此处为破例。

  2.在运用了等离子(Plasma)的真空设备方面,日本企业的占比较低,详细而言,有干蚀刻(Dry Etching)设备、CVD设备、PVD设备(溅射设备),此外,最早进的曝光设备逐个EUV(极紫外光)曝光设备也隶归于此范畴。

  以上这些设备的特色如下:不是把晶圆卡(Chuck)在Stage上移动,即便晶圆移动了,也仅有XY轴方向的移动,不会旋转晶圆。此外,能够断语,日本企业在“物理(而非化学)”相关的设备方面占比较低。

  至此,咱们现已展现并归类了日本企业占比较高的范畴和较低的范畴。下面咱们剖析一下为什么会呈现这种现象。

  为了完结剖析,咱们采访了20位出产设备、资料范畴的专家逐个“为什么这个范畴的设备、资料的占比高或许低”?其时,咱们倾听到了丰厚的见地。笔者将收集到的见地和自己的认知汇总出下图7。

  首要,日本企业占比较高的产品有以下:液体、流体、粉末,产品开端的形状不是固定的,且“质地柔软”。因而完结优化的规范十分多,且十分杂乱。在这种状况下,日本人依据自己的经历和直觉,得出最合适的见地。即,许多无法完结规范化的“隐性获益良多”、“技巧”终究演化成了“匠人、工匠精力”。

  此外,以上这些范畴都需求在车间里不断的改进和改进,且仔细、极具忍耐力的日本人优化了每个细节。终究,以自下而上(Bottom Up)的方法,出产出设备、资料、零部件。因而,能够说这便是日本企业占比较高的根本原因盗匪。

  另一方面,在日本企业占比较低的范畴,即AMAT(美国运用资料)、Lam Research(Lam,泛林集团)、KLA(科磊)、ASML(阿斯麦)四家欧美企业是怎么研制的呢?

  首要,他们依据商场(Marketing),掌握需求(Needs)。并且,各类设备在开端研制阶段都有科技(Science)成分存在。在需求(Needs)和科技(Science)的引领下,依据强有力的自上而下(Top Down)的领导方法,构架整个设备。且多以模组化(Module)的方法呈现。

  别的,在研制设备的各个阶段,进行模仿(Simulation)试验。一起,将技能(Technology)和技巧(Know How)“软件化”,融入设备。终究,将以上元素会聚于一体,出产出具有全球规范的设备。因而,能够看出,欧美社会的“坚固强势”的“契约精力”被反映得酣畅淋漓。

  整体而言,大部分日本的设备厂家是为各个半导体厂家“量身定制”设备,而欧美的设备厂家基本上是仅出产一种具有全球规范的设备。总而言之,在设备研制方面,日本企业呈发散趋势、欧美企业呈集约趋势,截然不同。因而,日本企业在液体、流体等形状不固定的资料方面占有较高比例,而欧美厂家在运用光、电子束(Beam)、等离子的真空设备方面占有较高比较的原因正在于此。

  至此,咱们论说了日本人和欧佳人在设备研制等方面的不同点。日本人、欧佳人在思想方法和举动方法方面的差异,直接影响了他们对设备的研制。

  首要,欧佳人是理论先行。并且,在研制初期,进行充沛的评论,然后才固定一条政策。在此根底上,发明规矩(Rule)、情节(Story)、逻辑(Logic)。反过来说,欧美技能人员的部属们比较蠢笨、做试验的水平也不高(倒不如说,欧美的文明便是技能人员不做任何试验,而是把试验交给一种被称为Technician(技师)的人员)。

  另一方面,日本的技能人员以超卓的感知和经历为根底,直接亲身动手做试验。此外,日本人很拿手在固定的结构内优化某个项目。可是,日本人不拿手制作规矩和规矩。

  如上所述,日本人和欧佳人在思想方法、举动方法方面截然不同,且这与他们在设备等范畴的占比有很大的联系。

  至此,就半导体出产的前段工序,咱们剖析了日本企业占比较高(较低)的范畴、详细比例、分类、原因。

  接下来,咱们证明后段工序。在论说后段工序之前,咱们会先谈以下内容:跟着3D封装(3D Packing,以下简称为“3D IC”)年代的到来,在前段工序、后段工序(封装)中心,呈现了Paradigm Shift(模范搬运)。

  在笔者担任微缩化加工技能员的1987年逐个2002年期间,并没有特别介意后段工序和封装范畴。此外,在笔者担任同志社大学运营学教师的2003年逐个2008年期间,方案对后段工序进行调查时,相关人士说:“您知道《士农工商、后段工序》吗”?

  即,在半导体工艺的国际里,有清晰的“等级制度(Hierachy)”(如下图8)。在2010年前后,半导体前段工序处于绝对优势。其间,光刻技能人员是所谓的“香饽饽”,乃至呈现了以下言辞:“没有光刻、就不会有蚀刻”、“只需做好光刻,就会经过后边的工艺主动做成晶体管”。

  图8:前段工序和后段工序的Paradigm Shift(模范搬运)。(图片出自:eetimes.jp)

  此外,乃至都没有把后段工序(封装)放入前段工序的“士农工商”序列,正如日本江户年代的“最底层的贱民”相同,被看做是坐落社会底层的最底层(笔者以为自己也是其间的一员)。

  就3D IC研制而言,最早进行研制的是封装规划。融入3D IC的SoC(System on Chip,体系级芯片)、GPU、DRAM等芯片现已完结产品化。要出产出以上“产品”,需求前段工序的技能要素。这样,前段工序和后段工序(封装)之间就呈现了Paradigm Shift(模范搬运)现象。

  可想而知,后段工序(封装)开端引起人们的重视,那么,日本企业在此处的设备、资料的占比方何呢?

  下图9是半导体后段工序的概要。在前段工序中,在单颗晶圆上构成1,000个左右的芯片(Chip),而在后段工序中,经过裁断(Dicing)工艺,将一颗颗芯片(Chip)切开出来,封装到IC载板上,再进行各类测验,终究完结产品。

  此处,与前段工序不同、后段工序中相对杂乱的是有机基板(一般为有机基板,用于搭载芯片,听说因用处、企业不同而不同)。即,后段工序中没有像前段工序中的硅晶圆(Silicon Wafer)那样的全球规范,因而,要了解后段工序是有难度的。

  此外,与前段工序的技能节点(Technology Node)比较,后段工序的规划规矩(Design Rule)有三位数的差异(前段工序为纳米级、后段工序为微米级,如下图10)。就现在而言,TSMC在前段工序中现已开端量产5纳米节点,而后段工序中运用的有机基板的规划规矩还停留在5微米。

  图10:半导体前段工序的技能节点和后段工序的规划规矩之间的差异,封装的附加值。(图片出自:eetimes.jp)

  那些彻底沉浸于“唯微缩化是最重要的工艺”主意的前段工序的技能人员看了上图后,或许会有人以为“半导体后段工序也便是MEMS的水平”。其实,这是大错特错!假如后段工序中的有机基板的规划规矩能够紧跟前段工序的微缩化开展,那么,封装的终究产品就能够卖个好价钱!

  那么,假如封装技能没有跟上前段工序中的微缩化技能,就会严重影响终究产品的销售价格!此处,便是封装的最大附加值!也便是说,并不是仅开展微缩化就足够了。

  后段工序(封装)相关的“玩家”、决策人、流程都是十分杂乱的。请看下图11,咱们把英特尔的用于服务器方向的处理器(Processor)作为一个案例来剖析。

  就后段工序的工艺而言,既有OAST(Outsourced Semiconductor Assembly and Testing,外包半导体产品封装和测验)封装的状况,也有英特尔自行封装的状况。为了易于读者了解,咱们假定悉数由OSAT进行封装。

  (2)被英特尔选定的味之素Fine-Techno、三菱气体化学等基板资料厂家把基板资料供应由英特尔选定的基板厂家(揖斐电电子、新光电气)。

  (3)揖斐电电子、新光电气依据英特尔的标准要求,出产有机基板,然后将基板出货给日月光(ASE)、安靠(Amkor)等OSAT厂家。

  (4)OSAT再收购各类用于后段工序的设备、资料,如DISCO(迪思科)的切开设备(Dicer)等。

  如上所示,即出产出了英特尔的用于服务器的处理器(Processor),那么,日本企业在有机基板资料、有机基板、后段工序资料、后段工序设备范畴中的占比方何呢?这些范畴中有哪些首要“玩家”呢?

  下图12 各家企业在有机基板资猜中的占比,就用于低端、一般印刷线路板(Printed Circuit Board, PCB)的铜箔压层板而言,日本企业的市占率简直为零,简直被我国大陆、台湾的企业“分割”。

  图12:上图榜首行黄色部分为“我国台湾”、绿色部分为“美国”、榜首行和第二行的最右侧褐色部分为“其他”,第二行中心赤色部分为“韩国斗山集团”。各家基板资料厂家的市占率和日本企业的市占率。出自富士总研《2019电子封装新资料便览》、2018年销售额实绩、日本资料厂家信息、AZ Supply Chain Solutions。(图片出自:eetimes.jp)

  就用于高端封装的铜箔压层板而言,日本企业占比为65%(乃至更多);就用于封装的压层(Build Up)资料和用于封装的阻焊剂(Solder Resist)而言,日本企业简直“强占”了100%的商场。

  下图13是全球首要基板厂家,大部分基板厂家都会集在亚洲地区。其间,日本的揖斐电电子(IBIDEN)、新光电气(Shinko)的技能特别超卓,假如没有这两家公司,就无法出产出用于服务器的处理器(Processor)。总而言之,揖斐电电子、新光电气是绝无仅有的存在。

  下图14是各家企业在各类后段工序资猜中的占比。就边框(Lead-frame)而言,日本的占比仅为37%。可是,就作为封装资料的塑封资料(Mold)而言,日本占有65%以上的市占率,此外,就TSMC研制的用于苹果手机的InFO(Integrated Fan-Out WLP,集成扇出型晶圆级封装)等资料、用于FOWLP(Fan Out Wafer Level Packaging,扇出型晶圆级封装)的塑封(Mold)资料而言,日本企业占有88%的比例。此外,日本企业在底部填充资料(Under-fill)中占有92%的比例,也近乎“独霸”。

  终究,下图15是各家企业在后段工序设备中的占比。日本企业在半导体切开机(Dicer)方面占有90%的占比;日本企业在芯片焊接机(Die Bonding)方面的占比仅有10%;在塑封设备(Molding)方面占有65%的比例,测验设备为55%,都过半。

  如上所述,在有机基板资料、有机基板、后段工序资料、后段工序设备中,总的来说,日本企业的市占率颇高,在全球规模内具有较强的竞争力。

  榜首,日本企业专心于某一项资料、某一种设备,且具有获益良多产权,占有压倒性优势,是其他企业远不能及的。举例来说,迪斯科(Disco)的切开设备(Dicer,80%),味之素Fine-techno的封装压层(Build-up)资料(96%),太阳油墨(Ink)的用于封装的阻焊剂(Solder Resist,85%)等。

  第二,日本企业专心于高端技能,运用国际一流的技能,成为其他企业无法赶超的职业榜首。比方说,三菱气体化学(30%)、昭和电工资料(30%)的用于封装的铜箔压层板,揖斐电电子和新光电气的有机基板等。

  第三,有的企业触及多个范畴(如设备、工艺、资料等),经过供给多种资料为客户供给综合性的解决方案(Total Solution)。最具典型性的便是昭和电工资料,其经过JOINT Consortium(联合国际财团)的方法,成功为多家客户供给多种资料。此外,供给铜箔压层板和塑封资料的住友电木株式会社也是其间的典型代表。

  综上所述,具有较高市占率的企业都至少能供给三种产品,其根本原因正如文章最初所述的日本的特色:诚笃地出产制作和宏伟质量、结壮的研制才能、尽心竭力满意客户需求的情绪等。这些都是日本企业取得较高竞争力的源泉。能够说,日本人的思想方法、举动方法促进了日本企业取得如此高的市占率。

  文章至此,咱们现已别离剖析了在半导体前段工序、后段工序(封装)、相关设备和资猜中,日本企业的占比、缘何有如此高(或许低)的占比。

  在半导体前段工序中,日本企业在触及液体、流体、粉末等不具详细形状的设备和资料方面,具有较高的市占率。另一方面,在触及光、电子束(Beam)以及等离子(Plasma)设备方面,日本企业不占优势。笔者以为,这些市占率的凹凸是由日本人与欧佳人思想方法、举动方法的不同直接相关。

  在后段工序(封装)中,就有机基板资料、有机基板、后段工序相关设备和资料而言,能够看出日本企业的占比是极高的。将这些企业分类后,发现以下趋势:有的企业专心于某一特定职业并取得其他企业无法比肩的优势、有的企业以国际一流的技能取得压倒性的优势、有的企业发力多个范畴且都取得了较高的市占率。

  此外,与前段工序相同,在后段工序(封装)中,日本企业的竞争力来源于日本技能人员仔细、诚笃的制作情绪等独具特色的日本精力。能够说,日本人的思想方法、举动方法直接推动了日本企业的较高市占率。

  确实,现在的日本企业在前段工序、后段工序(封装)中具有较高的市占率,未来能否持续坚持下去呢?

  那些怀着“咱们公司是国际榜首”高傲情绪的企业终究却走向失利的案例不乏其人。能够举出的半导体职业的案例如下:在上世纪八十年代,日本的DRAM事务可谓全球榜首;日本的SoC事务在2010年后近乎覆灭。

  在设备和资料范畴亦是如此,韩国和我国正举全国之力在加快完结国产化。此外,欧美国家正加快运用人工智能(AI)来开发设备和资料,他们都很有可能会凌驾在日本的匠人精力之上。

  为了持续坚持和进步日本企业现有的较高市占率,有必要毫不懈怠地不断研制。依据需求,乃至能够采纳欧美企业的研制方法。

  笔者在本年6月1日的众议院讲演中,提出了“应该让优势更强”的观念!笔者以为,日本的各家资料厂家、设备厂家应该充沛发挥和加强本身的优势、半壁江山,以在3D IC年代充沛发挥本身的竞争力。