今天小編分享的科技經驗：日本半導體的秘密武器：迷你晶圓廠，歡迎閲讀。
題圖來源：視覺中國
回顧歷史，日本半導體的确存在過稱霸全球的時代。在距今 37 年前的 1986 年，當時的全球半導體銷售額排名 TOP3 如下，NEC、日立制作所、東芝。而且，富士通、松下電子工業、三菱電機等企業也表現極佳，可以説當時的日本企業是絕對的全球第一。
但是，後來發生了一些 " 令人不愉快的事情 "，如，1945 年二戰後，曾創造出零式戰鬥機的日本航空產業被迫解體，美國甚至主導了 " 摧毀日本汽車 " 的活動，并壓迫曾經一度輝煌的日本工業技術（產業）。連續多年，美國 " 巨人 " 持續威脅日本。
當時的日本的确在安全方面對美國造成了威脅。理由如下，由于半導體對于生產武器（如導彈等）極其重要，如果半導體皆由日本生產，對美國而言的确存在 " 安全保障 " 方面的威脅。
1971 年的全球半導體銷售額排名如下，TOP1 為 TI（德州儀器）、TOP2 為摩托羅拉、TOP3 為仙童半導體，以上均為美國企業。由于日本僅靠短短的 15 年就超過了美國，因此 " 日本威脅論 " 開始泛濫。
雖然面臨着美國的管控，1989 年全球半導體銷售額排名中，TOP3 依然被 NEC、東芝、日立制作所霸占。由于日本企業沒有被 " 打敗 "，所以在 1991 年，日美之間又締結了《第二次半導體協定》。
即便是再強的日本企業，也無法抵抗美國勢力的二次打壓，終于在 1992 年将全球半導體銷售額 TOP1 的 " 寶座 " 讓給了美國英特爾。
相反，沒有受到美國壓力威脅的韓國半導體產業獲得了飛速發展。據報道，1998 年，韓國、日本半導體的年度銷售額幾乎持平。即，如美國所願，日本的半導體產業被打敗了！
但是，日本并沒有因為美國的打壓而一蹶不振。
享譽全球的材料、設備
二戰後，美國顧忌日本的零戰戰鬥機，并執意摧毀，但日本的航空產業并沒有完全被打敗。本田噴氣飛機（Honda Jet）、三菱 Space Jet（MRJ）僥幸存留下來。全球大型客機市場上，美國波音和歐洲的 Air Bus 占有壓倒式優勢。軍事應用方面沒有日本企業的身影。
但是，上述客機卻搭載了諸多日本廠家的零部件。另外，除飛機以外，日本企業對其他制造業（如汽車行業）的貢獻也不可小觑。日本把原應集中在航空領網域的資源轉移到了以汽車行業為代表的其他諸多領網域，并獲得了極大的成功。
在半導體行業，日本企業采取的依然是 " 背後支援 " 政策，即避開 " 耀眼 " 的完成品市場，專注于設備、材料等 " 背後市場 "。
眾所周知，在硅晶圓領網域，也是半導體的基礎領網域，日本的信越化學工業和 SUMCO 位居業界前兩位，坐擁 50% 以上的市場份額。此外，如諸位在新聞中看到的一樣，美國管控對華出口尖端半導體生產設備，而且，同時要求荷蘭和日本與美國保持同步。目前，尖端半導體生產設備被日本、美國、荷蘭三國霸占。另外，在全球 TOP10 的廠家中，日本企業占四家。
" 生產設備 = 操作機械 "" 零部件 & 材料 " 是生產半導體設備的必須項。
據 2022 年 11 月 28 日版的《全球作業設備廠家排名 TOP10》介紹，在全球工業設備 TOP10 中，日本企業占五家。中國、韓國廠家也入圍 TOP10，但在高精度設備方面，幾乎沒有廠家可以與日本企業抗衡。
另外，在某些細分領網域，日本企業的表現也極佳。
例如，日本企業在光刻膠（Photo Resist）、光掩膜版（Mask Blanks）、光掩膜版檢測設備領網域的市占率幾乎達到 100%。另外，在光掩模、掩模版貼膜（Pellicle）、光掩模檢測設備、EUVL 方向硅晶圓等方面，日本企業也具有極強的優勢。
此外，當年日本禁止對韓出口 " 氟聚酰亞胺 "" 光刻膠 " 和 " 高純度氟化氫 " 三種半導體材料，幾乎震撼了整個韓國的半導體產業。
雖然韓國曾一度提倡國產化，但至今已經過去四年，韓國仍然不能生產出純度為 99.9999999999％（12 個 9）的產品。正如路 - 透社于今年 3 月 16 日發布《日本解除對韓出口半導體材料的限制，韓國撤銷向 WTO 提出的控訴》的一樣，日本政府 " 賣了一個情面 "。
BS WORLD 在 2020 年 1 月 10 日發布文章《液體氟化氫 ~ 日本政府時隔半年允許出口》，并指出日本的森田化學、STELLACHEMIFA CORPORATION 等公司的高純度液體氟化氫市占率達 80% 一 90%。
2019 年 7 月 3 日，路 - 透社披露文章《日本限制對韓出口的材料及其重要性》，文章指出，日本生產了約全球 90% 的氟化聚酰亞胺、70% 的蝕刻氣體、90% 的光刻膠。
不過，日本的優勢材料不僅上述三種。據日本《電子 Device 產業新聞》7 月 7 日文章《終于迎來了半導體材料登場的時代》指出，日本企業提供了全球過半的半導體材料。
" 迷你晶圓廠 "，助日本重回巅峰？
雖然日本正在打造 2nm 的晶圓廠，并和台積電合資在日本建廠，但在很多人看來，這并不是一個很行之有效的方式。對于日本的半導體行業而言，可通過充分發揮設備、材料優勢，發展完成品（半導體）產業。而可擔此巨任的力量，就來自 " 迷你晶圓廠 "。
業界普遍認為，半導體生產需要巨額投資。一方面，台灣集成電路公司（TSMC）等企業的半導體代工業務（Foundry）在業内發展的如火如荼；另一方面，長期以來不斷增長的需求導致半導體交貨期愈來愈長。為解決半導體行業的交期長、對應速度慢的課題，日本產業技術綜合研究所（產總研）自 2008 年就開始研發 " 迷你晶圓廠 "。" 迷你晶圓廠 " 具有可進行少量、多品種生產的特色，為半導體生產行業帶來了新趨勢。
一直以來 " 迷你晶圓廠 " 僅用于生產試做品，為了盡快應用于量產，2022 年 12 月日本產總研的研發人員成立了 "Hundred Semiconductors 公司 "（總部位于日本千葉縣柏市）。公司名稱即包含了 " 可為客户提供多種半導體 " 的含義。其代表董事居村史人先生表示：" 我們計劃創造一個可供所有人設計、生產半導體的世界 "。
" 迷你晶圓廠 " 的優勢在于可生產任意數量的半導體，哪怕是一顆。與一直以來的大批量生產不同，其優勢在于少量、多品種生產。
" 迷你晶圓廠 " 不使用傳統的大尺寸晶圓，而是在直徑為 12.5cm 的 "Half Inch Wafer" 上制作線路。生產設備的尺寸為 30cm（寬）*144cm（高）*45cm（深），且可利用該設備進行曝光等諸多制程，同時也可以與 "Mega Fab（巨型晶圓廠）" 的設備并用。由于各道工序中使用的設備的尺寸基本類似，所以可利用機器人在各設備之間搬運晶圓。
此外，" 迷你晶圓廠 " 内還配有可密封 "Half Inch Wafer" 的 " 迷你穿梭機（Minimal Shuttle）"，因此不需要潔淨室（Clean Room）。雖然很難适用于超尖端半導體的生產，但生產傳感器、微機電系統（MEMS）等產品是綽綽有餘的。
" 迷你晶圓廠 " 的優勢之一是可削減設備投資。一般，巨型晶圓廠需要投資數千億日元（甚至更高）的設備投資。另一方面，" 迷你晶圓廠 " 的投資目标為其的 1/100~1/1000。由于各類設備的尺寸都較小，因此既不需要大規模的工廠用地，也不需要用于形成線路的 " 光掩模 "，所以與巨型晶圓廠相比，成本差異是天壤之别。
此外，" 迷你晶圓廠 " 的交貨周期也極短。對大規模半導體生產而言，從生產到交貨的時間極長；" 迷你晶圓廠 " 采取的是在必要的時間内、生產必要的量的 "Just In Time" 模式。
上述特征最有望在 IoT（物聯網）等方向的少量、多品種半導體的生產中發揮作用。居村代表董事表示：" 由于客户訂單量少，因此我們可以對應 Foundry 無法對應的小額訂單 "。
產總研自 2008 年啓動項目後，一直在研發生產設備和 "Half Inch Wafer" 等。同時，為盡快推廣 " 迷你晶圓廠 "，2017 年產總研成立 " 迷你晶圓廠推進機構 "（位于日本茨城縣築波市），但進行速度較緩，理由是沒有找到使用 " 迷你晶圓廠 " 生產半導體的 " 玩家 "，居村代表董事明确表示：" 我們很早就将生產設備和 "Half Inch Wafer" 實現了商用，但是沒有尋找到可以熟練使用迷你晶圓廠的人才和企業。"
為進一步推廣 " 迷你晶圓廠 "，"Hundred Semiconductors 公司 " 将目光集中于半導體的試作品以及大型晶圓廠無法安排的訂單。" 迷你晶圓廠 " 正在通過一步步解決課題，如進行復雜的經營決策（如準确預測客户需求、判斷投資可行性等），從試做邁向量產。通過接收巨型晶圓廠無法吸收的訂單，進一步實現推廣。
如今，"Hundred Semiconductors 公司 " 正在積極推進半導體的設計、試做、量產活動。通過和客户共享經驗，以實現普及生產技術的目标，同時，還會繼續提升改良試作品的速度，以盡快向量產品邁進。
此外，產總研也在推進研發可用于 " 迷你晶圓廠 " 的設計軟體。其目标是在一年内研發出用于互補金屬氧化物半導體（CMOS）方向的 PDK（Process Design Kit）。同時，為了更易于使用，還考慮将基本的線路設計标準化，并率先應用于研發方向。未來，将由產總研的臨海副都心中心（日本東京都江東區）、築波中心（日本茨城縣築波市）進行試作品生產。
此外，產總研還在挖掘新應用。如，考慮到消耗的電力問題，產總研在讨論填補集成電路（FPGA，可進行編程）無法滿足的需求，目标是提供和普及更多上述設計、制程研發服務。產總研方面表示：" 我們可靈活對應、滿足客制化需求 "。
如今，產總研已經完成了對前端工序（形成線路）、鍵合（Bonding）等工藝的研發。未來五年的目标是将封裝基板集成于 "Half Inch Wafer" 上。以更小的面積封裝半導體、削功耗，同時發掘更多應用場景。
為進一步推廣 " 迷你晶圓廠 "，產總研的目标是在未來五年後，擴大 "Half Inch Wafer" 的生產量，實現年產 5 萬片。未來，不僅要有自己的生產據點，還要自行進行生產。居村代表董事指出：" 對參與了推進機構的企業而言，迷你晶圓廠不過是他們的一個選擇項，我們會充分發揮帶頭人的作用，推廣此類生產模式 "。
半導體行業的主基調一直是 " 大量生產、大量消費 "，但 " 迷你晶圓廠 " 可以在必要的時候，為客户提供需求的數量。但另一方面，也面臨着需要深挖客户群、培養具有多重需求的客户群的課題。同時，產總研也在努力研發技術，以為眾多客户提供半導體的生產、設計服務。
參考鏈接：
https://news.yahoo.co.jp/articles/5553257dc256e524e8e8016af5f24157832121e8
https://newswitch.jp/p/36866
本文來自微信公眾号：半導體行業觀察 （ID：icbank），作者：編輯部
