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日本半导体产业的文艺复兴之路(二)

日本政府倾力支持的半导体发展计划,对日本的半导体产业显然有长期规划的愿景。

日本政府引进国外半导体业者投资的效果相当显着,几乎国际间各大半导体制造公司都报到了。另外本土公司联盟组成的公司Rapidus也将目标置于尖端制程的开发。 
 
这些晶圆厂的兴建对日本半导体的贡献,刚开始时比较是稍为间接的。在恢复产业生态、扩大机器设备、材料内需市场、以及支持日本IC设计公司方面等都当然有帮助,但是对于自有的先进制程研发却得看Rapidus的表现。 

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Rapidus一开始就瞄准2纳米nanosheet GAAFET(Gate All Around FET)的最先进制程,和IBM与IMEC合作,预计在2027年左右量产。1.5/1纳米需要不同的晶体管结构,将和LETI(Laboratoire d’Electronique des Technologies de l’Information)合作,用2维材料过渡金属二硫属化合物(Transition Metal Dichalcogenides;TMD)当成晶体管中通道(channel)材料。 
 
Rapidus面临的挑战之一是参与制程研发的各方皆无量产经验。

IBM最后的量产晶圆厂卖给格罗方德(GlobalFoundries)是2015年,其他各方要不是新创,要不就是实验室类型的研发机构,要走矢量产注定要多花一些工夫。 
 
然而,Rapidus最大的挑战是有无办法快速地建立规模经济(economy of scale)。先进制程的研发极其昂贵,代工厂其实是以用IC设计公司客户资金实施众筹,进行下时代制程研发。因而到14纳米以下,全球市占不足的公司纷纷停止先进制程的竞逐。 
 
对于2纳米以下的先进制程的开发尤为如此。2纳米是nanosheet GAAFET,1.5/1 纳米是2D通道晶体管,1 纳米以下可能是CFET(complementary FET)。几个时代间的晶体管的结构、材料、制程都是翻天覆地的大变化,若无足够大的市占便无法产生足够的盈余,无力推动下时代制程的开发。即使凑了开发费用,没有足够的市占也无法回收,遑论建立代工生产所需要的诸多生态环境如设计服务、先进封装等。 
 
先进晶圆厂的建立无疑的会提高日本机器设备厂商的市占率,有些晶圆厂已经设立日本国内设备采购占比的目标。 
 
这个因素影响相对比较轻微,重要的是日本在黄光这一大区块是否能重新启动。

2023年Cannon推出纳米压印(Nano Imprint Lithography;NIL),分辨率可以达到5纳米,预计2025年会先在NAND Flash的制造中使用,但是预计无法完全取代EUV。要打入DRAM及逻辑线路的市场还要在对准(overlay)以及粒子(particle)问题上下工夫改善。 

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另外一个领域是日本有机会得分较多的是先进封装设备。日本的先进封装设备相对领先,而制程持续演进、先进封装、新材料是现代半导体经济增值的三大支柱。先进封装市场的自然增—譬如现在当红的生成式AI(generative AI)就一定要使用先进封装—自然提升在此领域的优势厂商的市占表现。 
 
最后是材料。

日本于此部分环节犹仍如日中天,却有危机隐然浮现。明处的是来自于国内的威胁,国内的材料基础科研发表论文占全世界约14.5%,比美国多1倍,而国内目前正在进行材料、设备的自主化。这一定会影响到日本,只是时间早晚的问题。 
 
更深层的理由是材料的合成与制造正在经历典范转移。第一原理计算(first principles calculation)、AI与量子计算等用计算的方式正在逐渐颠覆传统的合试误方式,工艺精神的优势正在逐渐弱化。虽然日本于先进计算并不落后,譬如富士通(Fujutsu)用数码退火(digital annealer)来辅助材料开发仍然领先全球,但是产业的典范移转就意味着变动的可能性。 
 
先进半导体材料的应用考虑与传统材料有些差异:材料界面性质到与块材(bulk)性质至少一样重要,而且很多材料的使用是依赖半导体制程设备。 
 
日本的材料研发比较愿意做长期部署,而半导体厂商求的多是短期内有机会进入应用的材料候选人,这二者密切的结合,会深度地互相嘉惠对方。 先进晶圆厂在日本开始发展的新闻中最令我有感的是台积电与三星电子(Samsung Electronics)都在日本设立材料实验室,这可能是对日本材料产业最大的立即助益,而且助益是互相的。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。