半導體產業新主角競爭(上)

《日經》報導分析,世界半導體大型企業英特爾和台積電(TSMC)等的尖端開發的情況正在改變。僅憑縮小電路線寬、提高集成度的「微細化」已不能跟上性能提高的需求,日趨需要新技術。在半導體技術的新主角亮相的背景下,日本的設備和材料企業也在迎來商機。

3D技術競賽

世界半導體大型企業英特爾和台積電(TSMC)等的尖端開發的情況正在改變。僅憑縮小電路線寬、提高集成度的「微細化」已不能跟上性能提高的需求,日趨需要新技術。各企業競相開發的是將多個晶片堆疊起來,提高性能的三維(3D)技術。在半導體技術的新主角亮相的背景下,日本的設備和材料企業也在迎來商機。

「要讓産品水平符合‘摩爾定律’,封裝技術的升級變得重要」,2021年12月在東京發表演講的英特爾高管佩恩·巴依(音譯)呼籲日本設備和材料廠商提供協助。

摩爾定律是意為半導體性能在18個月~2年裏提高至2倍的「經驗法則」。實際上,在半個多世紀裏,一直維持法則所預示的性能提高。起到牽引作用的是微細化技術,一直使電路變得更細,裝入更多用於運算等的元件。

以美國蘋果公司使用的半導體為例,2020年採用的晶片處理晶體管達到118億個,在1年裏增加逾30億個。歸根結底,一直支撐智慧手機等飛躍式升級的也是微細化。

微細化籠罩陰影

這種微細化的速度已開始籠罩陰影。最細小的電路線寬為十多奈米(奈米為10億分之1米)。要描繪更加微細的電路,物理上的制約明顯,製造和開發所需的成本有可能超過性能提高的優點。

目前在運算等方面,有不使用電子、而利用光子的「光電融合」,以及晶體管結構變化等有望實現飛躍式發展的新一代技術。不過,在處理龐大信息的數據驅動型社會,如果運算能力的提高停止,耗電量將無限度上升。

要支撐最終産品的進步和數據社會,半導體性能的持續提高是不可或缺的。作為目前的方案,各企業關注的是借助多個晶片提高集成度的3D堆疊技術。

台積電正加快開發名為「3DFabric」的3D結構半導體,在日本茨城筑波市設置具有研發功能的機構也是戰略一環。台積電日本3DIC研發中心的負責人江本裕表示,為了發展3D堆疊技術,「材料、設備企業等生態系統的協助不可或缺」。

成為關鍵的後製程

要使半導體晶片在3D方向上集成並加以驅動,必須解決熱和電流等問題。關鍵是從晶圓上切下半導體、加工為晶片的後製程的技術。

材料和設備需具備的條件嚴苛。江本裕表示「基板的平坦度、熱膨脹率和彈性等各種數值都需要優化」。一名日本國內的化學試劑企業高管表示,「難以利用目前的技術解決,需要開發面向每個客戶進行個別優化的材料」。

日本的材料和設備受到高度期待,這也證明了台積電的認真程度。在日本産業技術綜合研究所試驗樓內投入運行的台積電的試生産線,具備與台灣量産工廠相同的組裝設備和評估設備。在日本開發新技術,具備「順利向量産工序過渡」(江本裕)的優點。

對於在製造設備上掌握3成份額、在半導體材料領域掌握5成以上全球份額的日本企業,大型邏輯晶片企業的動向構成商機。

「(隨著3D化取得進展)也能向沒有交易的前製程企業提供附加值高的設備」,日本半導體設備廠商DISCO(迪思科)的社長關家一馬這樣説。在將半導體背面磨薄的「研磨機」領域,DISCO掌握8成份額,東京精密掌握逾1成全球份額。

在用於個人電腦等尖端半導體的封裝基板領域,日本IBIDEN(揖斐電)和新光電氣工業壟斷市場。AZ SUPPLY CHAIN SOLUTIONS LLC 的龜和田忠司表示:尤其是在需要較高技術的領域,「沒有日本企業,就無法製造半導體」。

而在材料領域,日本企業的市佔率也很高。從用於尖端封裝的再佈線層的形成等的光刻膠來看,JSR和東京應化工業這2家企業掌握全球份額的6成以上。調查公司GlobalNet的董事長武野泰彥表示,「降低投資成本、提高性能的後製程的受關注度將提高」。

但同時日本企業也存在課題。相比前製程,成為3D堆疊技術關鍵的後製程的設備和材料的市場規模有限。涉足的企業的規模相對較小,尖端開發和投資的負擔沉重。

日本一名半導體企業的高管透露,「如果有必要,考慮向(設備和材料廠商)提供資本」。如果不投入人力和資金,獲得的蛋糕也將很小。這也是以記憶體為代表,雖在技術上領先、但讓海外企業佔據優勢的半導體行業本身的教訓。

日本經濟新聞(中文版:日經中文網)江口良輔、佐藤雅哉

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