你不一定知道的日本半導體設備實力

2020-12-10 EDA365網

隨著東芝存儲被美國貝恩資本收購,松下宣布退出半導體業務,日本在半導體晶片領域可以說基本上全盤失敗。雖然日本半導體業市佔呈下滑趨勢,但其在設備領域對全球影響力仍不容小覷。你知道在2004年前,尼康曾佔據光刻機市場超過50%的市場份額,被譽為「設備業界王者」嗎?在全球市佔超過50%的半導體設備種類當中,日本就有10種之多。在電子束描畫設備、塗布/顯影設備、清洗設備、氧化爐、減壓CVD設備等重要前端設備、以劃片機為代表的重要後道封裝設備和以探針器為代表的重要測試設備環節,日本的設備企業幾乎處於壟斷地位。

半導體設備可分為晶圓處理設備、封裝設備、測試設備和其他設備,在整個半導體設備市場中,晶圓製造設備大約佔整體的80%,封裝及組裝設備大約佔7%,測試設備大約佔9%,其他設備大約佔4%。而日本的大大小小不同的半導體設備廠商為全球提供了大約37%的半導體設備。

廣為人知的巨頭

根據美國半導體產業研究公司VLSI Research發布的2018年全球半導體出產設備廠商的排名中,在排名前15位的公司中,按地區劃分,美國製造商有四家,歐洲製造商兩家,韓國和中國各一家。日本製造商是東京電子(TEL)第三,Advantest第六,SCREEN第七, KOKUSAI ELECTRIC位居第9位,日立高新科技位居第10位,Daifuku位居第14位,Canon位居第15位。可以說日本企業在半導體出產設備業界的實力是有目共睹的。

2018年全球15大半導體製造設備製造商。銷售單位為百萬美元(來源:VLS IResearch)

1963年以代理貿易起家的東京電子(簡稱東電),可謂是日本半導體設備國產化的見證者。東電曾先後作為Fairchild、英特爾、KLA、AMD等半導體廠商在日本的設備代理商。其實東電正是進軍半導體設備領域是在1968年,這一年,東電與美國Thermco Products Corp合資成為TEL-Thermco Engineering ,並開始在國內生產擴散爐,東電也成為了日本第一家半導體設備製造商。

在合資取得美國的先進技術之後,東電於1976年開發出了世界上第一臺高壓氧化爐,1986年其生產的第一臺立式擴散爐發貨,根據VLSI Research公司數據,1989年東電的半導體製造設備營收額突破6億美元,登頂第一的寶座,並連續三年蟬聯冠軍。

此後的十幾年,東電不斷擴充產品線。1993年東電開始銷售FPD生產設備塗布機/顯影機,1994年首批單晶片CVD系統問世,2000年交付了1000臺塗布機/顯影機「 CLEAN TRACK ACT 8」,2006年第1萬臺立式熱處理設備開始發貨,2007年晶圓探測器的出貨量達到2萬臺,2009年東電收購瑞士歐瑞康太陽能,進入光伏(PV)生產設備業務(不過2014年退出該項業務)。

東電的產品幾乎覆蓋了半導體製造流程中的所有工序,主要產品包括:塗膠/顯影設備、熱處理成膜設備、幹法刻蝕設備、沉積設備、清洗設備,封測設備。其中塗膠/顯影設備在全球佔有率達到87%,在FPD製造設備中,刻蝕機佔有率達到七成。從 2015財年開始,半導體製造已經成為東電發展的核心業務,佔公司總營收90%以上。

愛德萬測試也是一家老牌設備企業。1954年武田鬱夫在東京的板橋區成立了愛德萬測試Advantes,當時稱為武田Riken Industries。愛德萬測試的主要產品包括自動化測試設備、SoC測試系統、內存測試系統、機電一體化測試系統等。

愛德萬測試可以說開創了日本測試界的的先河,研發出了多個「第一款」測試設備:日本第一款電子計數器TR-124B、第一臺振動電容超低電流靜電計TR-81、第一臺計算機控制的IC測試設備、第一臺測試儀LSI測試系統T-320/20,其1976年推出的T310 / 31作為全球唯一的生產DRAM測試儀而在全球獲得成功。

新產品的全面開花,使得愛德萬測試踏進了多個領域。1979年愛德萬測試推出了數字頻譜分析儀TR-9305,標誌著該公司進入了音頻/振動分析市場;1983年TR-4511的推出助其打入了信號源市場;1986年推出了包括TQ8345頻譜分析儀在內的16款光學測量儀器,愛德萬測試成功進駐光學通信市場;1992年,通過推出業界最高解析度的LCD驅動器測試系統G4350(用於研發)和G4310(用於批量生產),進入LCD測試市場;2000年發布用於數位相機的CCD傳感器的T8531圖像傳感器測試系統,重新進入圖像傳感器測試市場;2003年推出T7721先進的混合信號測試系統,進入汽車設備市場;2005年進入掩模CD-SEM業務;2013年收購美國公司W2BI.COM,進入無線系統級測試市場。

除此之外,愛德萬測試的多款產品廣受業界採用,為其攻佔市場份額立下了很大功勞。1981年愛德萬測試推出的TR-4172多功能「智能頻譜分析儀」,被通信設備製造商廣泛採用。1983年其用於通信和消費類LSI測試的模擬測試系統T3700系列以及用於CCD圖像傳感器測試的T3155的推出,拓寬了愛德萬測試在半導體測試設備市場的份額。到1985年,愛德萬測試便成為全球領先的半導體測試設備提供商。目前,公司在存儲器測試設備市場擁有50%以上的市場份額。

迪恩士(SCREEN)是世界上唯一生產線圖像製版器材、電子原件製造設備的綜合製造廠商,創立於1943年,其根源可追溯到1868年。成立之初的SCREEN目的是建立他們原始的玻璃幕布業務,直到1974年開始擴展到電子領域。1975年開發出晶圓刻蝕機,SCREEN正式開啟半導體設備製造之路。從半導體生產設備開始,生產線不斷向晶圓清洗設備、測量、晶圓圖案檢查以及直接成像系統蔓延。

尤其是在晶圓清洗領域,2009年SCREEN在單晶圓清洗系統中獲得了全球60%以上的份額,在塗布機/顯影機,溼法蝕刻機和抗蝕劑剝離劑的LCD製造設備市場上贏得了2008年全球最大的份額。在圖案檢查和液晶製造設備行業也擁有龍頭地位。

KOKUSAI ELECTRIC的前身是日立國際電氣,於2017年底作為非核心業務出售給了私募股權基金Kohlberg Kravis Roberts(KKR),從而離開了日立集團。2019年7月,應用材料宣布將以22億美元現金從KKR手中收購Kokusai。

製造半導體的最重要階段是通過沉積和熱處理形成薄膜。KOKUSAI電氣公司擁有一種新穎的下一代沉積技術——平衡控制沉積(BCD),BCD技術為先進的小型幾何設備提供更低的溫度處理和更嚴格的過程控制,同時保持非常高的生產力。KOKUSAI電氣公司生產的半導體製造設備利用了那些接近物理極限的世界一流的薄膜形成技術,例如10nm微製造技術,為快速發展的晶圓廠設備市場提供服務。

日立高新科技的歷史可追溯到1940年,2001年日立儀器集團和半導體製造設備集團合併後,公司名稱更改為日立高科技公司。在半導體設備領域,主要生產幹蝕刻系統和CD-SEMI和缺陷檢查系統。這些設備廣泛應用於大規模集成電路、功率器件和聲表面波濾波器、CMOS圖像傳感器、微機電系統和其他(硬碟和平板顯示器)。

大福集團創於1937年,最早生產氣錘、鍛壓加工機,隨著日本經濟的復興與發展,開始涉足物料運輸及管理物流。大福的潔淨室存儲、搬運系統被廣泛應用於半導體、液晶等平板顯示器製造行業,在許多世界著名企業均有銷售。

佳能成立於1937年,原名為精機光學工業株式會社,1984年,佳能推出首款步進式光刻機(stepper),2011年,佳能推出第一款用於後道的步進式光刻機FPA-5510iV,正式進入先進封裝領域的光刻市場。

2016年,佳能推出更高解析度和高套刻精度步進式光刻機FPA-5520iV,能滿足扇出型晶圓級封裝(FOWLP)工藝的嚴格要求,FPA-5520iV目前已投入FOWLP量產、下一代精細重布線層(fine-RDL)和FOWLP研發。

佳能的FEOL(生產線前道工序)產品陣容強大,包括深紫外光(DUV)掃描式光刻機FPA-6300ES6a和I線步進式光刻機FPA-5550iZ2,得益於其高生產率和低成本的優勢而受到存儲器製造廠商的青睞。

佳能的關鍵優勢之一是產品覆蓋半導體前道市場和半導體後道市場,產品組合廣泛。加上在前道技術開發過程中積累了寶貴的經驗,在開發後道產品時可借鑑早期平臺研發的經驗,並利用經過驗證的專有光學製造技術,不斷改進光刻系統的性能。

尼康成立於1917年,最早通過相機和光學技術發家,1980年開始半導體光刻設備研究,1986年推出第一款FPD光刻設備,如今業務線覆蓋範圍廣泛。2004年之前,尼康佔據光刻機市場超過50%的市場份額,被譽為「設備業界王者」。但後來再關鍵技術路線上選擇錯誤,使得一眾客戶倒戈AML,尼康從光刻機王者寶座跌落。

尼康雖然在晶片光刻技術上遠不及ASML,目前的產品還停留在ArF和KrF光源,且售價也遠低於ASML,和EUV更加難以相提並論。但在FPD光刻方面,尼康優勢凸顯,尼康的機器範圍廣泛,從採用獨特的多鏡頭投影光學系統處理大型面板到製造智能設備中的中小型面板,提供多樣化的機器。

「小」公司實力超群

除了上述大企業以外,日本在小企業的在半導體設備領域發展也很不錯,光罩檢測領域的laserTec、OLED真空蒸發設備的佳能Tokki、積極開發EUV光刻技術的Gigaphoton、專注半導體前後製程設備的Shibaura,以及作半導體自動化設備的Muratec和電子光束光刻的JEOL在各自的領域都小有所成。

1960年內山靖(Yasushi Uchiyama)成立了東京ITV實驗室,從事X射線電視開發。1962年NJS公司成立並開始探索除X射線電視之外的廣泛技術開發。1976年NJS開發並發布了世界上第一個LSI光掩模檢測系統。1986年NJS公司更名為Lasertec公司,Lasertec核心業務的掩模檢驗系統和掩模坯料檢驗系統,還提供各種晶圓檢驗和測量設備,例如光刻工藝檢驗系統和塗層厚度不均勻檢驗系統。Lasertec提供的最先進的掩模檢測系統,可促進FPD技術的創新。

佳能Tokki公司成立於1967年,2010年,佳能收購Tokki Corporation,以擴大其OLED製造設備業務。OLED真空蒸發設備佳能Tokki主要為OLED市場和薄膜PV市場生產真空處理設備和工廠自動化系統。佳能Tokki於1999年開發了第一個OLED批量生產系統,該系統通過一個系統處理OLED /電極材料的沉積和封裝。在OLED蒸鍍機方面,佳能Tokki更是幾乎壟斷。

Gigaphoton成立於2000年,Gigaphoton一直在積極開發極紫外(EUV)光刻技術,其前身是小松公司,小松雷射技術的歷史可以追溯到1980年。小松公司於1985年推出了日本第一臺準分子雷射器單元KLE-630,1987年推出了世界上第一臺用於半導體光刻工藝的準分子雷射器單元KLE-630S。2004年底,Gigaphoton推出了新的ArF準分子雷射模型GT40A,該模型具有注入鎖定諧振器,可以滿足沉浸式ArF光刻工藝的要求。如今,Gigaphoton的雷射光源已被包括日本在內的亞洲大多數半導體製造商採用,並在歐洲和美國也得到了迅速的接受。

Shibaura歷史可追溯到1939年,主要生產半導體前工程以及後工程製造設備、FPD前工程以及後工程製造設備、真空應用製造設備、雷射設備等。不同於多數半導體設備廠,很難兼顧前、後段領域,SHIBAURA兩大前後製程都可以兼顧,且都有很好的成績。其Flip Chip Bonder更是全球最大品牌,市佔率遙遙領先對手。

美村(muratec)的前身是村田,村田機械創業於1935年,是日本具有代表性的機械廠商。從發明空氣捻接器以來,以佔有世界第一市場分額的自動絡筒機等纖維機械為首,先後廣泛涉入了工具機、信息設備、物流設備、面向液晶工廠/半導體工廠的自動化設備等領域。

JEOL成立於1949年,前身是日本電子光學實驗室有限公司。JEOL已在三個領域開展業務:科學和計量儀器,工業設備,醫療設備。工業設備中,其半導體設備主要有電子束光刻系統(可變形狀電子束光刻),電子束光刻系統(點束光刻)。1967年其JEBX-2A電子束光刻系統完成,1982年其JEPAS-1000電子束計量儀器完成。

日本半導體設備何以崛起?

日本半導體設備的崛起,離不開日本晶片產業的基石。從1955年索尼開始造半導體收音機開始,日本半導體產業起步。此後存儲一度成為日本的第一產業,尤其是DRAM。日美晶片大戰後,日本半導體晶片奠定了在全球的江湖地位,配套的日本半導體材料和設備也得以快速崛起。日本晶片產業上演了「一人得道雞犬升天」的大戲。

另外,隨著日本本土半導體企業不斷更新設備,驅使設備廠商不斷提升技術,再加上日本政府領導的「官產學」一體化研發,政策大力支持。技術和市場驅動兩條腿走路,兩者相輔相成使得日本得以在設備領域玩得風生水起。1975年之前,日本的半導體製造裝備基本從國外進口;但到了1980年代初,70%以上的半導體製造裝備日本已經實現國產化。

總體來說,日本目前在半導體設備方面的競爭優勢,既是全球半導體產業優勝劣汰的結果,也是日本的工匠精神與市場結合的產物,正如上文提到的諸多具有悠久歷史的設備企業,經過了數十載歲月的打磨,未來在相當長的時間內,日本在設備領域仍會保持優勢。

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