日本半导体材料的神话与现实

2021年6月，日本众议院召开了一场主题为“复兴日本半导体产业”的研讨会，时值在疫情中遭遇重创的铠侠半导体（即东芝存储芯片部门）四处寻找接盘侠，日本存储芯片*后的火种奄奄一息，日本官方邀请了五位专家学者畅所欲言，为产业复兴出谋划策，**发言的是一个名叫汤之上隆的人。

汤之上隆曾任职于日立、尔必达的一线研发部门，亲历了日本半导体产业从辉煌走向没落的整个过程。

2015年，他将自己的经历与思考写进了《失去的制造业》一书，抛开其中对老东家和老领导的冷嘲热讽，《失去的制造业》堪称研究日本芯片产业的必读书目。

相比日本官方高举复兴大旗，汤之上隆在研讨会上建议大家以*快的速度躺平，让在场议员们大跌眼镜：“失去的半导体产业已无法挽回，继续投入就是浪费纳税人的钱。”

他认为，由于日本的半导体公司一直难以适应产业变化，早已错失历史机遇；如今与其瞎折腾，不如守护好*后一点家底：位于半导体产业链*上游的设备与材料[1]。

一块芯片封装前，会经历薄膜沉淀、光刻、蚀刻、清洗等多项工艺，每一步都需要特定的加工设备与原材料。过去数十年，日本企业一直是部分半导体设备的主要提供商。

而日本公司对半导体材料近乎垄断的地位更是威名在外：前段工序常用的材料有19种，其中14种都由日本企业主导。

2019年7月，随着日韩矛盾加剧，日本政府对韩国企业发起制裁，限制半导体核心材料的出口。铁锤刚砸下三天，三星掌门李在镕如坐针毡，专程赶赴日本恳求松口。

后来众议员的研讨会结束不久，汤之上隆就写了篇文章，标题叫“日本半导体设备和材料为何那么强？”，自豪之情溢于言表[2]。

极其夸张的市场份额

结果文章发出去没多久，日本就吃了一场败仗。2021年，韩国的SEMES强势崛起，超越日本企业SCREEN成为全球第六大半导体设备公司，其母公司正是在材料上被卡的翻白眼的三星。同一时期，三星一口气投资了十几家材料公司，希望在材料环节绕开日本。

另一个有趣的现象是，相比舆论对日本半导体材料垄断地位的艳羡，以及日本在化学、材料学等领域长期耕耘的赞誉，日本产业界却对这一成就评价复杂：

汤之上隆一边高度认可材料环节的强势地位，但一边称日本对韩国的断供“极其愚蠢”。另一位学者西村吉雄则在《日本电子产业兴衰录》中说，日本芯片产业衰落的原因之一，就是做了太多基础研究，反而忽视了应用和模式层面的**。

日本的半导体材料常常是一个被舆论神化的产业，它实际上并不复杂，但也没有那么简单。

卡脖子

对韩国芯片公司而言，日本的贸易制裁，其威力不亚于往京畿道工厂丢一颗炸弹。

被限制出口的半导体材料共有三种，首当其冲的是氟化聚酰亚胺。这个念起来有些费嘴的化学物质，是部分OLED面板的原材料。一旦掐断供给，OLED电视等拳头产品将面临无货可出的窘境。

但对三星等韩企来说，更棘手的其实是另外两件“战略核**”。

**件是EUV光刻胶，打击目标是韩国半导体的“未来”。

光刻胶是光刻工艺的关键材料，而光刻又是芯片制造的核心工艺。目前*先进的光刻工艺是EUV（极紫外线），用于生产7nm以及更先进制程的芯片。

过去几年，三星一直在努力迭代自研的手机处理器Exynos，即便三星自己拥有7nm和5nm制程工艺，但也绕不开光刻胶这一环。此时，作为原材料的光刻胶遭到制裁，本就不富裕的日子变得更加雪上加霜。

另外，三星、SK海力士对下一代DRAM的研发也将被迫暂停。当前，市场上的DRAM产品仍在努力逼近10nm制程，尚且用不上EUV光刻这样的先进技术；但未来DRAM的制程大概率会提升至5nm，这便踏进了EUV光刻的领域。

EUV光刻

相比之下，**把利器杀伤力更甚。这款名叫高纯度氟化氢的材料，足以扼住韩国半导体的“现在”。

氟化氢是一种清洗用的化学材料。清洗工艺能够去除芯片生产所带来的杂质，是影响芯片品质的关键环节。生产一款芯片大概需要500至1000个步骤，其中大约10%的步骤都得用到氟化氢进行清洗，堪称是半导体的“血液”。

一旦氟化氢库存告急，逻辑半导体（如CPU）、DRAM等主流半导体芯片均无法生产，能否开展日常业务都将打上一个问号[7]。

面对日本的咄咄逼人，危机感爆棚的韩国人使出了浑身解数，先是跑去WTO伸冤打官司，与此同时，政府牵头大搞国产替代，一口气投入了6万亿韩元的预算，三星也跟着投资了一批韩国本土的半导体材料企业。

在“打倒日本帝国主义”的号召下，同仇敌忾的韩国企业成功研发出了国产版本的高纯度氟化氢和EUV光刻胶。文在寅卸任前的新年致辞中，曾重点提及了上述成就。

文在寅视察韩国产氟化氢

然而，故事的走向却没有发生太多逆转：直到如今，日本依旧高度垄断着高纯度氟化氢和EUV光刻胶。

其地位之所以屹立不倒，和上述半导体材料的一大特质有关：日本垄断的材料，多是不能即插即用的非标准化产品。

其中氟化氢尤为典型——清洗并不是一项标准化的工艺，每个制造商都有各自的理解和流程。因此，关于氟化氢的使用，实际上有稀释、与氯化氢混合、与过氧化氢混合等多种完全不同的方案。而每种方案对氟化氢产品的要求又不太一样，均需要专门定制。

另一方面，大多数产品的理论原理和工艺技术都是公开的，但选材与配比的数值，甚至生产车间合适的温度和湿度，都需要漫长的实验才能得到*佳结果。材料的非标特质，会带来两方面影响：

（1）企业难以轻易更换解决方案以及相关供应商，一旦合作就是长期绑定。

在这方面，日本自己就吃过亏。1999年，日立和NEC两家龙头企业合资成立了存储企业尔必达，准备向领跑的三星发起进攻。但在公司成立的头两年，却爆发了严重的生产问题，市场份额也迅速下跌，而“罪魁祸首”之一正是日立和NEC的清洗方案不兼容。

因此，哪怕韩国企业自研出了高纯度氟化氢，依旧不能立刻摆脱日企的垄断，*快也需要至少1年时间做测试；而EUV光刻胶的更换周期则更久，通常需要测试2-3年才能搬上产线。

“有国产材料”和“用国产材料”，实际上是两件事。

氟化氢

（2）非标材料的制造工艺多且繁杂，甚至存在部分只可意会不可言传的隐性知识，需要企业有长期相关的积累。在这方面，向来以“匠人精神”自居、发力较早的日本同样有先天优势。

正如汤之上隆在书中写道：日本半导体材料的竞争力核心，正是日本独特的匠人文化。

不可否认，这种“一生做好一件事”的匠人文化，确实在氟化氢这类具备延续性的领域颇有成效。氟化氢技术的迭代，本质是不断提升纯度，将小数点后面的9越做越多的过程，主打一个精益求精。

韩国虽实现了氟化氢的国产化，但其纯度只有99.99999999%（小数点后8个9），日本企业却能做到小数点后10个9。看上去相差无几，但如果乘上几十上百道工序，*终结果会千差万别。

但问题是，难道隔了个日本海，匠人文化就失传了吗？日本半导体材料的强势，显然不能只用文化来解释。