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日本半導體產業的文藝復興之路(二)

日本政府傾力支援的半導體發展計畫,對日本的半導體產業顯然有長期規劃的願景。

日本政府引進國外半導體業者投資的效果相當顯著,幾乎國際間各大半導體製造公司都報到了。另外本土公司聯盟組成的公司Rapidus也將目標置於尖端製程的開發。 
 
這些晶圓廠的興建對日本半導體的貢獻,剛開始時比較是稍為間接的。在恢復產業生態、擴大機器設備、材料內需市場、以及支持日本IC設計公司方面等都當然有幫助,但是對於自有的先進製程研發卻得看Rapidus的表現。 

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Rapidus一開始就瞄準2奈米nanosheet GAAFET(Gate All Around FET)的最先進製程,和IBM與IMEC合作,預計在2027年左右量產。1.5/1奈米需要不同的電晶體結構,將和LETI(Laboratoire d’Electronique des Technologies de l’Information)合作,用2維材料過渡金屬二硫屬化合物(Transition Metal Dichalcogenides;TMD)當成電晶體中通道(channel)材料。 
 
Rapidus面臨的挑戰之一是參與製程研發的各方皆無量產經驗。

IBM最後的量產晶圓廠賣給格羅方德(GlobalFoundries)是2015年,其他各方要不是新創,要不就是實驗室類型的研發機構,要走向量產註定要多花一些工夫。 
 
然而,Rapidus最大的挑戰是有無辦法快速地建立規模經濟(economy of scale)。先進製程的研發極其昂貴,代工廠其實是以用IC設計公司客戶資金實施眾籌,進行下世代製程研發。因而到14奈米以下,全球市佔不足的公司紛紛停止先進製程的競逐。 
 
對於2奈米以下的先進製程的開發尤為如此。2奈米是nanosheet GAAFET,1.5/1 奈米是2D通道電晶體,1 奈米以下可能是CFET(complementary FET)。幾個世代間的電晶體的結構、材料、製程都是翻天覆地的大變化,若無足夠大的市佔便無法產生足夠的盈餘,無力推動下世代製程的開發。即使湊了開發費用,沒有足夠的市佔也無法回收,遑論建立代工生產所需要的諸多生態環境如設計服務、先進封裝等。 
 
先進晶圓廠的建立無疑的會提高日本機器設備廠商的市佔率,有些晶圓廠已經設立日本國內設備採購佔比的目標。 
 
這個因素影響相對比較輕微,重要的是日本在黃光這一大區塊是否能重新啟動。

2023年Cannon推出奈米壓印(Nano Imprint Lithography;NIL),解析度可以達到5奈米,預計2025年會先在NAND Flash的製造中使用,但是預計無法完全取代EUV。要打入DRAM及邏輯線路的市場還要在對準(overlay)以及粒子(particle)問題上下工夫改善。 

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另外一個領域是日本有機會得分較多的是先進封裝設備。日本的先進封裝設備相對領先,而製程持續演進、先進封裝、新材料是現代半導體經濟增值的三大支柱。先進封裝市場的自然擴增—譬如現在當紅的生成式AI(generative AI)就一定要使用先進封裝—自然提升在此領域的優勢廠商的市佔表現。 
 
最後是材料。

日本於此部分環節猶仍如日中天,卻有危機隱然浮現。明處的是來自於中國的威脅,中國的材料基礎科研發表論文佔全世界約14.5%,比美國多1倍,而中國目前正在進行材料、設備的自主化。這一定會影響到日本,只是時間早晚的問題。 
 
更深層的理由是材料的合成與製造正在經歷典範轉移。第一原理計算(first principles calculation)、AI與量子計算等用計算的方式正在逐漸顛覆傳統的合試誤方式,工藝精神的優勢正在逐漸弱化。雖然日本於先進計算並不落後,譬如富士通(Fujutsu)用數位退火(digital annealer)來輔助材料開發仍然領先全球,但是產業的典範移轉就意味著變動的可能性。 
 
先進半導體材料的應用考慮與傳統材料有些差異:材料介面性質到與塊材(bulk)性質至少一樣重要,而且很多材料的使用是依賴半導體製程設備。 
 
日本的材料研發比較願意做長期部署,而半導體廠商求的多是短期內有機會進入應用的材料候選人,這二者密切的結合,會深度地互相嘉惠對方。 先進晶圓廠在日本開始發展的新聞中最令我有感的是台積電與三星電子(Samsung Electronics)都在日本設立材料實驗室,這可能是對日本材料產業最大的立即助益,而且助益是互相的。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。