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从专利看日本半导体光刻技术有多强

时间:2021-09-28 10:50来源:日经中文网 作者:日经中文网

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       在半导体晶圆(基板)上烧制出电路的光刻工序是半导体制造过程中最为重要的工序之一。光刻设备由以荷兰为大本营的ASML掌握压倒性份额,而如果没有光刻工序相关的前后处理技术,半导体制造也无法完成。日本经济新闻(中文版:日经中文网)根据日本特许厅(专利厅)4月发布的申请动向调查“半导体光刻的前后处理技术”,汇总了光刻周边技术的动向。

 

       半导体的制造工序分为在圆形基板上制造大量电路的前工序和把基板上形成的电路一个个切割为片状后进行组装的后工序。前工序当中的核心是光刻工序。根据以光刻设备烧制的电路图切削基板、进行布线,完成半导体芯片制造。日本特许厅的调查以光刻设备的前后工序所必需的光刻胶(感光树脂)的涂布、显影和剥离等工序为对象。

 

   

       光刻的前后处理领域的申请最多

 

       在光刻的前后处理领域,日本的半导体制造设备企业发挥了稳定的优势。从2006~2018年申请的专利来看,每年都是日本国籍的申请者占4成左右,数量最多。从2006~2018年累计数据来看,在4万2646项申请中有1万8531项(占比43.5%)的申请者为日本国籍,大幅超过7000多项的韩国和美国。

 

   

       另一方面,按申请者进行申请的国家和地区来看,2009~2011年在日本进行的申请最多,之后逐渐减少,2012年在美国进行的申请超过日本,之后美国一直维持首位宝座。从2018年进行的申请来看,美国之后是中国大陆、韩国和台湾,在日本的申请数量低于这些国家和地区。有分析认为,这体现出日本占世界半导体生产的份额下降等问题。

  

   

       从2006~2018年累计数据来看,美国的申请为1万678项,占整体的25.0%,不过从在美国申请者的构成来看,来自日本的申请为32.1%,比例最高。在韩国的申请当中,韩国籍占50.1%,而在中国大陆和台湾的申请则是来自日本的申请最多,可见日本企业在主要市场仍具备优势。

 

       东京电子广泛涉足多个领域

 

       从单个申请者来看,东京电子每年稳定申请400项左右,2006~2018年累计达到5196项,占整体的12.1%。东京电子在向半导体基板上涂布光刻胶、利用光刻设备烧制电路之后显影的涂布显影设备领域,掌握超过80%的全球份额。累计申请数排在第2位的日本SCREEN控股也强于涂布显影设备,这两家企业占全球份额的90%以上。

   

       尤其是东京电子,不仅是涂布显影设备,还广泛涉足在基板上刻制电路的蚀刻设备等光刻工序以外的其他前工序设备。在最先进的半导体工厂,不仅仅是光刻设备,在前后工序,为防止微细垃圾混入而保持清洁环境的清洁轨迹(Clean track)和蚀刻设备等一体化运行的体制受到重视。“全面拥有光刻设备以外的设备,能应对希望从头到尾保证工序运行的要求”,东京电子Corporate Innovation本部副本部长北野淳一这样解释该公司的优势。

 

       据悉不仅是被称为EUV(极紫外)的最尖端光刻设备,东京电子还大力推进与传统型光刻设备相关的前后处理的技术开发。应对半导体的三维化而采用高粘度的光刻胶,需要解决清除时容易留下污渍等问题。北野表示,“申请专利正在兼顾(最尖端和传统型)”,这也推动着专利数量的增加。

 

       台湾和美国也迅速追赶

 

       在日本企业优势突出的光刻前后处理技术领域,台湾和美国等也在加速追赶。最大半导体代工企业台积电(TSMC)的专利申请数量近年来出现激增。2006年台积电的申请仅为21项,2017年增加到466项,超过东京电子,作为单独申请者达到最多。台积电首次在生产线引进最尖端光刻设备EUV,体现出这种生产技术的先进。

 

台积电的工厂内部

  

       从最近一个5年(2014~2018年)的申请数量来看,美国企业占前10家企业的近半数。而在前一个5年(2009~2013年),只有世界最大的半导体制造设备企业美国应用材料公司1家,可以看出近期出现增加。IBM和英特尔等老牌半导体厂商也跻身前10的情况引人关注。

 

   

       日本需要培育设备和原材料产业


       在中国大陆企业中,半导体代工企业中芯国际集成电路制造(SMIC)最近5年的申请数量为250项,闯入前10位,受到关注。韩国三星电子的5年累计申请数量从2009~2013年的403项大幅增加至2014~2018年的714项,排名从第6位跃居第4位。另一方面,在日本半导体厂商中,2009~2013年累计为539项、排在第4位的东芝大幅后退,2018年仅为7项。

 

   

       世界半导体制造设备协会(SEMI)的预测显示,2021年的半导体制造设备市场规模将比2020年增长34%,增至953亿美元,到2022年有望超过1000亿美元。

 

       日本在光刻设备领域落后于ASML,但拥有前后处理技术的日本半导体制造设备企业在世界上保持着较高存在感。不仅是制造设备,在光刻胶等原材料领域,日本也具备优势。出于安全保障等观点,日本讨论强化半导体产业,但不应单纯地复苏半导体工厂,而需要采取行动,进一步培育具备傲视世界的优势的设备和原材料领域。

 

       本文作者为日本经济新闻(中文版:日经中文网)编辑委员 小玉祥司

 

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