渺小的霸權：日本半導體材料的神話與現實全球熱點

2023-05-22 08:06:28來源：ZAKER財經

2021 年 6 月，日本眾議院召開了一場主題為 " 復興日本半導體產業 " 的研討會，時值在疫情中遭遇重創的鎧俠半導體（即東芝存儲芯片部門）四處尋找接盤俠，日本存儲芯片最后的火種奄奄一息，日本官方邀請了五位專家學者暢所欲言，為產業復興出謀劃策，壓軸發言的是一個名叫湯之上隆的人。

湯之上隆曾任職于日立、爾必達的一線研發部門，親歷了日本半導體產業從輝煌走向沒落的整個過程。2015 年，他將自己的經歷與思考寫進了《失去的制造業》一書，拋開其中對老東家和老領導的冷嘲熱諷，《失去的制造業》堪稱研究日本芯片產業的必讀書目。

相比日本官方高舉復興大旗，湯之上隆在研討會上建議大家以最快的速度躺平，讓在場議員們大跌眼鏡：" 失去的半導體產業已無法挽回，繼續投入就是浪費納稅人的錢。"

【資料圖】

他認為，由于日本的半導體公司一直難以適應產業變化，早已錯失歷史機遇；如今與其瞎折騰，不如守護好最后一點家底：位于半導體產業鏈最上游的設備與材料 [ 1 ] 。

一塊芯片封裝前，會經歷薄膜沉淀、光刻、蝕刻、清洗等多項工藝，每一步都需要特定的加工設備與原材料。過去數十年，日本企業一直是部分半導體設備的主要提供商。

而日本公司對半導體材料近乎壟斷的地位更是威名在外：前段工序常用的材料有 19 種，其中 14 種都由日本企業主導。

2019 年 7 月，隨著日韓矛盾加劇，日本政府對韓國企業發起制裁，限制半導體核心材料的出口。鐵錘剛砸下三天，三星掌門李在镕如坐針氈，專程趕赴日本懇求松口。

后來眾議員的研討會結束不久，湯之上隆就寫了篇文章，標題叫 " 日本半導體設備和材料為何那么強？"，自豪之情溢于言表 [ 2 ] 。

極其夸張的市場份額

結果文章發出去沒多久，日本就吃了一場敗仗。2021 年，韓國的 SEMES 強勢崛起，超越日本企業 SCREEN 成為全球第六大半導體設備公司，其母公司正是在材料上被卡的翻白眼的三星。同一時期，三星一口氣投資了十幾家材料公司，希望在材料環節繞開日本。

另一個有趣的現象是，相比輿論對日本半導體材料壟斷地位的艷羨，以及日本在化學、材料學等領域長期耕耘的贊譽，日本產業界卻對這一成就評價復雜：

湯之上隆一邊高度認可材料環節的強勢地位，但一邊稱日本對韓國的斷供 " 極其愚蠢 "。另一位學者西村吉雄則在《日本電子產業興衰錄》中說，日本芯片產業衰落的原因之一，就是做了太多基礎研究，反而忽視了應用和模式層面的創新。

日本的半導體材料常常是一個被輿論神化的產業，它實際上并不復雜，但也沒有那么簡單。

卡脖子

對韓國芯片公司而言，日本的貿易制裁，其威力不亞于往京畿道工廠丟一顆炸彈。

被限制出口的半導體材料共有三種，首當其沖的是氟化聚酰亞胺。這個念起來有些費嘴的化學物質，是部分 OLED 面板的原材料。一旦掐斷供給，OLED 電視等拳頭產品將面臨無貨可出的窘境。

但對三星等韓企來說，更棘手的其實是另外兩件 " 戰略核武器 "。

第一件是 EUV 光刻膠，打擊目標是韓國半導體的 " 未來 "。

光刻膠是光刻工藝的關鍵材料，而光刻又是芯片制造的核心工藝。目前最先進的光刻工藝是 EUV（極紫外線），用于生產 7nm 以及更先進制程的芯片。

過去幾年，三星一直在努力迭代自研的手機處理器 Exynos，即便三星自己擁有 7nm 和 5nm 制程工藝，但也繞不開光刻膠這一環。此時，作為原材料的光刻膠遭到制裁，本就不富裕的日子變得更加雪上加霜。

另外，三星、SK 海力士對下一代 DRAM 的研發也將被迫暫停。當前，市場上的 DRAM 產品仍在努力逼近 10nm 制程，尚且用不上 EUV 光刻這樣的先進技術；但未來 DRAM 的制程大概率會提升至 5nm，這便踏進了 EUV 光刻的領域。

EUV 光刻

相比之下，第二把利器殺傷力更甚。這款名叫高純度氟化氫的材料，足以扼住韓國半導體的 " 現在 "。

氟化氫是一種清洗用的化學材料。清洗工藝能夠去除芯片生產所帶來的雜質，是影響芯片品質的關鍵環節。生產一款芯片大概需要 500 至 1000 個步驟，其中大約 10% 的步驟都得用到氟化氫進行清洗，堪稱是半導體的 " 血液 "。

一旦氟化氫庫存告急，邏輯半導體（如 CPU）、DRAM 等主流半導體芯片均無法生產，能否開展日常業務都將打上一個問號 [ 7 ] 。

面對日本的咄咄逼人，危機感爆棚的韓國人使出了渾身解數，先是跑去 WTO 伸冤打官司，與此同時，政府牽頭大搞國產替代，一口氣投入了 6 萬億韓元的預算，三星也跟著投資了一批韓國本土的半導體材料企業。

在 " 打倒日本帝國主義 " 的號召下，同仇敵愾的韓國企業成功研發出了國產版本的高純度氟化氫和 EUV 光刻膠。文在寅卸任前的新年致辭中，曾重點提及了上述成就。

文在寅視察韓國產氟化氫

然而，故事的走向卻沒有發生太多逆轉：直到如今，日本依舊高度壟斷著高純度氟化氫和 EUV 光刻膠。

其地位之所以屹立不倒，和上述半導體材料的一大特質有關：日本壟斷的材料，多是不能即插即用的非標準化產品。

其中氟化氫尤為典型——清洗并不是一項標準化的工藝，每個制造商都有各自的理解和流程。因此，關于氟化氫的使用，實際上有稀釋、與氯化氫混合、與過氧化氫混合等多種完全不同的方案。而每種方案對氟化氫產品的要求又不太一樣，均需要專門定制。

另一方面，大多數產品的理論原理和工藝技術都是公開的，但選材與配比的數值，甚至生產車間合適的溫度和濕度，都需要漫長的實驗才能得到最佳結果。材料的非標特質，會帶來兩方面影響：

（1）企業難以輕易更換解決方案以及相關供應商，一旦合作就是長期綁定。

在這方面，日本自己就吃過虧。1999 年，日立和 NEC 兩家龍頭企業合資成立了存儲企業爾必達，準備向領跑的三星發起進攻。但在公司成立的頭兩年，卻爆發了嚴重的生產問題，市場份額也迅速下跌，而 " 罪魁禍首 " 之一正是日立和 NEC 的清洗方案不兼容。

因此，哪怕韓國企業自研出了高純度氟化氫，依舊不能立刻擺脫日企的壟斷，最快也需要至少 1 年時間做測試；而 EUV 光刻膠的更換周期則更久，通常需要測試 2-3 年才能搬上產線。

" 有國產材料 " 和 " 用國產材料 "，實際上是兩件事。

氟化氫

（2）非標材料的制造工藝多且繁雜，甚至存在部分只可意會不可言傳的隱性知識，需要企業有長期相關的積累。在這方面，向來以 " 匠人精神 " 自居、發力較早的日本同樣有先天優勢。

正如湯之上隆在書中寫道：日本半導體材料的競爭力核心，正是日本獨特的匠人文化。

不可否認，這種 " 一生做好一件事 " 的匠人文化，確實在氟化氫這類具備延續性的領域頗有成效。氟化氫技術的迭代，本質是不斷提升純度，將小數點后面的 9 越做越多的過程，主打一個精益求精。

韓國雖實現了氟化氫的國產化，但其純度只有 99.99999999%（小數點后 8 個 9），日本企業卻能做到小數點后 10 個 9。看上去相差無幾，但如果乘上幾十上百道工序，最終結果會千差萬別。

但問題是，難道隔了個日本海，匠人文化就失傳了嗎？日本半導體材料的強勢，顯然不能只用文化來解釋。

日本式的勝利

和半導體產業很多環節一樣，光刻膠誕生于美國，柯達、IBM 曾是該市場的領跑者，但最終被日本產業化。

從上世紀 80 年代開始，日本光刻膠產業突然火力全開，最終將 IBM 斬于馬下。這一切的起點，始于一個至今仍被全球反復研究的項目—— VLSI。

1976 年，IBM 研發新一代計算機的消息傳來，日本業界意識到 1μm 或更小工藝日趨臨近，深感時不我待的通產省集結了富士通、日立、三菱、東芝、NEC 五家半導體公司，以及日本工業技術研究院、電子綜合研究所和計算機綜合研究所三家機構，開展了一個名為 VSLI（超大規模集成電路）的追趕計劃。

VLSI 最大的成就是 DRAM 芯片的突破，直接開創了日本半導體的黃金年代。但實際上，VLSI 項目共設有六個實驗室，除了三個搞產品研發的，還有專門負責攻堅半導體材料、光刻工藝以及封裝測試技術的團隊。其中第四實驗室的科研成果，就是負性光刻膠。

當時，隔壁的第五實驗室成功生產出了縮小投影型光刻裝置。由于材料和設備兩者互相強綁定，需要一同配套研發，這讓第四實驗室的光刻膠研發掃除了最大的障礙。

VLSI 最大的成果，實際上是通過市場規模巨大的 DRAM 的突破，創造了一套國產產業鏈，擺脫了對美國的設備依賴。包括做材料的京瓷和住友，做光罩的 TOPPAN，做封測的東京電子，和做光刻機的尼康。

光刻膠

90 年代，KrF 開始成為光刻膠的主流路線。此時，尼康推出了全球首個實現商業化應用的 KrF 光刻機系統，隔壁的光刻膠企業趁勢追趕。從 2000 年開始，隨著光刻膠路線開始往 ArF 和 EUV 轉向，日本又迅速和新任光刻機龍頭 ASML 建立了深度綁定，雙方配套研發、共同迭代。

由于和產業鏈的深度綁定，不論技術路線如何變化，日本光刻膠都有機會領跑 [ 11 ] 。

另一個推手則是日本產業界對基礎科研的極端重視。雖然大多數新技術都在日本產業化，但日本社會普遍不滿足于生產制造環節的成功，尤其是以貝爾實驗室為代表的大公司研究院模式，更是被日本反復學習效仿。

彼時，日本主流思潮認為：如果能在基礎科學上也保持領先，日本將長期立于不敗之地 [ 12 ] 。

90 年代后，日本經濟陷入長期衰退，日本官方再次下場，希望通過對基礎研究的投入復蘇半導體產業。1995 年，日本出臺了《科學技術基本法》，并計劃此后每年往科學領域投入 4 萬億至 5 萬億日元。

2001 年，日本政府提出，希望到 2050 年，日本能誕生 30 個諾貝爾獎。此后 20 年，日本足足有 16 人獲得了三大自然科學類諾貝爾獎，位居全球第三，其中 6 個屬于和半導體材料強相關的化學領域。

依靠在基礎科研上的長期投入，日本一直維持著半導體材料市場的霸主地位，并且將領先蔓延到了動力電池產業。2019 年，吉野彰獲得了諾貝爾化學獎，他的一大成就是發現了鋰電池負極材料，日本企業則是該領域的領跑者之一。另外，松下也是動力電池最主要的生產商之一。

但讓日本產業界始終難以介懷的是，與半導體材料的凱歌高奏相反，日本的傳統優勢項目存儲、面板、芯片制造等環節，卻始終止步不前，成為了電子產業黃金年代中尷尬的旁觀者。

得到的與失去的

2023 年 3 月，韓國總統尹錫悅出訪日本，宣告自 2019 年開始的日韓貿易戰結束。韓國不少聲音認為，尹錫悅已經舉白旗投降——因為爭端源頭是歷史遺留問題催生的民族矛盾，但他上臺后卻對這些問題閉口不談，更主動對日本示好，無疑是 " 滑跪 " 的體現。

然而湯之上隆并不這么認為。他公開表示，制裁正在親手摧毀日本的氟化氫產業，堪稱 " 歷史性的愚策 "，因為日本同樣高度依賴韓國市場。

事實也是如此，日本財務省統計的出口數據顯示，2011 年之后，韓國一直是日本氟化氫的最大出口國，并占據了總出口量的 90% 以上。由于氟化氫難以輕易替換，一旦合作便是長期綁定；但反過來說，一旦三星鐵了心要搞國產替代，日本氟化氫也會失去最主要的收入來源。

而這種影響已經開始出現。2019 年之前，日本氟化氫的對韓出口量大約在每月 3000 噸左右。此后，日本雖然解除了出口限制，但直到 2023 年年初，這個數字依舊只有約 500 噸 [ 15 ] 。

日本氟化氫對韓出口變化

這種 " 傷敵一千，自損一千二 " 的現象，反映了整個半導體材料行業的尷尬處境：戰略價值大，但戰術價值小。

材料雖是芯片生產的必需品，但市場規模 " 僅有 "643 億美元（2021 年），相比之下，日本人失去的存儲和面板市場，規模都高達 1600 億美元和 1300 億美元（2021 年）。這還沒算上曾是日本傳統優勢項目——被蘋果、高通、英偉達等公司占據的消費電子市場。

因此高情商的說法是，幾百億規模的半導體材料，足以影響下游上萬億規模的電子市場；但低情商的說法是，市場規模也就這么大。

這也是日本產業界無法釋懷的原因：相比他們失去的存儲、面板、芯片制造和消費電子市場，材料領域的霸權實在是太微不足道了。

在《日本電子產業興衰錄》一書中，對于日本政府和企業在科研上的大手筆投入，作者西村吉雄非但不覺得驕傲，反而認為對科研的癡迷導致日本半導體公司錯過了 90 年代電子產業的轉型大潮。他提出了一個很有代表性的觀點：日本公司很擅長研究 " 怎么做 "，卻疏于判斷 " 做什么 "。

西村吉雄認為，基礎科學固然重要，但日本對此有些過度迷信，把 " 創新 " 與 " 技術突破 " 混為一談。在書中，他通過英特爾的例子來論證，其成功恰恰不是依賴于科學研究，而是打造了 " 技術封閉 + 標準開放 " 的生態，任何開發者都可以基于 x86 架構與 Windows 系統開發軟件，最終成為了消費電子時代的霸主。

微處理器（CPU）等邏輯半導體的出現，其實和基礎科學的進步無關，更多是受到了市場需求的推動。日本對基礎科學的癡迷，最終導致它與一個千億美金的市場失之交臂。

后來，湯之上隆又在《失去的制造業》里補充一個生動鮮活的案例：

被三星打到破產的爾必達，其實在技術上遠遠超過三星。比如爾必達的 512M DRAM 的良品率可以達到 98%，三星只有 83%，但問題是，把成品率從 80% 提高到 95% 需要付出巨大的成本。相比三星 2005 年 30% 的利潤率，爾必達只有 3%。

2008 年，行業進入下行周期，三星故意擴產進一步壓低價格，爾必達虧到親媽不認。在破產的發布會上，CEO 坂本幸雄仍然念叨著 " 爾必達技術世界第一 "。

湯之上隆在《失去的制造業》中總結了日本強勢產業的幾個特點，其中最重要的一點是：日本公司擅長在一條長坡厚雪的賽道做持續的創新，而不善于面對頻繁的技術變化。

前者的代表是燃油車、鋰電池和半導體材料這類 " 干中學、學中干 " 色彩強烈的產業，后者則是他們失去的存儲和面板。無論是市場地位、公司營收，還是創造的利稅、崗位與附加值，半導體材料都無法和后者相比擬。

尾聲

20 世紀 80 年代，西方世界對東亞經濟騰飛的解讀仍以新自由主義為底色，日本政府頗有微詞，豪擲 120 萬美元考察費，邀請世界銀行專家 " 客觀分析 " 日本模式成功的原因。1993 年，世行出版了針對東亞后發經濟體的研究報告《東亞奇跡》，扭扭捏捏的承認了 " 政府主導產業升級 " 的益處。

報告發表一年后，美國經濟學家保羅 · 克魯格曼 ( Paul Krugman ) 在《外交雜志》上潑了一盆冷水，稱日本 " 并非經濟奇跡的典型 "，亞洲四小虎更是紙老虎：" 亞洲的繁榮是高投入創造的數量增長，而非效率提升，建立于浮沙之上，遲早會幻滅。"

80 年代也是日本產業界自我反省的高峰期，日本人認為，自己不應該滿足于將誕生于美國技術產業化，而是應該效仿美國企業設立研究院，在基礎科研上百尺竿頭更進一步，在下一次技術浪潮中拔得頭籌。

直到今天，日本企業的科研投入仍保持在全球一線梯隊：2019 年，日本企業的研發投入占該年度 GDP 的 3.51%，位居全球第三 [ 13 ] 。

陰差陽錯的是，在長久的經濟衰退中，日本的優勢產業被韓國、中國大陸和臺灣地區瓜分殆盡，在日本人眼里，產業上游的霸權地位，更像是某種體面的撤退。