材料行业是美国日本欧洲占据着高端领域，为什么很难被追赶？材料行业技术更容易被黑箱化，生产过程中的经验和技能非常重要。

文丨李海燕

本文为“透视日本半导体产业系列”之三

EUV光刻机背后的无名英雄

最近几年，中国上下对荷兰ASML的EUV光刻机倍加关注。但是很多人不知道是，即使有了荷兰的EUV光刻机，没有日本相关公司提供的材料，EUV光刻机是没办法开动的。EUV光刻机工作中最重要的材料有两个，一个是EUV光刻胶，一个是EUV光罩。这两个产品，日本企业有极强的存在感。EUV光刻胶的市场份额由东京应化工业、JSR和信越化学三家日本公司100%占有。EUV光罩是高纯度石英基板上面交互堆积大约80层左右的钼（大约3纳米一层）和硅（大约4纳米一层）的薄层构成的。EUV光罩基板（photo mask blank）是由高纯度的，基本没有膨胀、高度洁净的石英制造的。日本AGC公司的研发人员做了一个比喻，说明要求的洁净程度之高。类似一个150米见方的棒球场，其中不能有半个花粉的杂质。

目前全球的EUV光罩基板，只有两家日本公司在提供，就是HOYA和AGC。AGC公司的原名为朝日玻璃（2018年更名为AGC）。创立于1907年，是日本最大玻璃企业。最开始一直生产普通的建筑用平板玻璃。1955年开始生产电视机显像管的玻璃外壳。1956年开始进入汽车玻璃领域。1995年开始生产TFT液晶面板玻璃。2017年，开始生产EUV光刻机使用的光罩坯子。1982年，AGC公司开始生产含氟树脂。之后长期在含氟化工产品领域深耕。1983年，AGC公司设立了生物化学研究小组，开始进入生物领域。

AGC公司从2003年开始接触EUV光刻机的光罩底板研究课题，到2017年开始量产，前后花费了大约15年时间。这期间的巨额的研发费用，都是公司从既有产品的利润中拿出来的。

目前日本的HOYA和AGC公司占据了EUV光罩底板全球100%的市场。HOYA公司原本是一家生产眼镜镜片的公司。最近几年，我们关于芯片卡脖子的讨论很多，我们总是急于突破卡脖子，想走弯道超车，但是从日本这些企业的研发过程来看，我们需要更多的耐心和踏实的工作。

AGC公司不仅是付出了15年的研发时间，其背后还有长达百年的玻璃和材料行业的技术积累。

此外光罩的保护膜（pellicle）方面，日本企业也有极强的存在感。2023年12月13日，三井化学和欧洲的IMEC缔结了关于用在EUV光刻光罩的新一代保护膜（日语：ペリクル）的战略合作文件。IMEC是Interuniversity Microelectronics Centre的简称，中文一般称为比利时微电子研究中心，位于比利时的鲁汶。IMEC是全球知名的跨国半导体基础技术研究机构。简单说，这个保护膜是贴在光罩表面的一层薄膜，可以保护光罩受到灰尘等的污染，对于提高芯片生产线的良率有很大作用。

三井化学是从1984年进入到这个领域，之后伴随着光刻技术的发展，不断地更新产品。2019年5月31日，三井化学和荷兰ASML公司签订了EUV光罩保护膜的技术授权合同。三井化学从ASML导入了相关技术，成为全球唯一一家生产EUV光罩保护膜的企业。

在和EUV光刻相关的设备当中，日本企业也有很强的存在感。在EUV光刻胶涂布装置中，东京电子（TEL）几乎占据了100%的份额。另外，各种类似的光刻光罩在使用之前，都要进行缺陷的检查。这个领域，日本企业Lazertec公司是市场占有率第一的企业。在EUV光罩检查领域，几乎占有100%的市场份额。

第四代半导体材料

一般认为，第一代半导体材料是硅和锗。第二大半导体材料是砷化镓和磷化铟。第三代半导体材料是碳化硅和氮化镓等。第四代半导体材料是氮化镓、金刚石等。这四代半导体材料，目前日本全部都站在全球的前沿。

本文主要介绍，日本研发第四代半导体材料的一些最新进展。为什么第四代半导体材料比较重要，这需要放到大的时代背景去考虑。目前全球的一个巨大浪潮就是碳中和。碳中和时代，会有越来越多的可再生能源取代传统的化石能源。最近几年，中国的EV和光伏等产业的崛起和这个大时代背景不无关系。第三代半导体和第四代半导体也被称为宽禁带半导体。这些半导体比起传统的半导体材料，可以制造能够耐受更高电压，而且自身损耗更小的功率元器件。日本研制金刚石（也就是我们说的钻石）半导体的学者，佐贺大学的嘉数诚教授曾经介绍说，同样的情况下，金刚石元器件的自身损耗和硅元器件相比，是硅的一万分之一。第四代半导体相比第一代到第三代半导体，在宇宙和核电站等特殊场景下，具有更高的可靠性。通俗地讲，第四代半导体，是“在恶劣环境中也能多干活，少吃饭的”新一代半导体。评价功率器件的时候，有个概念叫Baliga性能指数，如果硅材料是1的话，碳化硅是500，氮化镓是930，氧化镓是3444，金刚石是49000。

在氧化镓领域，日本的主要研发企业有两家，一家是Novel Crystal Technology, Inc.，一家是株式会社FLOSFIA。Novel Crystal Technology公司成立于2015年6月。以田村制作所公司为主，有10多家日本传统大企业出资支持。主要是从事β型氧化镓相关产品的研发和生产。FLOSFIA公司成立于2011年。主要是从事α型氧化镓。事实上，这两家公司的创业人都来自京都大学的藤田静雄研究室。从这两家公司的设立时间来看，在碳中和概念普及以前，日本就已经在进行商业化的研发和布局了。

2023年4月17日，日本佐贺大学发布消息，宣布成功开发了第一个金刚石半导体功率器件。佐贺大学的对外发布新闻稿说：比起既有硅、碳化硅、氮化镓，金刚石半导体在散热、耐高电压、耐放射线方面有更好的性能表现。

为什么半导体材料很难

准确地说，各行业的高端材料制造都很难。航空发动机和光刻机并列，也是工业的明珠。在过去60年，航空发动机的基本原理和结构没有发生变化。发生重大变化就是材料，也就是经常说的“一代材料，一代技术”。

半导体材料可以说是材料行业中的难中之难。半导体材料制造的难点首先在于其对高纯度的要求。一个复杂芯片的制造过程中，需要使用到的各种固体液体气体的材料有上百种。有一个共同的特点就是需要纯度很高，一般的材料也需要5N以上，也就是99.999%以上。N是英文Nine，9的简称，5N也就是百分比号前面有5个9的意思。制造芯片的电子级单晶硅的纯度要求在11N以上。在制造过程中，很多材料都要求11N的纯度。比如腐蚀性很强的氢氟酸。目前全球的高纯度氢氟酸主要是日本的森田化学和Stella Chemifa公司在提供。他们可以做到12N的纯度。90年代以后，半导体材料可以说是一直在维护日本制造业的最后的荣光。

全球范围来讲，材料行业依然是美国日本欧洲占据着高端领域。那么，为什么材料行业很难被追赶。笔者认为，其根本原因在于，材料行业（特别是半导体材料所属的化工行业）属于科学和流程行业，技术更容易被黑箱化，而且生产过程中的一些经验和技能非常重要。

也就是三个关键词，1，基础科学的研发；2，流程工业中的技术的黑箱化；3，生产过程中的经验和knowhow的重要性。

第一个是基础科学的研发，这个相对容易理解。目前我国的制造业，有几个明显落后于欧美日的领域。那就是医药领域、化工领域和精密仪器领域。这几个领域，本质上都是需要长时间的基础研发投入的领域。

第二个是流程工业中的技术的黑箱化。最近几年，经常有一些研究，比较中外的专利的数量的变化。对此，笔者有三点想提醒：（1）专利有发明专利和实用专利，发明专利的价值更高一些。（2）不同的行业，专利的价值是完全不同的。比如医药行业的专利的核心专利就直接决定了医药公司的竞争力。但是很多行业并不是这个样子的。（3）对于化工领域，很多时候公司并不会把任何发明和技术都申请专利。

很多人并不理解这是为什么。因为专利的本质是，通过公开自己的技术，换取政府对自己方面的一定期限的独占权，一般就是20年。但是在现实当中，往往是存在各种侵权行为的。在化工领域，通过所谓逆向开发也不可以掌握的技术，企业就往往采取黑箱化（blackbox）的措施。

大部分情况下，这些企业的设备也都是企业自身设计，让外部相关企业加工的。而且控制这些设备运转的程序和参数是企业自己设定的。其他企业很难通过在市场上购买设备的方式去生产同样质量的产品。

第三个是生产过程中的经验和knowhow的重要性。现代社会，生产过程中的经验、技能和knowhow依然是重要的，这一点往往被忽视。这样说可能大家比较吃惊，目前半导体主要原材料的生产制造的科学原理和主要的加工程序，业界都清楚，有大量的公开论文。比如，大家津津乐道的光刻机用到的高精度的光学镜头，需要的并不是基础科学理论，而是经验技能和knowhow。