日本限制關鍵化學材料出口韓國,已經對全球電子產業造成無法彌補的傷害,其自身亦付出無法估量且毫無必要的代價。

這些材料包括氟化氫、含氟聚醯亞胺和光阻劑等,對晶片製造至關重要,這些限制將影響韓國所有的電子企業。三星(Samsung)、SK海力士(SK Hynix Semiconductor)和樂金(LG)都是全球電子供應鏈中的重要供應商,到目前為止,日本政府還沒有證據顯示韓國將這些受限材料用於軍事用途。

編者按:日本首相安倍晉三(Shinzo Abe)為日韓衝突辯解,並採用唐納 . 川普(Donald Trump)在與中國發動貿易戰時使用的策略——譴責華為對美國國家構成安全風險。安倍同樣以「國家安全」為由,限制日本製造的化學品出口至韓國。

對於全球電子產業的多數人而言,日韓之間爆發的貿易戰似乎是無端而起。大多數專家認為,這是一場源於積怨的虛假爭論,而此怨恨可追溯至二戰時期。日本在佔領韓國期間,大量使用強迫型勞動力和性奴隸,並委婉地稱之為「慰安婦」。幾十年來,韓國人一直在為日本這一戰時行為爭取賠償,且許多韓國人認為,日本人並不願意完全承認這一戰時的行徑。

這則文章最初發表在日本版《電子工程專輯(EE Times Japan)》刊物上,作者是湯之上隆(Takashi Yunogami);這篇文章詳細描述了日本的出口限制對全球電子產業的影響。——吉田順子(Junko Yoshida),EE Times US首席國際特派記者

2019年7月4日,日本政府以保護國家安全為名,對電子設備生產所需原材料,包括含氟聚醯亞胺、光阻劑和氟化氫在內,發佈了針對韓國的出口限制。

日本首相安倍晉三政府制定的新規則要求,日本原材料供應商必須獲得出口許可後才能將這些原材料運往韓國。據稱,新實施的官僚程序增加了約90天的「審查」期。

據韓國貿易協會(Korea Trade Association)2018年的資料顯示,韓國84.5%的氟化聚醯亞胺(進口值1,972萬美元)、93.2%的光阻劑(進口值2.98億美元),以及41.9%的氟化氫(進口值6,685萬美元)來自日本。

這些數字似乎說明了,日本方面削減氟化聚醯亞胺和光阻劑的出口,對韓國公司損害更大。然而,鑒於韓國對日本氟化氫的進口依賴程度最低,筆者認為氟化氫的出口限制反而對韓國公司構成最大威脅。此外,我認為出口管制不僅會阻礙韓國企業,還會阻礙日本企業,最終傷害將會反彈到日本政府身上,並可能削弱日本競爭力。簡而言之,在我看來,日本政府是在自掘墳墓,且日韓之間的關係不會再如從前那般。

氟化聚亞胺和光阻劑被限制帶來的影響

氟化聚醯亞胺是一種有機EL材料,用於製造有機發光二極體(OLED)顯示器。如果出口限制使原材料庫存清零,兩家韓國巨頭——有機EL電視製造商樂金電子和為智慧型手機生產OLED面板的三星電子——將遭受嚴重打擊。

同時,據說受新出口限制管制的專用光阻劑,主要用於EUV微影技術。EUV微影是非常先進的半導體製造技術,今年才開始大規模用於晶片生產。

這可能會影響到三星生產的最先進7奈米節點邏輯半導體。它還可能影響16奈米製程的動態隨機存取記憶體(DRAM),其產能正處於拔高階段,三星和海力士都將為之煩惱。

據專家稱,三星正效法豐田(Toyota)的「及時(just-in-time)」生產體系來營運一座半導體工廠,將零組件和材料的庫存控制在最低水準。三星的EUV光阻劑庫存似乎只能維持大約一個月,氟化氫供應量亦是如此。

EUV光阻劑庫存耗盡之時

三星Galaxy智慧型手機採用的應用處理器(AP),被認為是當前最先進的邏輯半導體。2018年,三星智慧型手機出貨量為2.923億支,位居世界第一。

所有這些手機都必須配備由EUV設備製造的高階應用處理器。但由於EUV光阻劑只有一個月的庫存,會直接導致高階應用處理器的生產放緩,從而限制智慧型手機的產量。

更重要的是,如果EUV已經被用於製造先進的DRAM晶片,其帶來的破壞性將遠遠大於三星Galaxy減產,因為三星和海力士是DRAM市場的全球領導者。在2019年第一季的全球DRAM銷售中,三星佔據了42.7%的市場份額,其次是海力士,佔29.9%;二者總市佔率為72.6%,如圖1所示。

20190905NT31P1 圖1 全球DRAM供應商市場份額。(資料來源:Takashi Yunogami,彙編自DRAMeXchange、IHS和TrendFocus的資料)

假設EUV已經用於製造高階DRAM,EUV光阻劑的庫存短缺將限制其生產。反過來,這也將阻礙智慧型手機的生產。2018年,智慧型手機出貨量約為14億支,同時個人電腦、平板和伺服器的出貨量分別為3億、1.5億和大約1,175萬台(援引IDC提供的市場資料)。

蘋果(Apple)、惠普(HP)、戴爾(Dell)和其他終端製造商因供應中斷而遭受的指責,相信不會落到韓國DRAM供應商頭上,而會落到日本政府頭上。畢竟,是日本的出口限制引發了庫存短缺,全球電子產業將對日本的行為感到憤怒。

氟化氫的影響

筆者原以為,在日本出口的三種化工原料中,EUV光阻劑的短缺會造成最嚴重的影響。這是因為EUV光阻劑的供應商僅限於日本公司,如信越化學工業集團(Shin-Etsu Chemical)、JSR株式會社、富士軟片(Fujifilm)和東京應化工業(Tokyo Ohka Kogyo)。

然而,對半導體製造過程開展進一步分析後,我得出結論:限制氟化氫氣體供應量——而非EUV光阻劑——將為晶片生產帶來更嚴重的後果。

在深入討論這個問題之前,我將首先解釋,氟化氫或氫氟酸是如何用於製造半導體。

** 1. 金屬(包括多晶矽、絕緣膜)未經沉積工序之前的清洗製程**

氫氟酸被應用於批量清洗系統,該系統一次可處理數百個晶圓片。接著用一種純度非常高的水,稱為去離子水(DI Water),以一定的混合比例稀釋該化學品。

2.完成化學機械拋光(CMP)後的清洗製程

氫氟酸與氫氧化銨(NH4OH,即所謂的氨水)混合,用於批量清洗。

3.用於雙重圖案曝光中的犧牲膜濕法蝕刻製程

該製程使用氫氟酸的原液,主要採用間歇式濕蝕刻系統。

4.晶圓片背面清洗製程

例如,要去除晶圓片背面附著的氮化矽,清除過程需使用混有氫氧化銨(或類似物)的氫氟酸。每個晶圓片都被噴塗乾淨。半導體製造製程包括500~1,000個步驟,其中涉及清潔和濕蝕刻的製程就佔了超過10%。

不使用氫氟酸的清洗製程,僅佔半導體製造流程的30~40%。這很好地說明了,隨著節點越來越精細,清洗會變得越來越頻繁。製造的關鍵就在於清洗、清洗再清洗晶圓片,以消除任何細微顆粒。

然後,每家晶圓廠都為清洗液的混合比例調配專有配方,每個配方都嚴格地按照每道流程來確定,這決定了每家晶圓廠的最終良率。

若氟化氫庫存耗盡了會如何?

因此,氟化氫在半導體製造流程中的使用率超過10%。該類化學溶液適用於多種半導體,包括邏輯元件、DRAM、NAND Flash,甚至是OLED。簡而言之,氟化氫是所有晶片批量生產不可或缺的一種材料。

對NAND Flash的損害

氟化氫出口禁令,除了對應用處理器和DRAM的生產造成潛在損害,限制三星智慧型手機的出貨量之外,對NAND Flash的影響又是如何呢?

圖2顯示了NAND Flash供應商的季度市場份額。2019年第一季,三星以39.4%的市場份額位居第一;海力士以9.5%的市佔率位居第五,這兩家韓國公司在NAND Flash儲存市場佔據近一半的比重。

20190905NT31P2 圖2 全球NAND Flash供應商市場份額。(資料來源:Takashi Yunogami,基於DRAMeXchange的資料)

這一數字雖遠低於韓國在全球DRAM市場72.6%的份額,但依舊很大。

此外,從NAND Flash的主要應用領域——固態硬碟(SSD)季度出貨資料來看,三星的市場份額目前最高,為33.4%;海力士以9.9%的市佔率位居第三。如圖3所示,韓國公司總共佔據了43.3%的SSD市場份額。

20190905NT31P3 圖3 全球SSD供應商市場份額。(資料來源:Takashi Yunogami,彙編自StorageNewsletter、TrendForcus、BusinessWire的資料)

三星不僅向個人電腦製造商,還向雲端運算公司(如亞馬遜、微軟和Google)所擁有的資料中心伺服器供應大量SSD。鑒於近期資料中心投資的回升趨勢,雲端服務供應商不會將任何SSD供應短缺歸咎於三星,而是將矛頭指向日本政府。

能否為日本製造的氫氟酸找到替代品?

一開始,本文提到韓國從日本採購了41.9%的所需氫氟酸。還有45%來自中國大陸,10%來自台灣。

若日本停止供應氫氟酸,韓國可能會轉向中國採購。但這種轉變不會那麼快發生。首先,中國的原材料製造商很難在一到兩個月內將產量翻一倍。

其次,由於氫氟酸的混合比例是各晶圓廠根據其製程流程嚴格設計和確定的,因此,中國的耗材供應商很難立即向韓國公司提供符合其確切規格要求的氟化氫。

如果韓國公司跟化學品供應商說,「為我們帶來你們所有的『含水』材料就行」,那麼結果很可能就是:全球高階邏輯半導體、DRAM和3D NAND產量大幅下降。因為任何給定的半導體製作流程,大都涉及氫氟酸的使用,所以不對耗材嚴格要求最壞的情況是,可能最終連一顆合格的元件都製造不出來。

但對日本來說,壞消息是,在一兩年內,他們給韓國製造的這些麻煩都將得到解決,晶片公司將能夠利用主要由中國供應的氟化氫,生產所有類型的元件。

日本終究是在自掘墳墓

據日經新聞7月4日報導,韓國政府7月3日宣佈將每年撥出1萬億韓元(約8.5億美元)的預算,用於支援國內半導體材料和設備的生產。

鑒於韓國不能依賴日本製造的原材料,這是一個合理的政策。從長遠來看,這一聲明表示韓國將開始系統性地停止使用由日本製造的化學原料,以及由日本半導體生產設備供應商提供的原材料。

其結果將是,韓國自產的化學材料,如光阻劑、化學品、漿液和晶圓片,系統性地替代日本進口。而由東京電子(Tokyo Electron)、SCREEN和Disco等公司設計的日本半導體生產設備,也將被排除在交易之外。

屆時,韓國公司將重複多年前的做法——招聘日本工程師。上世紀80年代,韓國大量地從日本挖角具有先進DRAM設計技術的工程師,在當時,日本曾佔據了80%的全球DRAM市場份額。

最終,日本原材料和設備供應商都將失去目前與三星、海力士和樂金電子之間的訂單。而且這不僅僅是失去訂單這麼簡單。日本公司為韓國頂級晶片製造商提供服務,可以磨練自身技能,失去合作機會將削弱其長期競爭優勢。

即使日本政府決定今後解除出口限制,這一解禁也可能來得太晚——傷害已成事實,一旦失信,就很難在商業關係中重獲信任。日本政府的行為已經對全球電子產業造成了無法彌補的傷害,其自身也付出了無法估量且毫無必要的代價。

(參考原文: What the Japan-Korea Trade War Means to the World,by湯之上隆)

本文同步刊登於EE Times Taiwan 9月號雜誌