半导体产业系列（一）--日本半导体产业之崛起

姓 名：李欢迎            学 号：20181214053              学 院：广研院

原文链接：https://xueqiu.com/7332265621/133496263

【 嵌牛导读 】 ： 半导体的应用领域很广，在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用，可以说是现代科技的骨架。半导体应用的关键领域便是集成电路。集成电路发明起源于美国，后来在日本加速发展壮大，到目前在韩国台湾分化发展。本文旨在介绍日本半导体的发家史，体会上世纪美日之间在半导体产业争霸上的血雨腥风，同时从中寻找一些我国科技产业的发展经验。

【 嵌牛鼻子 】 ： 日本半导体产业

【 嵌牛提问 】 ： 日本半导体产业是如何在美国技术封锁的牢笼中走向世界？

【 嵌牛内容 】

       在集成电路行业，全球范围内的每一次技术升级都伴随模式创新，谁认清了技术、投资和模式间的关系，谁才能掌握新一轮发展主导权，在全球竞争中占据更为有利的地位，超大规模集成电路（VLSI）计划便是例证。日本的集成电路产业发展较早，在20世纪60年代便已经有了研究基础，发展至今经历了从小到大、从弱到强、转型演变的历史，其中从1976年3月开始实施的超大规模集成电路计划是一个里程碑。

日本集成电路的起点

       在超大规模集成电路计划实施前，日本的集成电路行业已经有了一定的基础。作为冷战时期美国抵御苏联影响的桥头堡，日本的集成电路发展得到了美国的支持。1963年，日本电气公司便获得了仙童半导体公司的平面技术授权，而日本政府则要求日本电气将其技术与日本其他厂商分享。以此为起点，日本电气、三菱、夏普、京都电气都进入了集成电路行业。在日本早期的集成电路发展中，与美国同期以军用市场为主不同的是，日本在引进技术后侧重于民用市场。究其原因，第二次世界大战后，日本的军事建设受限，在美苏航天争霸的过程中日本的半导体技术只能用于民间市场。正是如此，日本走出了一条以民用市场需求为导向的集成电路发展之路，并在20世纪70年代和80年代一度赶超美国。

        日本政府为集成电路的发展制定了一系列的政策措施，例如1957年制定的《电子工业振兴临时措施法》、1971年制定的《特定电子工业及特定机械工业振兴临时措施法》和1978年制定的《特定机械情报产业振兴临时措施法》，加上民用市场的保护使日本的集成电路具备了一定的基础。

20世纪70年代，在美国施压下，日本被迫开放其半导体和集成电路市场，而同期IBM正在研发高性能、微型化的计算机系统。在这样的背景下，1974年6月日本电子工业振兴协会向日本通产省提出了由政府、产业及研究机构共同开发“超大规模集成电路”的设想。此后，日本政府下定了自主研发芯片、缩小与美国差距的决心，并于1976—1979年组织了联合攻关计划，即超大规模集成电路计划，计划设国立研发机构——超大规模集成电路技术研究所。此计划由日本通产省牵头，以日立、三菱、富士通、东芝、日本电气五家公司为主体，以日本通产省的电气技术实验室、日本工业技术研究院电子综合研究所和计算机综合研究所为支持，其目标是集中优势人才，促进企业间相互交流和协作攻关，推动半导体和集成电路技术水平的提升，以赶超美国的集成电路技术水平。

        项目实施的4年间共取得上千件专利，大幅提升了日本的集成电路技术水平，为日本企业在20世纪80年代的集成电路竞争铺平了道路，取得了预期的效果。把握世界竞争大势、研判未来发展方向，需要凝聚力量、统筹协调的专业认知作为支撑。尽管事后看，日本的超大规模集成电路计划实施效果非常理想，但是实施过程却并不顺利。根据前期测算，计划需投入3000亿日元，业界希望能够得到1500亿日元的政府资助，后来实施4年间共投入737亿日元，其中政府投入291亿日元。其间，自民党信息产业议员联盟会长桥木登美三郎多次努力，希望政府追加投入，但是未能如愿。政府投入未及预期，参与企业的士气受到了一定程度的打击。当时，参与计划的富士通公司福安一美说：“当时，大家都有一种被公司遗弃的感觉，而且并未料到竟然研制出向IBM挑战的产品。”

       投入不及预期，再加上研究人员从各企业和机构间临时抽调、各行其道，一时间日本的超大规模集成电路计划开发很不顺利，不同研究室人员间互相提防、互不往来、互不沟通的现象十分普遍。 此时，垂井康夫站了出来。垂井康夫1929年出生于东京，1951年毕业于早稻田大学第一理工学院电气工学专业，1958年申请了晶体管相关的专利，是日本半导体研究的开山鼻祖，1976年超大规模集成电路技术研究会成立时被任命为联合研究所的所长。

       垂井康夫在当时的日本业界颇具声望，他的领导使各成员都能信服。 垂井康夫对参与方进行积极的引导，指出参与方只有同心协力才能改变基础技术落后的局面，在基础技术开发完成后各企业再各自进行产品开发，这样才能改变在国际竞争氛围中孤军作战的困局。垂井康夫的努力，很快为研发人员所接受，各家力量得到了有效的融合，而历时4年的风雨同舟、协同努力成了日本集成电路产业发展的最好推力。除垂井康夫外，当时已从日本通产省退休的根岸正人功不可没。当时，超大规模集成电路技术研究会设理事会，日立公司社长吉ft博吉担任理事长，但是在真正的执行过程中，根岸正人发挥了很好的协调作用。

       根岸正人有多年推动大型国家研究计划的经验，他对计划各参与方的能力、利益诉求都颇为了解，在计划中通过其有效的沟通化解了冲 突，为垂井康夫成功地凝聚团队做了背后的铺垫。 可以看出，在集成电路的研发攻关中，除了资金和资源投入外，团队协调和技术融合更是成功的关键。

       从超大规模集成电路计划的组织架构来看，除垂井康夫领导的联合研究所外，先前成立的两个联合研究机构也参与了超大规模集成电路计划，分别是日立、三菱、富士通联合建立的计算机综合研究所，以及由日本电气和东芝联合成立的日电东芝信息系统。三个研究所分别从事超大规模集成电路、计算机和信息系统的研发，其中联合研究所负责基础及通用技术的研发，另两个研究所则负责实用化技术开发（重点为64KB及256KB内存芯片的设计及开发）。在各方的协同努力下，参与方都派遣了其最优秀的工程师。来自各地的工程师们肩并肩地在同一研究所内共同工作、共同生活、集中研 究，在微细加工技术及相关设备、硅晶圆的结晶技术、集成电路设计技术、工艺技术和测试技术上取得了突破。其中，联合研究所主要负责微细加工技术及相关设备、硅晶圆的结晶技术的攻关，其他技术的通用部分也由其负责，实用化的开发则由另两个研究所负责。

       具体来看，六个研究室中，分别由不同企业负责协调：第一、第二、第三研究室主要攻关微细加工技术，分别由日立、富士通和东芝负责协调；第四研究室攻关结晶技术，由工业技术研究院电子综合研究所负责协调；第五研究室负责工艺技术，由三菱负责协调；第六研究室攻关测试、评价及产品技 术，由日本电气负责协调。微细加工技术是计划的重心，从联合研究所的研究成果来看，日本当时开发了三种电子束描绘装置、电子束描绘软件、高解析度掩膜及检查装置、硅晶圆含氧量及碳量的分析技术等。垂井康夫评估说，计划实施完毕后日本的半导体技术已和IBM并驾齐驱。在计划中，日本企业对于动态随机存储器有了深入的理解，其更高质量、更高性能的动态随机存储器芯片为日本赶超美国提供了机遇。

       从1980年至1986年，日本企业的半导体市场份额由26％上升至45％，而美国企业的半导体市场份额则从61％下滑至43％。 1980年，联合研究所的研究工作已全部结束，而另两个研究所则追加资金（共约1300亿日元）作进一步的技术开发， 以1980年至1982年为第一期，1983至1986年为第二期。 这些系统化的布局为日本的半导体行业腾飞发挥了至关重要的作用。

       从人员来看，计划开展期间的联合研究所研发人员数量为100人左右，计算机综合研究所的研发人员数量为400人左右，日电东芝信息系统则为370人左右。在后续投入阶段，研究人员数量减少，1985年计算机综合研究所研发人员已减至90人左右，而日电东芝信息系统则减至30人左右。尽管联合研究所研发人员相对较少，但事关各企业的未来发展基础，因此各企业都派遣一流人才参与。在此过程中，垂井康夫对各企业都十分了解，点名要求各企业派遣其看中的人才。

       在实施超大规模集成电路计划及后续的资助计划后，1986年日本半导体产品已占世界市场的45％，超越美国成为全球第一半导体生产大 国。 1989年，在存储芯片领域，日本企业的市场份额已达53％，与美国该领域37％的市场份额形成了鲜明对比。 在日本企业的巅峰时期，日本电气、东芝和日立三家企业排名动态存储器领域的全球前三，其市场份额甚至超90％，与之相比，美国德州仪器和镁光科技则苦苦支撑。

本文主要是帮助那些不十分熟悉工业CT 物理原理的读者理解工业CT 技术参数对性能指标的影响，以便在选择和购买工业CT 设备时，能恰如其分地提出技术要求，合理地在性能和价格之间取得折衷。

1 工业CT 的基本特点

1.1 工业CT 概述

CT 即计算机断层成像技术，是英语Computed Tomography 的缩写。而tomography 一词源于希腊字tomos，意思是一种能对单个平面照相，同时去除其他平面结构影响的X 射线照相技术。用传统人体透视方法，三维的人体沿X 射线的方向被压缩成了两维的图像，体内所有骨骼结构和组织都重叠在一起，使得感兴趣对象的清晰程度大为下降。这样尽管它有极好的空间分辨率（分辨紧邻的高反差物体的能力），可是最后只有很差的低反差分辨率（从背景上区分低反差物体的能力）。因此导致了传统断层成像技术的出现[8]。

传统断层成像的基本原理如图1 所示。先考虑病人体内两个孤立的点A 和B：A 点在焦平面上而B 点在焦平面以外。A 点和B 点投射到X 胶片上的阴影对应地标注为A1 和B1，如图 1(a)。这时胶片上生成的图像和传统照相完全没有区别，然后使X 射线源和X 胶片同步地沿相反方向运动（例如如图所示，X 射线源向左运动而X胶片向右运动）到第二个位置。我们要确保固定点A 生成的阴影A2 与A 点在第一位置生成的阴影A1 重合。这一点很容易通过设置X 射线源和X 胶片移动的距离，使它们正比于对A 点相应的距离来实现，如图 1(b)。然而固定点B 在第二位置生成的阴影B2 与B1 是不重合的。这就是因为B 点不在焦平面上，从B 点到X 射线源和B 点到胶片的距离比偏离了对A 点相应的距离比。当X 射线源和胶片沿一条直线（自然是相反方向）连续运动时，B 点生成的阴影形成了一个直线段，这个性质对焦平面以外上下的任何点都是适用的。应该注意到不聚焦的那些点生成的阴影强度降低了，这是由于阴影分布到一个扩展了的面积上。而所有焦平面上的点都保持了原来胶片上的图像位置，其阴影仍然是一个点，相应的强度没有减小。

图1 传统断层成像的原理

虽然这种断层成像技术在生成清晰的感兴趣平面的图像方面取得一些成功，但它们并没有增加物体的反差，也不能根本上去除焦平面以外的其他结构。明显损害了图像的质量。

现代断层成像技术——即CT，是基于从多个投影数据应用计算机重建图像的一种方法，现代断层成像过程中仅仅采集通过特定剖面（被检测对象的薄层，或称为切片）的投影数据，用来重建该剖面的图像，因此也就从根本上消除了传统断层成像的“焦平面”以外其他结构对感兴趣剖面的干扰，“焦平面”内结构的对比度得到了明显的增强；同时断层图像中图像强度（灰度）数值能真正与被检对象材料的辐射密度产生对应的关系，发现被检对象内部辐射密度的微小变化。事实上，低对比度可探测能力（LCD）是CT 和常规射线照相之间的关键区别。这也是CT 在临床上迅速得到接受的最主要因素。

需要强调的是，除了CT 技术以外的所有无损检测技术都没有这个能力。因为没有重叠结构的干扰，图像的解释要比传统射线照相容易得多。新的购买者能很快看懂CT 的结果因此从上世纪70 年代初英国EMI 出现世界上第一台医用CT 扫描设备以来，CT 技术一直迅速发展。现在CT 已成为最常用的临床诊断工具之一。而近年来螺旋CT 的出现又使这个技术前进一大步。

工业CT 的基本原理与医用CT 相同，因此也具有医用CT 所有的基本特点。其检测图像没有被检测的“切片”以外结构材料的干扰可发现检测对象内部极小的材料密度变化。同时图像的解释要比传统射线照相容易得多。

因此工业CT 也被广泛用来检查机械零部件内部结构或装配正确性，还可以用于非破坏测量零件内部尺寸。近年来，鉴于各种其他无损检测手段的大量研究没有得到令人满意的结果，工业CT 又被认为是检查毒品和爆炸物最有应用前景的手段。

值得注意的是CT 检测得到的是辐射密度分布图像，更专业一些应当称之为射线线性衰减系数的分布图像。由于在大多数情况下辐射密度与材料密度有近似的对应关系，人们往往把CT 图像误认为就是一般（材料）密度的分布图像。这种混淆在很多实际应用情况下并无很大害处，然而在精确定量分析检测结果时就有可能导致一些错觉。

由于检测对象的不同，工业CT 与医用CT 差别很大，以至从外表上几乎看不出多少相似的地方。医用CT 的检测对象基本上是人体或器官，材料密度和外形尺寸的变化范围相对比较小。但是工业CT 的检测对象就要广泛得多，从微米级的集成电路到超过一米的大型工件，从密度低于水的木材或其它多孔材料到高原子序数的重金属材料都是CT 检测对象；关心的检测要求从各类内部缺陷到装配结构和尺寸测量，也各不相同。这就使不同用途的工业CT 系统所用的射线源、射线探测器和系统结构很不相同，甚至工业CT 系统之间的外形也大不相同。从这个意义上说，理解工业CT 比理解医用CT 也许更加困难。

工业CT 的缺点是因为其技术复杂，设备价格相对高昂。设备的使用和维护相对难度也较大。另外重建断层图像需要采集的数据量庞大检测速度较慢。

1.2 工业CT 的主要部件和它们的特点

一个工业CT 系统至少应当包括射线源，辐射探测器，样品扫描系统，计算机系统（硬件和软件）等。

1.2.1 射线源的种类

射线源常用X 射线机和直线加速，统称电子辐射发生器。电子回旋加速从原则上说可以作CT 的射线源，但是因为强度低，几乎没有得到实际的应用。X 射线机的峰值射线能量和强度都是可调的，实际应用的峰值射线能量范围从几KeV 到450KeV；直线加速的峰值射线能量一般不可调，实际应用的峰值射线能量范围从1 ～16MeV，更高的能量虽可以达到，主要仅用于实验。电子辐射发生器的共同优点是切断电源以后就不再产生射线，这种内在的安全性对于工业现场使用是非常有益的。电子辐射发生器的焦点尺寸为几微米到几毫米。在高能电子束转换为X 射线的过程中，仅有小部分能量转换为X 射线，大部分能量都转换成了热，焦点尺寸越小，阳极靶上局部功率密度越大，局部温度也越高。实际应用的功率是以阳极靶可以长期工作所能耐受的功率密度确定的。因此，小焦点乃至微焦点的的射线源的使用功率或最大电压都要比大焦点的射线源低。电子辐射发生器的共同缺点是X 射线能谱的多色性，这种连续能谱的X 射线会引起衰减过程中的能谱硬化，导致各种与硬化相关的伪像。

同位素辐射源的最大优点是它的能谱简单，同时有消耗电能很少，设备体积小且相对简单，而且输出稳定的特点。但是其缺点是辐射源的强度低，为了提高源的强度必须加大源的体积，导致“焦点”尺寸增大。在工业CT 中较少实际应用。

同步辐射本来是连续能谱，经过单色器选择可以得到定向的几乎单能的高强度X 射线，因此可以做成高空间分辨率的CT 系统。但是由于射线能量为20KeV 到30KeV，实际只能用于检测1mm 左右的小样品，用于一些特殊的场合。

1.2.2 辐射探测器

工业CT 所用的探测器有两个主要的类型——分立探测器和面探测器

1.2.2.1 分立探测器

常用的X 射线探测器有气体和闪烁两大类。

气体探测器具有天然的准直特性，限制了散射线的影响；几乎没有窜扰；且器件一致性好。缺点是探测效率不易提高，高能应用有一定限制；其次探测单元间隔为数毫米，对于有些应用显得太大。

应用更为广泛的还是闪烁探测器。闪烁探测器的光电转换部分可以选用光电倍增管或光电二极管。前者有极好的信号噪声比，但是因为器件尺寸大，难以达到很高的集成度，造价也高。工业CT 中应用最广泛的是闪烁体—光电二极管组合。

应用闪烁体的分立探测器的主要优点是：闪烁体在射线方向上的深度可以不受限制，从而使射入的大部分X 光子被俘获，提高探测效率。尤其在高能条件下，可以缩短获取时间；因为闪烁体是独立的，所以几乎没有光学的窜扰；同时闪烁体之间还有钨或其他重金属隔片，降低了X 射线的窜扰。若将隔片向前延伸形成准直器还可以挡住散射X 射线；分立探测器可以达到16～ 20 bits 的动态范围，而且不致因为散射和窜扰性能降低。分立探测器的读出速度很快，在微秒量级。同时可以用加速输出脉冲来选通数据采集，最大限度减小信号上叠加的噪声。分立探测器对于辐射损伤也是最不敏感的。

分立探测器的主要缺点是像素尺寸不可能做得太小，其相邻间隔(节距)一般大于0.1mm；另外价格也要贵一些。

有一些关于CdZnTe 半导体探测器阵列用于工业CT 的报导。半导体探测器俗称为固体电离室，由于本身对X 射线灵敏，无须外加闪烁体，这种探测器尺寸可以做得较小，没有光学的窜扰。如果探测单元之间没有重金属隔片，仍然无法避免散射X 射线的影响。应当说这是一种很有应用前景的CT 探测器，但目前还有余辉过长等一些技术问题需要解决。

1.2.2.2 面探测器

面探测器主要有三种类型：高分辨半导体芯片、平板探测器和图像增强器。半导体芯片又分为CCD 和CMOS。CCD 对X 射线不敏感，表面还要覆盖一层闪烁体将X 射线转换成CCD 敏感的可见光。平板探测器和图像增强器本质上也需要内部的闪烁体先将X 射线转换成这些器件敏感波段的可见光。

半导体芯片具有最小的像素尺寸和最大的探测单元数，像素尺寸可小到10 微米左右，探测单元数量取决于硅单晶的最大尺寸，一般直径在50mm 以上。因为探测单元很小，信号幅度也很小，为了增大测量信号可以将若干探测单元合并。为了扩大有效探测器面积可以用透镜或光纤将它们光学耦合到大面积的闪烁体上。用光纤耦合的方法理论上可以把探测器的有效面积在一个方向上延长到任意需要的长度。使用光学耦合的技术还可以使这些半导体器件远离X 射线束的直接辐照，避免辐照损伤。

用半导体芯片也可以组成线探测器阵列，每个探测单元对应的闪烁体之间没有隔离或者在许多探测单元上覆盖一整条闪烁体，具有面探测器的基本特征，除了像素尺寸小的优点以外，其性能无法与分立探测器相比。图像增强器是一种传统的面探测器，是一种真空器件。名义上的像素尺寸＜100μm，直径152～457mm(6～18in)。读出速度可达15～30 帧/s，是读出速度最快的面探测器。由于图像增强过程中的统计涨落产生的固有噪声，图像质量比较差，一般射线照相灵敏度仅7～8%，在应用计算机进行数据叠加的情况下，射线照相灵敏度可以提高到2%以上。另外的缺点就是易碎和有图像扭曲。

‍‍因为日本的经济和综合国力衰退了，各个产业也随着经济形势变化而发生了改变。其中最主要的一个原因还是像美国和韩国等半导体产业的崛起冲击了日本的半导体产业，在技术和工艺方面赶超了日本。同时伴随着市场地位的下滑，半导体产业衰退下去必然趋势，现在的市场比的都是速度，效率，质量，技术等等，如果在这些环节慢别人一拍很可能就要被市场淘汰，花更少的钱买到更好的产品是每个人都追求的事情。‍‍

---