芯耀
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作者：湯之上隆
編譯：小芯
3月18日，3M比利時(shí)公司向客戶發(fā)布通知，稱該工廠將無(wú)限期關(guān)閉，據(jù)悉，該工廠主要生產(chǎn)半導(dǎo)體蝕刻工藝專(zhuān)用的冷卻劑，3M公司的產(chǎn)能占全球80%，其客戶包括臺(tái)積電、Intel、三星、SK海力士等全球半導(dǎo)體巨頭。
3M工廠被比利時(shí)政府強(qiáng)制要求關(guān)閉，主要是和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保政策有關(guān)，因?yàn)槠渖a(chǎn)的冷卻劑產(chǎn)品中含有全氟、多氟烷基物質(zhì)（PFAS），此物質(zhì)有可能在人體內(nèi)積累，所以歐國(guó)國(guó)家對(duì)這種化學(xué)物質(zhì)的管控非常嚴(yán)格。
而半導(dǎo)體生產(chǎn)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，產(chǎn)業(yè)鏈上的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都可能會(huì)“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，該工廠被關(guān)閉影響較大，如果制造端無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充庫(kù)存，甚至?xí)杏绊懙?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%8A%AF%E7%89%87/">芯片正常生產(chǎn)的可能。對(duì)此，日本精密加工研究所所長(zhǎng)湯之上隆撰文表達(dá)了對(duì)此事的看法，閱讀這篇文章你會(huì)了解：
1. 冷卻劑到底是干什么的？
2. 關(guān)廠會(huì)給晶圓廠帶來(lái)了哪些影響？
3. 究竟如何解決？
以下為編譯全文：
《3M比利時(shí)工廠停工，令人驚愕的沖擊~(yú)世界半導(dǎo)體工廠面臨停工危機(jī)》
01 、半導(dǎo)體盛況被潑“冷水”
2020年，新型冠狀病毒感染(COVID-19)的感染擴(kuò)大以來(lái)，芯片開(kāi)始嚴(yán)重緊缺，世界各地的半導(dǎo)體工廠增產(chǎn)又增產(chǎn)。根據(jù)世界半導(dǎo)體市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)(WSTS)，2021年的出貨額約5523億美元，出貨量約1.2兆個(gè)，均創(chuàng)歷史新高。而且在今年也就是2022年，出貨額和出貨量都將超過(guò)這個(gè)數(shù)字。由此可見(jiàn)，半導(dǎo)體行業(yè)最近幾年迎來(lái)了史無(wú)前例的繁榮時(shí)期。
圖1：全球半導(dǎo)體出貨金額及出貨量（2022年預(yù)測(cè)） 來(lái)源：作者根據(jù)WSTS數(shù)據(jù)制作
但在這種盛況中卻發(fā)生了“潑冷水事件”。2022年3月8日，美國(guó)3M的比利時(shí)工廠停止生產(chǎn)含有PFAS成分的冷卻劑。筆者得知這個(gè)事態(tài)后感到很驚訝。
這是因?yàn)?Fluorinert 等液體是半導(dǎo)體干法蝕刻設(shè)備溫度控制必不可少的冷卻劑，而 3M 在該領(lǐng)域的全球市場(chǎng)份額達(dá)到 80%。如果該供應(yīng)被切斷，世界各地工廠中運(yùn)行的干法蝕刻設(shè)備將停止工作。
本文詳細(xì)介紹了 3M 關(guān)閉其比利時(shí)工廠的影響。首先，我們將解釋干法蝕刻設(shè)備中使用 Fluorinert 等冷卻劑的位置。接下來(lái)，將詳細(xì)介紹3M在該領(lǐng)域的全球市場(chǎng)份額。然后，推斷 3M 比利時(shí)工廠關(guān)閉的影響將在何處以及如何受到阻礙。
總而言之，目前事態(tài)非常嚴(yán)重。唯一的解決方案似乎是作為世界半導(dǎo)體行業(yè)集團(tuán)和政府的聯(lián)合機(jī)構(gòu)向比利時(shí)政府提出（臨時(shí)）放松管制的請(qǐng)?jiān)笗?shū)。
02 、干法蝕刻設(shè)備的溫度控制原理
在干法蝕刻技術(shù)中，為了形成細(xì)微的顆粒、深孔和凹槽，晶圓溫度控制的重要性逐年增加。
圖2：干法蝕刻設(shè)備中的溫度控制原理
在干法蝕刻過(guò)程中，來(lái)自等離子體的熱量會(huì)流入晶圓，因此如果不采取任何措施，晶圓的溫度會(huì)升高，蝕刻特性會(huì)發(fā)生波動(dòng)。因此，為了保持一定的蝕刻特性，需要控制晶片的溫度恒定。
因此，使用一種稱為冷卻器的裝置，使具有一定溫度的冷卻劑從靜電吸盤(pán)的背面流動(dòng)，并使冷卻劑循環(huán)以保持靜電吸盤(pán)的溫度恒定。3M的冷卻劑Fluorinert 就起到這種作用。
此外，由于僅靠靜電吸盤(pán)與晶片的物理接觸對(duì)晶片的溫度控制是不夠的，因此在晶片與靜電吸盤(pán)之間，通過(guò)He(氦)氣體的流動(dòng)，來(lái)提高熱傳導(dǎo)的效率。由于He比空氣或蝕刻氣體輕，分子運(yùn)動(dòng)速度快，所以在晶片和靜電吸盤(pán)之間來(lái)回移動(dòng)，起到熱傳導(dǎo)的作用。
如上所述，在干法蝕刻裝置的靜電吸盤(pán)中，晶片通過(guò)在冷卻器中循環(huán)的冷卻劑和He氣被控制到一定溫度。由于溫度范圍很廣，從接近100°C的高溫到-40°C的極低溫，都需要針對(duì)每個(gè)目標(biāo)溫度進(jìn)行優(yōu)化的冷卻劑。
而且，雖然這種冷卻劑是循環(huán)使用的，但它會(huì)一點(diǎn)一點(diǎn)地泄漏，所以要一邊補(bǔ)充泄漏的量，一邊進(jìn)行循環(huán)。也就是說(shuō)，半導(dǎo)體工廠為了運(yùn)轉(zhuǎn)干法蝕刻設(shè)備，需要穩(wěn)定地調(diào)配冷卻劑。
圖3：干法刻蝕設(shè)備冷卻劑全球份額
正如文章開(kāi)頭所說(shuō)，3M 占據(jù)了 80% 的份額。除了這次停產(chǎn)的氟基惰性液體Fluorinert，3M還銷(xiāo)售一種名為“Novec”的產(chǎn)品，它是一種部分改性的氟化合物結(jié)構(gòu)，用于替代氟利昂。據(jù)推測(cè)，F(xiàn)luorinert的全球市場(chǎng)占有率約為50%，Novec約為30%。而這款Novec是在3M的美國(guó)工廠生產(chǎn)的，目前生產(chǎn)沒(méi)有問(wèn)題。
除了3M，總部位于比利時(shí)的索爾維（以下簡(jiǎn)稱Solvay）還銷(xiāo)售一種名為“Galden”的冷卻劑，據(jù)估計(jì)其全球市場(chǎng)份額約為20%。索爾維的 Galden 是在意大利工廠生產(chǎn)的，目前生產(chǎn)也沒(méi)有問(wèn)題。
總之，隨著3M比利時(shí)工廠的停產(chǎn)，全球約一半的干法蝕刻設(shè)備冷卻劑突然消失。只要稍加思考，也能看出這種影響的嚴(yán)重性。
03 、運(yùn)轉(zhuǎn)中的半導(dǎo)體工廠的混亂
據(jù)一位供應(yīng)商稱，3M 在比利時(shí)的工廠于去年 2021 年 12 月關(guān)閉。因此，在 2022 年初，烏云開(kāi)始蔓延到 Fluorinert 的供應(yīng)中。最終，在 3 月 8 日，比利時(shí)工廠的 PFAS 相關(guān)生產(chǎn)停止了。
【更正：在2022年4月12日11點(diǎn)5分的時(shí)候，雖然記載了“比利時(shí)工廠被無(wú)限期關(guān)閉”，但是因?yàn)橥Ｖ股a(chǎn)的只是比利時(shí)工廠的PFAS相關(guān)產(chǎn)品，在此表示歉意并進(jìn)行修正?！?/p>
結(jié)果，在干法蝕刻設(shè)備的備用機(jī)中使用Fluorinert的半導(dǎo)體工廠，由于儲(chǔ)備量只有1-3個(gè)月左右，所以必須在儲(chǔ)備量用完之前，盡快采購(gòu)替代品。選項(xiàng)只有3M的Novec或Solvay的Galden。
突然之間，全世界冷卻劑的市場(chǎng)份額只剩下了一半，半導(dǎo)體廠商的訂單蜂擁而至。據(jù)可靠人士提供的信息，Solvay公司接到的訂單根本無(wú)法應(yīng)付。另外，韓國(guó)的某存儲(chǔ)器制造商表示，想買(mǎi)下Solvay生產(chǎn)的所有 Galden。
因此，第一個(gè)問(wèn)題是，由于全球制冷機(jī)用冷卻劑的絕對(duì)量不足，半導(dǎo)體制造商無(wú)法采購(gòu)替代冷卻劑，導(dǎo)致干法蝕刻設(shè)備無(wú)法運(yùn)行，這也就意味著半導(dǎo)體工廠會(huì)停止生產(chǎn)。
第二個(gè)問(wèn)題是，即使能夠采購(gòu)3M的Novec或Solvay的Galden作為替代品，也有可能無(wú)法適應(yīng)干法蝕刻設(shè)備所需的溫度范圍。例如，想把靜電吸盤(pán)的溫度控制在極低的- 40℃，即使調(diào)配了高溫用的冷卻劑，也無(wú)法使用。
第三個(gè)問(wèn)題是，即使我們成功獲得了所需溫度范圍內(nèi)的替代冷卻劑，我們?nèi)匀恍枰_認(rèn)該冷卻劑是否可以像以前一樣用于制造半導(dǎo)體。因此，有必要使用替代冷卻劑制作原型并設(shè)置干法蝕刻工藝的條件。這需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。
而且，問(wèn)題還不止于此。
注) 根據(jù)筆者獲得的信息，在3M Novec的陣容中，在通用溫度范圍內(nèi)使用的型號(hào)可以在中國(guó)臺(tái)灣使用，而且臺(tái)積電似乎也正使用它們，但據(jù)說(shuō)在日本是不允許使用 Novec 的。如果是這樣的話，那么Solvay的Galden是鎧俠、索尼、瑞薩電子等日本功率半導(dǎo)體廠商的不二選擇。換言之，可以說(shuō)日本半導(dǎo)體廠商面臨著更加困難的局面。
自去年2021年以后，半導(dǎo)體企業(yè)紛紛進(jìn)行設(shè)備投資，計(jì)劃新增設(shè)半導(dǎo)體工廠。圖4所示的2022年設(shè)備投資預(yù)測(cè)值為：臺(tái)積電440億美元、三星電子360億美元、英特爾280億美元、SK海力士139億美元、美光115億美元等。此外，各國(guó)、各地區(qū)為了加強(qiáng)半導(dǎo)體制造，正在支出巨額補(bǔ)助金。
圖4：半導(dǎo)體廠商資金投入趨勢(shì)（單位：億美元） 資料來(lái)源：Andrea Lati，VLSI Research（Tech Insights），《半導(dǎo)體市場(chǎng)概覽》
因此，未來(lái)世界各地將增加新的半導(dǎo)體工廠，這些半導(dǎo)體工廠陸續(xù)導(dǎo)入了數(shù)量眾多的干法蝕刻設(shè)備。
但是，即使Lam Research、Tokyo Electron、應(yīng)用材料、日立高新技術(shù)等制造干法蝕刻設(shè)備，全球有4-5家制冷機(jī)制造商供應(yīng)制冷機(jī)，也很難確保制冷機(jī)使用的冷卻劑。換句話說(shuō)，即使一家半導(dǎo)體制造商增加了一個(gè)新工廠，并在每個(gè)工廠引入了數(shù)百臺(tái)干法蝕刻設(shè)備和多于相同數(shù)量的制冷機(jī)，除非能夠采購(gòu)到冷卻劑，否則蝕刻機(jī)將無(wú)法工作。不得不說(shuō)這種可能性非常高。
怎樣才能解決這個(gè)難題呢?
04 、除了向比利時(shí)政府請(qǐng)?jiān)竸e無(wú)他法?
如果3M公司和Solvay公司進(jìn)行設(shè)備投資，使Novec和Galden的供應(yīng)量翻倍，那么新建的工廠(雖然不是全部)或許就能投入使用。但鑒于 3M 和Solvay將確保預(yù)算、建造工廠和批量生產(chǎn)冷卻劑，這將需要數(shù)年時(shí)間。因此，我認(rèn)為不能馬上解決制冷機(jī)用冷卻劑的問(wèn)題。
這樣一來(lái)，剩下的手段就只有一個(gè)了。那就是半導(dǎo)體業(yè)界團(tuán)體SEMI和各國(guó)政府向比利時(shí)政府請(qǐng)?jiān)?，要求解?M在比利時(shí)工廠的停產(chǎn)。
據(jù)說(shuō)，此次風(fēng)波的背景是比利時(shí)法蘭德斯地方政府環(huán)保督察的影響。由于其穩(wěn)定性，3M Fluorinert 等氟化合物在自然界中長(zhǎng)期存在而不被分解，這種擔(dān)憂浮出水面，據(jù)說(shuō)是這次工廠停止的原因。
環(huán)境問(wèn)題固然重要，但 3M 比利時(shí)工廠突然關(guān)閉的影響太大了。在比利時(shí)的佛蘭德斯地方政府開(kāi)始批量生產(chǎn)替代產(chǎn)品之前，希望能給予一定的時(shí)間延緩。換句話說(shuō)，3M的比利時(shí)工廠能否只是暫時(shí)停止運(yùn)作？對(duì)此，我們期待SEMI和各國(guó)政府向比利時(shí)政府的請(qǐng)?jiān)浮?/p>
作者簡(jiǎn)介：
湯之上隆，微細(xì)加工研究所所長(zhǎng)。1961年出生于日本靜岡縣，畢業(yè)于京都大學(xué)研究生院（原子核工學(xué)專(zhuān)業(yè)）后進(jìn)入日立制作所工作。之后的16年間，在中央研究所、半導(dǎo)體事業(yè)部、爾必達(dá)存儲(chǔ)器（借調(diào)）、半導(dǎo)體尖端技術(shù)公司（借調(diào)）從事半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)開(kāi)發(fā)。2000年被京都大學(xué)授予工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為微加工研究所所長(zhǎng)，從事半導(dǎo)體、電器產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)的顧問(wèn)及新聞工作者工作。著有《日本半導(dǎo)體戰(zhàn)敗》（光文社）、《電機(jī)半導(dǎo)體大崩潰的教訓(xùn)》（日本文藝社）、《日本型產(chǎn)品的失敗零戰(zhàn)半導(dǎo)體電視》（文春新書(shū)）。
