文|微細(xì)加工研究所所長 湯之上隆
半導(dǎo)體生產(chǎn)是個(gè)復(fù)雜的過程，產(chǎn)業(yè)鏈上的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能會“牽一發(fā)而動全身”，該工廠被關(guān)閉影響較大，如果制造端無法及時(shí)補(bǔ)充庫存，甚至?xí)杏绊懙叫酒Ｉa(chǎn)的可能。對此，日本精密加工研究所所長湯之上隆撰文表達(dá)了對此事的看法，閱讀這篇文章你會了解：
1. 冷卻劑到底是干什么的？
2. 關(guān)廠會給晶圓廠帶來了哪些影響？
3. 究竟如何解決？
2020年，新型冠狀病毒感染(COVID-19)的感染擴(kuò)大以來，芯片開始嚴(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這個(gè)數(shù)字。由此可見，半導(dǎo)體行業(yè)最近幾年迎來了史無前例的繁榮時(shí)期。
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，將詳細(xì)介紹3M在該領(lǐng)域的全球市場份額。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?jiān)笗?/p>
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。
在干法蝕刻過程中，來自等離子體的熱量會流入晶圓，因此如果不采取任何措施，晶圓的溫度會升高，蝕刻特性會發(fā)生波動。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的背面流動，并使冷卻劑循環(huán)以保持靜電吸盤的溫度恒定。3M的冷卻劑Fluorinert 就起到這種作用。
此外，由于僅靠靜電吸盤與晶片的物理接觸對晶片的溫度控制是不夠的，因此在晶片與靜電吸盤之間，通過He(氦)氣體的流動，來提高熱傳導(dǎo)的效率。由于He比空氣或蝕刻氣體輕，分子運(yùn)動速度快，所以在晶片和靜電吸盤之間來回移動，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中，晶片通過在冷卻器中循環(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，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。
正如文章開頭所說，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，F(xiàn)luorinert的全球市場占有率約為50%，Novec約為30%。而這款Novec是在3M的美國工廠生產(chǎn)的，目前生產(chǎn)沒有問題。
除了3M，總部位于比利時(shí)的索爾維（以下簡稱Solvay）還銷售一種名為“Galden”的冷卻劑，據(jù)估計(jì)其全球市場份額約為20%。索爾維的 Galden 是在意大利工廠生產(chǎn)的，目前生產(chǎn)也沒有問題。
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。
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，由于儲備量只有1-3個(gè)月左右，所以必須在儲備量用完之前，盡快采購替代品。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法應(yīng)付。另外，韓國的某存儲器制造商表示，想買下Solvay生產(chǎn)的所有 Galden。
因此，第一個(gè)問題是，由于全球制冷機(jī)用冷卻劑的絕對量不足，半導(dǎo)體制造商無法采購替代冷卻劑，導(dǎo)致干法蝕刻設(shè)備無法運(yùn)行，這也就意味著半導(dǎo)體工廠會停止生產(chǎn)。
第二個(gè)問題是，即使能夠采購3M的Novec或Solvay的Galden作為替代品，也有可能無法適應(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，也無法使用。
第三個(gè)問題是，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)長的時(shí)間。
而且，問題還不止于此。
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)使用的型號可以在臺灣使用，而且臺積電似乎也正使用它們，但據(jù)說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)測值為：臺積電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、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。
因此，未來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，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)，除非能夠采購到冷卻劑，否則蝕刻機(jī)將無法工作。不得不說這種可能性非常高。
怎樣才能解決這個(gè)難題呢?
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)用冷卻劑的問題。
這樣一來，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和各國政府向比利時(shí)政府請?jiān)?，要求解?M在比利時(shí)工廠的停產(chǎn)。
據(jù)說，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期存在而不被分解，這種擔(dān)憂浮出水面，據(jù)說是這次工廠停止的原因。
環(huán)境問題固然重要，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，3M的比利時(shí)工廠能否只是暫時(shí)停止運(yùn)作？對此，我們期待SEMI和各國政府向比利時(shí)政府的請?jiān)浮?/p>
*作者簡介：
湯之上隆，微細(xì)加工研究所所長。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，從事半導(dǎo)體、電器產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)的顧問及新聞工作者工作。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）。