每年夏天,日本全国各地均会举行花火大会,意为以烟花之绚烂驱赶恶灵,是祈祷平安的美好愿景。但是,水能载舟亦能覆舟,火也同样如此。

 

2020 年 1 月 7 日,也是在日本,位于四日市的存储器厂商 Kioxia(下称“铠侠”)6 号工厂(Fab 6)内的部分生产工具着火,后被迅速扑灭,且运营短时间中断后,现已恢复,目前没有人员伤亡的报告。

 

据悉,铠侠 6 号工厂于 2018 年 8 月投产,主要生产 64 层与 96 层 3D NAND 存储器。巧合的是,铠侠前身是东芝存储器(Toshiba Memory Corporation),于 2019 年 10 月更名,而此前的 9 月 25 日,东芝基础设施三重工厂发生火警,火势大约持续 60 分钟。

 

随后,虽然公司股东西部数据(Western Digital)声明,火灾与东芝存储器公司无关,但从侧面表明晶圆厂所面临的火警风险。其实,只要稍加留意,便会发现这并非第一次,也不是损失最严重的晶圆厂失火事件。

 

1997 年 10 月,联合集成电路公司(United Integrated Circuits Corporation)工厂火灾,直接损失高达 4.6 亿美元,被德州仪器消防队长 David Quadrini 认为是其从业以来最为惨烈的着火事故。

 

另外,包括英特尔、ST 意法半导体、SK 海力士等在内的行业厂商工厂,均发生程度不一的火灾,统计如下:

 

制图 | 与非网编辑部

 

从表格可知,失火工厂覆盖从原料生产,二三极管等分立器件,到 DRAM 与 NAND 等内存控制器等半导体各领域。从厂商类型来看,大部分均在各自细分市场内,采用从产品设计到生产的 IDM(Integrated Device Manufacturer,集成设备制造商)模式。

 

值得一提的是,包括台积电、格芯与中芯国际等专注晶圆代工的厂商,在所调查期限内,目前并未发现失火事件的爆出。相反,内存厂商(东芝 / 铠侠与 SK 海力士),均出现两次火警事故。

 

而内存领域老大三星电子,虽然未发生失火,但其位于华城的工厂却于 2020 新年第一天断电,大约持续一分钟,芯片生产被迫叫停,而产能的完全恢复则需要 2 至 3 天,预计会减少 1.25 万片芯片的生产。

 

此外,调研机构 TrendForce 预计 2020 年 1 月全球 DRAM 供货量为 129.5 万片,因此三星停电事件可能会降低全球约 1%的产能下降。与之对应的是,2013 年 SK 海力士在无锡的工厂大火,导致 DRAM 生产全面停摆。

 

由于该工厂产能占 SK 海力士总产能一半,加之其作为全球第二大存储供应商。因此,移动手机和计算机的存储芯片价格猛涨 19%,且随着 SK 海力士产线恢复的时间拖长,DRAM 价格仍会不断走高。 

 

包括 DRAM 内存与 NAND 闪存在内的产线均 24 小时运行,以应对全球市场供货需求。因此也不难解释,晶圆厂每次的失火或者停电,总是伴随存储市场价格的强烈波动的原因。当然,媒体在报道相关事件时,重心点也通常落于价格波动。

 

图源 | 百度

 

以铠侠起火事故为例,百度中输入“铠侠+起火”词条,返回结果(按焦点排序)中,前两位标题中均出现涨价等字眼(见上图),而对于事故原因却较少提及,至少未被作为标题突出显示,以抓取眼球。

 

太阳底下无新事。因此,失火原因通常在供需波动与价格上涨的喧嚣中,有意或无意间一笔带过。半导体生产流程从晶圆生产、掩膜制造、芯片制造到组装,工序繁杂。因过程涉及部分易燃化学材料与特殊加工方式,成为被火种选择的场景。

 

首先是试剂与气体方面,半导体生产过程中,需要用到酒精与天然溶剂等易燃液体;同时,部分在同硅烷和二硼烷接触时自然的气体,以及氢、氦、氧和氮等,均会被用于生产中,因此若存储或处理不当,无形中增加起火风险。

 

设备方面,包括晶圆加工熔炉(通常情况下被加热至 2500 化石摄氏度)、浸没式加热器、加热池与电热板等在内的设备,在过度加热,维护不当,以及接触易燃物质的情况下,均极有可能形成火灾。

 

灭火系统方面,喷射灭火的同时,也将净化车间内的晶圆、芯片与设备等全部污染;而卤化烷灭火器则可能与硅烷、二膜和金属烷基等物质发生强烈反应,加剧火势甚至引起爆炸;另外,无尘间外的干粉灭火器中的化学物质一旦出现生产区域,设备也将毁于一旦。

 

多种易燃气体与敏感设备使用于半导体生产过程中,因此需要在净化车间内完成,其时整个生产的心脏部位,芯片要在一个环境受控,没有灰尘和噪音振动的条件下生产,温度和湿度也调整得十分得当,以防静电干扰,引起火灾。

 

最后是人为因素。1963 年,位于美国 Elkridge 的 Westinghouse 晶圆厂内,工程师在使用蒸汽注入加热过后的管道(位于正硅酸酯起泡器后端)时,由于操作不当,导致正硅酸酯注入后溶解管道,工作人员试图使用灭火器时,彻底引燃无尘间。

 

值得庆幸的是,晶圆厂商们正在积极拥抱工厂防火标准与认证。以 UMC 联华电子(以下简称“联华”)为例,该公司在 2018 年财报中披露,其在工厂建立与运行过程中,与美国工厂互保研究(Factory Mutual)保险公司,美国安全试验所(Underwriter Laboratories),国家防火协会(National Fire Prevention Association, NFPA),半导体设备与材料风险评估国际组织(Semiconductor Equipment and Materials Risk Management and Evaluation International, SEMI)合作,获得相关资格认证的同时,引入合理的生产与流程管理方法。

 

此外,联华自称其是行业内唯一配备救火队的公司。据悉,该队独立运营,拥有专业的防火引擎与灭火设备,可实时响应火灾等事故。同时,日常对晶圆厂内工程师与一线工人进行培训,增强工作人员对火灾的正确响应意识与防法。

 

另外,如何预防晶圆厂失火事故并做出有效预案,与非网记者采访行业相关专业人士,经过整理后有如下具体方法与建议。

 

首先,目前部分晶圆厂车间在采用无区隔的单间方式布局,建议在实际情况允许前提下,可尽量通过墙体,地板与天花板等,进行隔断处理,以免一旦失火时,降低火势蔓延的速度。

 

其次,工厂内包括空调与除烟雾设备在内的气体控制系统,必需要安装于车间内,警报发起时,可自动响应,过滤火灾发生时的有毒气体。而所有管道需采用非易燃材质。

 

最后,晶圆厂内的掩膜全部需要备份,并放置于远离晶圆厂的区域;同时,原材料也需要提前做相应储备,以防事故发生后可迅速重启运营,恢复生产。

 

写在最后

 

走过迷雾,穿越喧嚣,晶圆厂失火事件背后,是全球半导体行业的波动与考验。而相较于传播价格上涨或下跌的焦虑,何不理性分析事故原因,直面真相,引入事故预警与事故后处理方案?这可能才是每一位半导体从业者需要思考的问题。