CINNO Research产业资讯,最近一段时间,关于车载半导体短缺的话题持续升温,一系列的自然灾害和火灾事故给全球汽车产业带来重大打击。

 

车载半导体短缺初现端倪是在2021年初, 当时情况如下:

 

由于2020年新冠疫情在全球范围内传播造成的动荡,当年的3月至8月期间,汽车需求 "蒸发"。受此影响,车载半导体销售份额排名第一的德国英飞凌科技公司、份额排名第二的荷兰恩智浦半导体公司、份额排名第三的日本瑞萨电子公司纷纷取消了与台湾台积电的生产委托。

 

然而,台积电却接到了来自全球各地半导体专业设计厂商的生产订单,其车载半导体合同被取消的空档很快就被填补。因此,当去年秋天汽车产量逐渐恢复,汽车厂商再下订单时,台积电已无力接受。幸好,汽车需求“蒸发”期间过剩的车载半导体库存,弥补了2020年的汽车生产,但到2021年库存用完后,车载半导体产能依然紧张,结果出现了极大的社会连锁反应。

 

接下来,2021年2月12日,美国德克萨斯州突发寒流,奥斯汀能源公司于2月16日启动“旋转式停电”,造成三星电子、英飞凌和恩智浦在该州的半导体工厂停产。停电使上述三家公司合计每月停产约11.5万片12英寸晶圆。除车载半导体外,三星电子的逻辑半导体生产也受到严重影响。

 

此外,2021年2月13日,福岛县沿海发生地震,日本瑞萨那珂工厂停电造成工厂停止运转约3小时。

 

而就在终于恢复供电之后,3月19日,瑞萨那珂工厂的300mm生产线(N3栋)发生了火灾(图1)。

 

一家半导体工厂发生如此大的火灾,是前所未有的。火灾的影响巨大,瑞萨预计损失约175-240亿日元(10.9-14.9亿人民币),乐观估计至少也需要100-120天才能恢复到震前和火灾前的生产水平(4月6日,瑞萨官宣已经决定方针,要利用该公司的西条工厂 (日本爱媛县西条市) 来进行替代生产作业)。因此,预估2021年4月至2021年6月,全球汽车产量将减产160万辆(《日本经济新闻》3月31日)。 

 

图1 瑞萨那珂工厂火灾现场



为了避免影响扩大,日本经济产业大臣梶山浩在3月30日内阁会议后的记者会上宣布,正在就瑞萨车载半导体的替代生产问题向台湾厂商提出合作要求。据分析此台湾厂商应该是台积电,但自去年以来,台湾因降雨量少,严重缺水,致使台积电的半导体工厂也运作的十分紧张。

 

如果台积电的半导体工厂生产中断,可能会对全球电子行业造成毁灭性打击,因此台积电将可能无力将其资源投入到仅占其出货量3%的车载半导体上。因此,一开始就处于紧迫状态的台积电是否会接受日本生产车载半导体的请求,目前还不得而知。 瑞萨起火原因分析
从去年到今年,新冠疫情、严寒天气和地震造成的停电、空前的火灾、少雨造成的缺水等,都对车载半导体的生产造成了影响。

 

然而,在上述事故中,瑞萨工厂大火是唯一与自然灾害无关的事故。据报道,起火原因是 "电镀设备因电流过大起火",但目前真实情况还不清楚。

 

3月21日,日本 「Car Watch」的文章《瑞萨:半导体工厂火灾,一个月后向汽车厂商出货将受影响,受影响产品三分之二为车载半导体》(作者:笠原一辉),报道了瑞萨于3月21日在线上召开的新闻发布会内容,其中关于起火原因的问答如下。

 

「—电镀设备装了过电流保护电路吗?另外,消防喷淋装置和其他装置是否有效?」

 

「小泽先生:设备中安装了防止过电流的断路器。据消防部门介绍,断路器是在电流流动时被关闭并点燃的。它起火后,并蔓延到树脂上。」(原文)

 

小泽英彦是发生火灾的300mm工厂瑞萨半导体制造公司的社长。小泽与瑞萨电子社长兼首席执行官柴田英利、瑞萨电子执行副总裁兼生产部本部长野崎雅彦一同出席了新闻发布会,并做出了上述回应。

 

然而,只是这么回答,难以理解为什么会发生这样的火灾。

 

因此,下面将首先说明一下电镀设备用于什么样的工艺中。

 

其次,介绍电镀设备的结构和工作原理。

 

最后,对电镀设备造成的过电流为什么会引起火灾进行推测。


瑞萨那珂工厂火灾发生的具体位置

如图2所示,半导体制造分为三个阶段:设计、前端工艺和后端工艺。与只进行设计的无厂半导体公司和只进行生产的代工厂不同,半导体制造商瑞萨,从设计到后端工艺的所有工序都在本公司工厂内部进行,被称为集成器件制造商(Integrated Device Manufacturer、IDM)。

 

(图2  半导体制造工艺「设计-前端工艺-后端工艺」及半导体截面图)


然而,瑞萨为了提高产量,将40nm以下先进工艺的全部以及40nm以上传统工艺的一部分外包给台积电,所以也被称为晶圆代工厂型。瑞萨那珂的前端工序包括200mm(N2楼)和300mm(N3楼)两个厂房,火灾发生在300mm的N3楼一楼(图3)。 

 

 

( 图3   发生火灾的瑞萨那珂工厂N3楼)



再回到图2,前端工艺在一个晶圆上大约需要500到1000个步骤,同时制造大约1000个芯片。从半导体的横截面照片可以看出,有10多层铜(Cu)布线层,而且越往下布线宽度越细。而在最底层,可以看到类似白芝麻粒状的东西。这就是所谓的晶体管的元件。这次火灾,是制造铜(Cu)布线的电镀过程中发生的。

 

铜(Cu)布线的形成方法

直到2000年左右,铝(Al)一直被用作半导体中的金属布线材料。如图4A所示,Al沉积成膜后,利用光刻技术形成抗蚀剂图案,直接用干蚀刻法处理Al,用灰化法去除抗蚀剂后,嵌入绝缘膜(SiO2)形成布线。

 

(图4A   铝布线与铜布线的工艺区别和铜电镀工艺—铝布线工艺)



但是,随着半导体微缩化的进展,Al的布线电阻成了问题,所以从130nm开始,采用电阻值比Al小的Cu作为布线材料。为了降低互连之间的电容耦合,采用了介电常数比SiO2低的Low-k薄膜(低介电常数薄膜)作为层间绝缘膜。

 

但由于用干蚀刻法直接加工Cu比较困难,所以采用所谓的 「大马士革法」形成布线,即在Low-k薄膜上加工沟槽,在沟槽中嵌入Cu镀层,再通过化学机械平面化(Chemical Mechanical Planarization、CMP)去除不必要的Cu,如图4B所示。 

 

(图4B 铝布线与铜布线的工艺区别和铜电镀工艺—铜布线工艺)



接下来是Cu电镀的过程(图5)。通过干法蚀刻在Low-k薄膜上形成沟槽后,沉积形成一层Ta或TaN的薄膜。这就是所谓的阻隔金属:Cu可以通过绝缘膜扩散,所以用Ta或TaN作为阻隔金属来防止其扩散。 

 

( 图5   大马士革法工艺细节)



接下来,使用称为溅射的沉积方法沉积Cu的薄膜。这层薄薄的Cu膜称为种子层。之后,就可以进入电镀工艺过程。如图6所示,将阴极和阳极两个电极浸入硫酸铜和硫酸的水溶液中,在电极之间施加直流电压。沉积Cu种子层的晶圆放在阴极侧。 

 

(图6  电镀的机理)



然后,在水溶液中生成Cu离子,Cu离子被吸引到阴极,并与Cu种子层中的电子结合,沉积为金属Cu。因此,如图5所示,槽内完全嵌入了Cu。之后,用CMP去除上层的Cu,就完成大马士革法的Cu布线。其实,在这个Cu电镀过程中是很难发生火灾的。

 

电流过大引起火灾?

在瑞萨的新闻发布会上,有说法是在电镀Cu的过程中,有过电流流过,从而引起了火灾。在记者会的问答环节,小泽社长回答说:“电镀设备上装有断路器”。这种安全措施是理所当然必须的。

 

即使是普通家庭也有断路器。普通公寓里,都会安装一个50A(安培)的断路器。因此,如果使用很多电器,总量超过50A,断路器自然会跳闸断电。因此,在家庭中使用各种电器时要注意,不要超过50A。

 

在瑞萨公司,小泽社长回应了关于电镀设备搭载断路器的问题:“根据消防部门给到的解释,断路器是在电流流动时被关闭并点燃的”。这句话的意思是“电镀时断路器跳闸,电流过大,引起火灾”吗?但是,如果断路器跳闸,此时电流应该停止。通常情况下就是这样,因为断路器是控制过电流的保护电路。

 

然而,它却因此 "点燃 "了。这是否意味着断路器没有起到保护电路的作用?这是否意味着保护电路已经失效?因此实际原因极有可能是 "保护电路故障"。

 

福岛地震的打击和裁员的影响

2月13日,瑞萨那珂工厂遭遇福岛县沿海地震,断电约3小时,数百台生产设备位于N3大楼内,同时全部断电。推测可能有部分生产设备因停电而损坏。例如,如果起火的电镀设备的保护电路坏了,或者其它地方有电路损坏都不足为奇。

 

瑞萨那珂工厂工作人员是否有能力一台一台地启动因这种停电而停止运转的数百台生产设备,这点值得怀疑。这是因为2010年与日立和三菱电机成立的瑞萨科技和NEC电子合并时,员工人数膨胀到4.92万人,但欧姆龙出身的时任社长作田久男却将员工人数和工厂数量减半(图7)。 

 

(图7  瑞萨的销售额,利润,员工数)



这种魔鬼式的裁员重组效果虽然帮助瑞萨实现盈利,但工厂工作的核心人员减少了3万多人,因此,之后在生产设备的安全管理上可能极其松懈。

 

此外,为应对2月13日地震后全球车载半导体的紧迫需求,瑞萨试图将瑞萨那珂工厂此前在60%左右的产能提高到满负荷生产。基于上述原因,在人员不足的情况下,急于启动可能已经出现保护电路破损的生产设备,而无视或忽略安全检查。可以推测,是不是在这个过程中发生了此次前所未有的火灾。

 

目前,火灾的真正原因尚不清楚。不过,车载半导体的供应短缺和汽车产业的困境还将持续,过去10年间裁员3万名加之晶圆代工的代价,现在看来是极其昂贵的。