作者:汤之上隆

编译:小芯

 

3月18日,3M比利时公司向客户发布通知,称该工厂将无限期关闭,据悉,该工厂主要生产半导体蚀刻工艺专用的冷却剂,3M公司的产能占全球80%,其客户包括台积电、Intel、三星、SK海力士等全球半导体巨头。

 

3M工厂被比利时政府强制要求关闭,主要是和当地的环保政策有关,因为其生产的冷却剂产品中含有全氟、多氟烷基物质(PFAS),此物质有可能在人体内积累,所以欧国国家对这种化学物质的管控非常严格。

 

而半导体生产是个复杂的过程,产业链上的任何一个环节出现问题,都可能会“牵一发而动全身”,该工厂被关闭影响较大,如果制造端无法及时补充库存,甚至会有影响到芯片正常生产的可能。对此,日本精密加工研究所所长汤之上隆撰文表达了对此事的看法,阅读这篇文章你会了解:

 

1. 冷却剂到底是干什么的?

2. 关厂会给晶圆厂带来了哪些影响?

3. 究竟如何解决?

 

以下为编译全文:

《3M比利时工厂停工,令人惊愕的冲击~世界半导体工厂面临停工危机》

 

01 、半导体盛况被泼“冷水”

 

2020年,新型冠状病毒感染(COVID-19)的感染扩大以来,芯片开始严重紧缺,世界各地的半导体工厂增产又增产。根据世界半导体市场统计(WSTS),2021年的出货额约5523亿美元,出货量约1.2兆个,均创历史新高。而且在今年也就是2022年,出货额和出货量都将超过这个数字。由此可见,半导体行业最近几年迎来了史无前例的繁荣时期。

 

 

图1:全球半导体出货金额及出货量(2022年预测)   来源:作者根据WSTS数据制作

 

但在这种盛况中却发生了“泼冷水事件”。2022年3月8日,美国3M的比利时工厂停止生产含有PFAS成分的冷却剂。笔者得知这个事态后感到很惊讶。

 

这是因为 Fluorinert 等液体是半导体干法蚀刻设备温度控制必不可少的冷却剂,而 3M 在该领域的全球市场份额达到 80%。如果该供应被切断,世界各地工厂中运行的干法蚀刻设备将停止工作。

 

本文详细介绍了 3M 关闭其比利时工厂的影响。首先,我们将解释干法蚀刻设备中使用 Fluorinert 等冷却剂的位置。接下来,将详细介绍3M在该领域的全球市场份额。然后,推断 3M 比利时工厂关闭的影响将在何处以及如何受到阻碍。

 

总而言之,目前事态非常严重。唯一的解决方案似乎是作为世界半导体行业集团和政府的联合机构向比利时政府提出(临时)放松管制的请愿书。

 

02 、干法蚀刻设备的温度控制原理

 

在干法蚀刻技术中,为了形成细微的颗粒、深孔和凹槽,晶圆温度控制的重要性逐年增加。

 

图2:干法蚀刻设备中的温度控制原理

 

在干法蚀刻过程中,来自等离子体的热量会流入晶圆,因此如果不采取任何措施,晶圆的温度会升高,蚀刻特性会发生波动。因此,为了保持一定的蚀刻特性,需要控制晶片的温度恒定。

 

因此,使用一种称为冷却器的装置,使具有一定温度的冷却剂从静电吸盘的背面流动,并使冷却剂循环以保持静电吸盘的温度恒定。3M的冷却剂Fluorinert 就起到这种作用。

 

此外,由于仅靠静电吸盘与晶片的物理接触对晶片的温度控制是不够的,因此在晶片与静电吸盘之间,通过He(氦)气体的流动,来提高热传导的效率。由于He比空气或蚀刻气体轻,分子运动速度快,所以在晶片和静电吸盘之间来回移动,起到热传导的作用。

 

如上所述,在干法蚀刻装置的静电吸盘中,晶片通过在冷却器中循环的冷却剂和He气被控制到一定温度。由于温度范围很广,从接近100°C的高温到-40°C的极低温,都需要针对每个目标温度进行优化的冷却剂。

 

而且,虽然这种冷却剂是循环使用的,但它会一点一点地泄漏,所以要一边补充泄漏的量,一边进行循环。也就是说,半导体工厂为了运转干法蚀刻设备,需要稳定地调配冷却剂。

 

图3:干法刻蚀设备冷却剂全球份额

 

正如文章开头所说,3M 占据了 80% 的份额。除了这次停产的氟基惰性液体Fluorinert,3M还销售一种名为“Novec”的产品,它是一种部分改性的氟化合物结构,用于替代氟利昂。据推测,Fluorinert的全球市场占有率约为50%,Novec约为30%。而这款Novec是在3M的美国工厂生产的,目前生产没有问题。

 

除了3M,总部位于比利时的索尔维(以下简称Solvay)还销售一种名为“Galden”的冷却剂,据估计其全球市场份额约为20%。索尔维的 Galden 是在意大利工厂生产的,目前生产也没有问题。

 

总之,随着3M比利时工厂的停产,全球约一半的干法蚀刻设备冷却剂突然消失。只要稍加思考,也能看出这种影响的严重性。

 

03 、运转中的半导体工厂的混乱


据一位供应商称,3M 在比利时的工厂于去年 2021 年 12 月关闭。因此,在 2022 年初,乌云开始蔓延到 Fluorinert 的供应中。最终,在 3 月 8 日,比利时工厂的 PFAS 相关生产停止了。

 

【更正:在2022年4月12日11点5分的时候,虽然记载了“比利时工厂被无限期关闭”,但是因为停止生产的只是比利时工厂的PFAS相关产品,在此表示歉意并进行修正。】

 

结果,在干法蚀刻设备的备用机中使用Fluorinert的半导体工厂,由于储备量只有1-3个月左右,所以必须在储备量用完之前,尽快采购替代品。选项只有3M的Novec或Solvay的Galden。

 

突然之间,全世界冷却剂的市场份额只剩下了一半,半导体厂商的订单蜂拥而至。据可靠人士提供的信息,Solvay公司接到的订单根本无法应付。另外,韩国的某存储器制造商表示,想买下Solvay生产的所有 Galden。

 

因此,第一个问题是,由于全球制冷机用冷却剂的绝对量不足,半导体制造商无法采购替代冷却剂,导致干法蚀刻设备无法运行,这也就意味着半导体工厂会停止生产。

 

第二个问题是,即使能够采购3M的Novec或Solvay的Galden作为替代品,也有可能无法适应干法蚀刻设备所需的温度范围。例如,想把静电吸盘的温度控制在极低的- 40℃,即使调配了高温用的冷却剂,也无法使用。

 

第三个问题是,即使我们成功获得了所需温度范围内的替代冷却剂,我们仍然需要确认该冷却剂是否可以像以前一样用于制造半导体。因此,有必要使用替代冷却剂制作原型并设置干法蚀刻工艺的条件。这需要相当长的时间。

 

而且,问题还不止于此。

 

注) 根据笔者获得的信息,在3M Novec的阵容中,在通用温度范围内使用的型号可以在台湾使用,而且台积电似乎也正使用它们,但据说在日本是不允许使用 Novec 的。如果是这样的话,那么Solvay的Galden是铠侠、索尼、瑞萨电子等日本功率半导体厂商的不二选择。换言之,可以说日本半导体厂商面临着更加困难的局面。

 

自去年2021年以后,半导体企业纷纷进行设备投资,计划新增设半导体工厂。图4所示的2022年设备投资预测值为:台积电440亿美元、三星电子360亿美元、英特尔280亿美元、SK海力士139亿美元、美光115亿美元等。此外,各国、各地区为了加强半导体制造,正在支出巨额补助金。

 

 

图4:半导体厂商资金投入趋势(单位:亿美元) 资料来源:Andrea Lati,VLSI Research(Tech Insights),《半导体市场概览》

 

因此,未来世界各地将增加新的半导体工厂,这些半导体工厂陆续导入了数量众多的干法蚀刻设备。

 

但是,即使Lam Research、Tokyo Electron、应用材料、日立高新技术等制造干法蚀刻设备,全球有4-5家制冷机制造商供应制冷机,也很难确保制冷机使用的冷却剂。换句话说,即使一家半导体制造商增加了一个新工厂,并在每个工厂引入了数百台干法蚀刻设备和多于相同数量的制冷机,除非能够采购到冷却剂,否则蚀刻机将无法工作。不得不说这种可能性非常高。

 

怎样才能解决这个难题呢?

 

04 、除了向比利时政府请愿别无他法?

 

如果3M公司和Solvay公司进行设备投资,使Novec和Galden的供应量翻倍,那么新建的工厂(虽然不是全部)或许就能投入使用。但鉴于 3M 和Solvay将确保预算、建造工厂和批量生产冷却剂,这将需要数年时间。因此,我认为不能马上解决制冷机用冷却剂的问题。

 

这样一来,剩下的手段就只有一个了。那就是半导体业界团体SEMI和各国政府向比利时政府请愿,要求解除3M在比利时工厂的停产。

 

据说,此次风波的背景是比利时法兰德斯地方政府环保督察的影响。由于其稳定性,3M Fluorinert 等氟化合物在自然界中长期存在而不被分解,这种担忧浮出水面,据说是这次工厂停止的原因。

 

环境问题固然重要,但 3M 比利时工厂突然关闭的影响太大了。在比利时的佛兰德斯地方政府开始批量生产替代产品之前,希望能给予一定的时间延缓。换句话说,3M的比利时工厂能否只是暂时停止运作?对此,我们期待SEMI和各国政府向比利时政府的请愿。

 

作者简介:

汤之上隆,微细加工研究所所长。1961年出生于日本静冈县,毕业于京都大学研究生院(原子核工学专业)后进入日立制作所工作。之后的16年间,在中央研究所、半导体事业部、尔必达存储器(借调)、半导体尖端技术公司(借调)从事半导体微细加工技术开发。2000年被京都大学授予工学博士学位。现为微加工研究所所长,从事半导体、电器产业相关企业的顾问及新闻工作者工作。著有《日本半导体战败》(光文社)、《电机半导体大崩溃的教训》(日本文艺社)、《日本型产品的失败零战半导体电视》(文春新书)。