芯耀
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作者：湯之上隆? 編譯：小芯
01、半導(dǎo)體支持的人類文明
我們每天都會(huì)使用連接到互聯(lián)網(wǎng)的智能手機(jī)或PC，這些設(shè)備都配備了許多芯片。此外，通信基站和數(shù)據(jù)中心的存在對(duì)互聯(lián)網(wǎng)也至關(guān)重要，這些也需要大量半導(dǎo)體提供支持。
在家庭或辦公室中有各種電器和燈具。電力是發(fā)電廠制造的，通過變電站傳輸。功率半導(dǎo)體等在發(fā)電和輸電中發(fā)揮著積極的作用。
我們還可能會(huì)坐地鐵上下班，坐飛機(jī)出差或旅行，或者在自動(dòng)取款機(jī)上從銀行存款中取錢。地鐵運(yùn)行系統(tǒng)、飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)、銀行核心系統(tǒng)等都由半導(dǎo)體控制。
因此，在當(dāng)今時(shí)代，沒有半導(dǎo)體，我們就無(wú)法工作，也無(wú)法過上文化生活。毫不夸張地說(shuō)，沒有半導(dǎo)體就不可能再維持人類文明。
然而，半導(dǎo)體的制造可能在2026年停止。然后，Rapidus公司聲稱，“到2027年，我們將大規(guī)模生產(chǎn)2納米的邏輯半導(dǎo)體”，這一（魯莽的）目標(biāo)將難以實(shí)現(xiàn)。
本文首先簡(jiǎn)要回顧了半導(dǎo)體的制造過程。接下來(lái)，將解釋美國(guó)3M公司將于2025年底退出生產(chǎn)的消息，該公司在干法刻蝕設(shè)備冷卻劑方面占據(jù)了80%的全球市場(chǎng)份額。在此基礎(chǔ)上，一些無(wú)法準(zhǔn)備替代冷卻劑的半導(dǎo)體制造商將面臨工廠停止運(yùn)營(yíng)的危機(jī)。
雖然事態(tài)非常嚴(yán)重，但從過去的情況來(lái)看，不能對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)組織SEMI和日本政府指望任何東西。俗話說(shuō)："天助自助者"。自助對(duì)于克服這一困難至關(guān)重要。
02、半導(dǎo)體制造工藝
如圖1所示，半導(dǎo)體是經(jīng)過設(shè)計(jì)、前道工序和后道工序三個(gè)階段生產(chǎn)出來(lái)的。
圖1 半導(dǎo)體制造工序
在這里，我們稱半導(dǎo)體制造商為無(wú)晶圓廠，只進(jìn)行設(shè)計(jì)。美國(guó)的蘋果公司就是一個(gè)典型的無(wú)晶圓廠公司，它銷售iPhone。蘋果為iPhone設(shè)計(jì)了處理器，并將前一步和后一步外包給臺(tái)積電，因此可以說(shuō)是無(wú)晶圓的。
前道工序中，在直徑為8-12英寸的硅晶片上同時(shí)制造約1000個(gè)半導(dǎo)體芯片。從無(wú)晶圓廠獲得生產(chǎn)委托并且僅執(zhí)行前道工序的半導(dǎo)體制造商稱為代工廠，典型的代工廠是臺(tái)積電。
在后道工序中，硅片變?。ㄑ心ィ?，碎片化（切割），用樹脂等封裝，進(jìn)行各種測(cè)試。專門從事后道工序的半導(dǎo)體制造商稱為OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly & Test）。
最近，3D集成電路蓬勃發(fā)展，多個(gè)芯片垂直堆疊在一起，臺(tái)積電等代工廠和垂直整合（集成設(shè)備制造商）的半導(dǎo)體制造商，如英特爾和三星電子，也進(jìn)入了后道工序領(lǐng)域。
03、前道工序的概要
圖 2 顯示了前道工序的簡(jiǎn)要概述。
圖 2 前道工序的簡(jiǎn)要概述
硅片被清洗，薄膜（如金屬和絕緣膜）沉積在硅片上，通過光刻技術(shù)形成電路圖案的電阻掩膜。然后，通過干法刻蝕實(shí)際進(jìn)行加工，去除不需要的抗蝕劑，清洗并檢查圖案大小。在這里，光刻和干法刻蝕這兩種技術(shù)稱為微加工。
這樣，沉積、光刻、刻蝕步驟要進(jìn)行30至50次以上，才能在二維硅片上形成三維結(jié)構(gòu)物晶體管、電容器、布線等。其工序數(shù)達(dá)500-1000道以上。此外，組件技術(shù)，還包括離子注入、CMP、熱處理等。
04、前道工序中使用的裝置和材料
圖 3 顯示了各公司在這個(gè)前道工序所使用的制造設(shè)備的份額。日本在涂布、顯影對(duì)位膠的晶片顯影器、熱處理裝置、片葉式和分批式清洗裝置、掩膜檢查裝置、測(cè)長(zhǎng)SEM等方面具有較高的市場(chǎng)占有率。
圖3 前道工序設(shè)備按公司劃分的份額（2021年）來(lái)源：作者根據(jù)野村證券的數(shù)據(jù)創(chuàng)建
此外，在前道工序使用的材料中，硅片、電阻、各種CMP漿料、各種高純度化學(xué)溶液，日本占有率非常高（圖4）。
圖4 前道工序材料各企業(yè)市場(chǎng)占有率及日本市場(chǎng)占有率(2020年)來(lái)源：與日本材料制造商合作的共享數(shù)據(jù)
上述任何一項(xiàng)設(shè)備丟失，半導(dǎo)體將無(wú)法生產(chǎn)。此外，缺少任何一種材料，也不可能生產(chǎn)半導(dǎo)體。更何況，一個(gè)設(shè)備由數(shù)千個(gè)零件組成，
缺少一個(gè)部件，就無(wú)法制造出成品的生產(chǎn)設(shè)備。在材料方面也是如此，如果沒有原材料，就不可能生產(chǎn)出成品材料。
半導(dǎo)體的生產(chǎn)建立在如此眾多的設(shè)備和材料之上。因此，如果缺乏某些設(shè)備部件的材料，或者某些材料的原材料短缺，半導(dǎo)體制造就會(huì)立即陷入困境。
現(xiàn)在，我們面臨的是一個(gè)驚人的問題，即到 2025 年底，干法刻蝕設(shè)備的制冷劑將在市場(chǎng)上消失 80%。將在下面詳細(xì)介紹。
05、干法刻蝕設(shè)備溫度控制原理
目前，臺(tái)積電熊本工廠正在建設(shè)中，月產(chǎn)量為5.5萬(wàn)張，計(jì)劃于2024年投產(chǎn)。在此類半導(dǎo)體工廠中，可能需要數(shù)百臺(tái)干刻蝕設(shè)備。在其干法刻蝕設(shè)備中，硅片的溫度必須得到精確控制，以便進(jìn)行精細(xì)加工。圖5 將解釋干刻蝕設(shè)備的溫度控制原理。
圖5 干刻蝕裝置中溫度控制的原理來(lái)源:野尻一男(Nanotech Research)《半導(dǎo)體干法刻蝕技術(shù)的首次問世》(技術(shù)評(píng)論社)，第90頁(yè)圖4-16
干法刻蝕過程中，等離子體的熱量會(huì)流入晶圓，如果什么都不做的話，晶圓的溫度會(huì)上升，刻蝕特性會(huì)發(fā)生變動(dòng)。因此，為了維持某種刻蝕特性，必須控制晶圓的溫度。
通過讓一定溫度的冷卻劑在靜電卡盤的背面循環(huán)，冷風(fēng)機(jī)用于保持靜電卡盤的溫度恒定。冷卻劑是由3M公司的Fluorinert或類似材料制成。
靜電卡盤和晶圓之間只有物理接觸，晶圓的溫度控制是不夠的，所以在晶圓和靜電卡盤之間要通入He（氦）氣，以提高熱傳導(dǎo)效率。氦氣比空氣和刻蝕氣體輕，分子運(yùn)動(dòng)速度快，熱量在晶圓和靜電卡盤之間來(lái)回傳遞。
如上所述，在干法刻蝕系統(tǒng)的靜電卡盤中，晶圓被冷卻器中循環(huán)的冷卻劑和氦氣控制在一定的溫度。而且溫度范圍很廣，從近100℃的高溫到-70℃的低溫。因此，需要為每個(gè)目標(biāo)溫度優(yōu)化的冷卻劑。
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，所以一邊補(bǔ)充泄漏的量一邊進(jìn)行循環(huán)。因此，半導(dǎo)體工廠為了保證干法刻蝕設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，必須穩(wěn)定地采購(gòu)冷卻劑。通常，半導(dǎo)體工廠的庫(kù)存約為三個(gè)月。
06、2022年3月8日，第一起事件發(fā)生
圖 6 顯示了干法刻蝕設(shè)備冷卻劑的全球份額。
圖6 干法刻蝕設(shè)備冷卻劑的全球份額來(lái)源：作者的研究估計(jì)
以Florinert聞名的3M公司在比利時(shí)的工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品，在全球的市場(chǎng)份額約為50%，Novec也是由3M公司在美國(guó)的工廠生產(chǎn)，約占30%，Galden是由總部設(shè)在比利時(shí)的Solvay公司在意大利的工廠生產(chǎn)，約占20%。
以上任何制冷劑都是氟基惰性液體，是一種多氟烷基物質(zhì)（聚氟烷烴，PFAS）。
在這種情況下，2022年3月8日，比利時(shí)佛蘭德斯地方政府強(qiáng)制停止生產(chǎn) 3M 比利時(shí)工廠（包括Florinert）。PFAS是一種非常穩(wěn)定的有機(jī)氟化物，強(qiáng)制停止的原因是污染問題。
許多半導(dǎo)體制造商依靠占全球市場(chǎng)份額約50%的Fluorinert，其庫(kù)存只有三個(gè)月左右。半導(dǎo)體工廠無(wú)法采購(gòu)替代制冷劑，若Fluorinert庫(kù)存耗盡，干刻蝕設(shè)備將無(wú)法運(yùn)行，這意味著半導(dǎo)體工廠將停止運(yùn)行。
筆者認(rèn)為這是一個(gè)嚴(yán)重的情況，并首先為《EE Times》日本發(fā)表了一篇文章（《3M比利時(shí)工廠停產(chǎn)，影響驚人--全球半導(dǎo)體工廠停產(chǎn)的威脅》，2022年4月11日）。
07、日本半導(dǎo)體行業(yè)陷入危機(jī)
世界各地的半導(dǎo)體制造商都為Fluorinert的替代制冷劑展開了激烈的采購(gòu)戰(zhàn)。然而，日本被迫在這里進(jìn)行一場(chǎng)不利的戰(zhàn)斗。
這是因?yàn)镕luorinert的唯一替代制冷劑是3M公司在美國(guó)工廠生產(chǎn)的Novec和Solvay公司在意大利工廠生產(chǎn)的Galden，但在日本，根據(jù)《關(guān)于化學(xué)物質(zhì)評(píng)價(jià)及其生產(chǎn)管理等的法律》（簡(jiǎn)稱《化學(xué)物質(zhì)管理法》），每年生產(chǎn)和進(jìn)口超過1噸的Novec在日本被禁止。因此，日本唯一的替代制冷劑選擇是Solvay的Galden。
因此，許多日本半導(dǎo)體工廠面臨停業(yè)的危險(xiǎn)。筆者為《EE Times》日本發(fā)表了一篇后續(xù)文章（《3M公司停止生產(chǎn)PFAS，現(xiàn)在是“暴風(fēng)雨前的寧?kù)o嗎”？》，2022年5月18日)。
隨后，我們聯(lián)系了半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)SEMI，要求他們對(duì)此做些什么，但他們拒絕了，表示“第三方不能干涉其他國(guó)家的污染問題”。
此外，作者還向眾議院議員Yoshihiro Seki先生發(fā)送了一封電子郵件，他是自民黨促進(jìn)半導(dǎo)體戰(zhàn)略的議員（或稱半導(dǎo)體議會(huì)）的秘書長(zhǎng)。
該議會(huì)成立于2021年5月，由Akira Amari先生擔(dān)任主席，已故前首相安倍和前首相麻生太郎擔(dān)任最高顧問（或稱 "三A"，取其三人的首字母）。該請(qǐng)?jiān)笗ㄟ^電子郵件發(fā)給了 "半導(dǎo)體議會(huì)聯(lián)盟 "秘書長(zhǎng)、眾議院議員Yoshihiro Seki，但未作回復(fù)。
總之，行業(yè)協(xié)會(huì)和政治家們一直“假裝”半導(dǎo)體是一種戰(zhàn)略物資，“假裝”加強(qiáng)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈很重要，“假裝”半導(dǎo)體是產(chǎn)業(yè)的大腦和心臟，而不是產(chǎn)業(yè)的大米，但他們一直“假裝”不知道日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的嚴(yán)峻形勢(shì)。
08、危機(jī)一度被避免，它再次成為嚴(yán)重的危機(jī)
日本（以及全球）半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的危機(jī)一度避免。這是因?yàn)?M比利時(shí)工廠承諾花費(fèi)800多億日元，拆除所有受PFAS污染的土壤，并于2022年6月底恢復(fù)生產(chǎn)Fluorinert。最糟糕的情況在關(guān)鍵時(shí)刻被避免了，因?yàn)榘雽?dǎo)體工廠的制冷劑庫(kù)存即將耗盡。
然而，3M于2022年12月20日發(fā)布了“到2025年底，我們將退出所有PFAS生產(chǎn)”的新聞稿。
其中一些PFAS包括Fluorinert和Novec。這意味著，干刻蝕設(shè)備的制冷劑，如果繼續(xù)這樣下去，到2025年底，將只有Solvay公司的Galden，其全球市場(chǎng)份額約為20%（圖7）。
圖7 干刻蝕設(shè)備冷水機(jī)組制冷劑的全球市場(chǎng)份額（2）來(lái)源：作者調(diào)查的猜測(cè)
那么，為什么3M公司退出PFAS的生產(chǎn)呢？12 月 20 日，當(dāng) 3M 發(fā)布新聞稿時(shí)，BNN 彭博社發(fā)表了一篇題為“3M to Exit PFAS Manufacturing by the End of 2025”的文章，引用如下：
3M 面臨許多污染訴訟，其法律負(fù)擔(dān)約為 300 億美元，而 PFAS 業(yè)務(wù)季度的銷售額僅為 10 億美元左右。對(duì)此，首席執(zhí)行官邁克·羅曼表示“不相信未來(lái)業(yè)務(wù)會(huì)發(fā)展”。
因此，我在《EE Times日本》上寫了第三篇關(guān)于PFAS的文章（《3M將在2025年底前停止PFAS制造，全球半導(dǎo)體制造將會(huì)發(fā)生什么？》，2022年12月23日）。
09、倒計(jì)時(shí)開始，直到死亡
2022年3月8日，3M 比利時(shí)工廠停產(chǎn)，奇跡般地，PFAS（包括Fluorinert）在 3 個(gè)月后于 6 月底恢復(fù)生產(chǎn)。然而，這一次不能指望有這種偶然的運(yùn)氣，因?yàn)樵谌旰?，?025年底，3M公司將退出PFAS生產(chǎn)。
因此，半導(dǎo)體制造商必須為自己的生存準(zhǔn)備替代制冷劑。然而，讓一些化學(xué)公司開發(fā)一種新的制冷劑，向各方面申請(qǐng)?jiān)S可和批準(zhǔn)，然后獲得建造一個(gè)化學(xué)工廠的預(yù)算，三年的時(shí)間太短了。
而且，從過去的情況來(lái)看，半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)、政府和任何人都不會(huì)提供幫助。然而，我們不能一開始就說(shuō) "不"。正如他們所說(shuō)，"天助自助者"。倒計(jì)時(shí)已經(jīng)開始，如果我們不盡快采取措施，我們就無(wú)法及時(shí)采取行動(dòng)。
作者簡(jiǎn)介：湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長(zhǎng)，曾長(zhǎng)期在日本制造業(yè)的生產(chǎn)第一線從事半導(dǎo)體研發(fā)工作，2000年獲得京都大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，之后一直從事和半導(dǎo)體行業(yè)有關(guān)的教學(xué)、研究、顧問及新聞工作者等工作，曾撰寫《日本“半導(dǎo)體”的失敗》、《“電機(jī)、半導(dǎo)體”潰敗的教訓(xùn)》、《失去的制造業(yè)：日本制造業(yè)的敗北》等著作。
