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暂停的3M工厂,是如何影响芯片生产的

半导体行业观察 ·2022-04-18 09:04·半导体行业观察
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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 编译自eetjp ,谢谢。


2020年以后,也就是新型冠状病毒感染症(COVID-19)的感染扩大以来,也有陷入半导体不足的情况,世界的半导体工厂进行着一个又一个的增产。根据世界半导体市场统计(WSTS),去年2021年的出货额约为5523亿美元,出货个数约为1.2兆个,都创下了过去最高记录(图1)。并且,预计今年2022年的出货额和出货个数都将超过。如上所述,半导体行业近年来迎来了前所未有的盛况。


但是,在这种盛况中发生了“泼冷水事件”。正如2022年4月7日EE Times Japan也刊登的那样,3月8日美国3M的比利时工厂暂停了多酚烷基物质(Poly Fuluoro Alkyl Substances,PFAS)的一种氟类惰性液体的生产。笔者在这两天前,在4月5日的Taippei Times上得知了这一事态,吓得直哆嗦。

之所以这么说,是因为氟化液是半导体干蚀刻装置的温度控制不可或缺的制冷剂,3M在这个领域独占了80%的世界份额。而且如果暂停供应持续的话,在全世界工厂运转的干法蚀刻设备就不能运转了。

本文将详细描述3M比利时工厂暂停的影响。首先,说明氟化液在干法蚀刻设备的哪里使用。接下来,将详细描述3M在该领域的世界份额。在此基础上,我们推断3M比利时工厂停产的影响会对哪里造成影响。

从结论来说,事态极其严重。世界半导体的业界团体和各国政府团结一致,向比利时政府提交放宽限制的请愿以外没有解决办法。

干法蚀刻设备的温度控制原理


在干法蚀刻技术中,为了形成细微的图案、深孔和凹槽,晶片的温度控制的重要性逐年增加。使用图2说明如何进行该温度控制。


在干法蚀刻过程中,由于来自等离子体的热量流入晶片,所以如果什么都不做,则晶片的温度上升,蚀刻特性发生变化。因此,为了维持某个蚀刻特性,需要将晶片的温度控制为恒定。

因此,使用冷却循环这个装置,从静电卡盘的背面流出某个温度的制冷剂,通过使之循环,使静电卡盘的温度保持一定。所以使用了3M的氟化液进行冷却。

另外,仅静电卡盘和晶片的物理接触,由于晶片的温度控制不足,所以在晶片和静电卡盘之间流通He(氦)气体,提高了导热效率。He比空气和蚀刻气体轻,分子运动速度快,因此在晶片和静电卡盘之间往返,起到了导热的作用。

如上所述,在干法蚀刻装置的静电卡盘中,利用冷却循环装置和He气体,将晶片控制在一定的温度。而且,该温度带从接近100℃的高温到-40℃的极低温范围很广,因此需要针对每个目标温度进行最优化的冷却。

而且这种制冷剂虽然是循环使用的,但是会一点点地泄漏,一边补充泄漏的量一边循环。即,在半导体工厂,为了使干法蚀刻装置运转,需要稳定地筹措冷却循环装置的制冷剂。

冷却循环装置的冷却剂世界份额


在此,让我们来看看干法蚀刻制冷剂的世界份额吧(图3)。


正如报道开头所述,3M独占了80%的份额。那个3M,除了这次生产暂停了的氟系惰性液体的氟化液以外,作为氟利昂替代产品,销售着改变了氟化合物的构造的一部分的「Novec」的产品。据推测,氟化液约占50%,Novec约占30%。而且,这个Novec是在3M的美国工厂生产的,目前那个生产没有问题。

另外,在3M以外,总部设在比利时的Solvay(以下简称Solvay)销售“Galden”的冷却剂,可以推测其占世界市场份额的约20%。另外,Solvay的Galden是在意大利工厂生产的,目前这个生产目前也没有问题。

总之,由于3M比利时工厂的暂停,世界的干法蚀刻装置的冷却循环用制冷剂约一半突然消失了。稍微考虑一下,就可以知道这种影响的严重性。

运行中的半导体工厂的混乱


据某供应商说,去年2021年12月,3M比利时工厂也暂停营业。因此,2022年年初,氟化液的供给被乌云笼罩。然后,3月8日比利时工厂的PFAS相关生产终于暂停了。

其结果是,在干法蚀刻装置的冷却循环装置上使用氟化液的半导体工厂,其储备量为1~3个月左右,所以在储备消失之前,必须尽快地选择替代品。那个选项为3M的Novec 或Solvay的冷却循环装置。

突然,世界的冷却循环装置用制冷剂的量变成了约一半,半导体制造厂的订购纷纷来到那里。据可靠人士透露,Solvay收到了难以处理的订单。另外,韩国某个内存制造商还表示,想独占Solvay生产的Galden的全部量。

因此,第一个问题是,由于世界上用于冷却循环装置的制冷剂的绝对量不足,所以在不能获取替代品的制冷剂的半导体厂商中,干法蚀刻装置变得不动。也就是说,半导体工厂暂停了。

第二个问题是即使能够作为替代品来供应3M的Novec或Solvay的Galden,也可能不适合于干法蚀刻装置的所需温度带。例如,明明想在极低温的-40℃控制静电卡盘的温度,但是即使采购高温用的制冷剂,也无法使用。

第三个问题是,即使期望的温度带的制冷剂的替代采购成功了,在真正使用该制冷剂,需要确认是否能像以前那样制造半导体。因此,需要利用替代品的制冷剂进行试验,提出干法蚀刻工序的条件。那个需要相当长的时间。

而且,问题不仅仅是这些。

注)根据笔者得到的信息,即使在3M的Novec上线中,通用温度范围内也可以使用的型号在台湾也可以使用,好像是TSMC在使用。但是,据说在日本不允许使用Novec。如果这是事实的话,那么日本厂商的选择就只有Solvay的Galden了,比如铠侠、索尼、瑞萨电子、其他动力半导体厂商等。也就是说,日本的半导体制造商面临着更严峻的事态。

新增设的半导体工厂不动了


去年2021年以后,各半导体厂商都在进行令人眼花缭乱的设备投资,计划增设半导体工厂。关于2022年的设备投资预测值,TSMC为440亿美元,三星Electronics为360亿美元,Intel为280亿美元,SK hynix为139亿美元,Micron Technology为115亿美元等(图4)。另外,除此之外,各国和各地区为了强化半导体制造,打算支出巨额补助金。


因此,今后将在全世界增设半导体工厂。然后,在这些半导体工厂中,导入了数量空前的干法蚀刻装置。

但是,Lam Research、东京电子、Applied Materials、日立高科技等制造的干法蚀刻装置,即使世界上有4~5家其他品牌提供冷却循环装置,也很难确保这些冷却循环装置所使用的制冷剂。也就是说,半导体制造商新增设工厂,在各自的工厂里引进数百台规模的干法蚀刻装置和数量相同以上的冷却循环装置,如果不能筹措制冷剂的话,蚀刻机是不会动的。而且,不得不说那个可能性非常高。

这个难题怎么解决呢?

只有向比利时政府请愿的策略吗?


如果3M和Solvay能够进行提高生产能力的设备投资,使Novec和Galden的供给量加倍的话,新增设的工厂(虽然不说全部)可能能够运转。但是,考虑到3M和Solvay的预算,建设成套设备,批量生产制冷剂的话,需要以年为单位的时间吧。因此,我认为不能马上消除冷却剂的窘迫。

这样的话,剩下的手段只能想到一个。那就是半导体业界团体的SEMI和各国政府推动比利时政府, 对3M比利时工厂解除运转暂停的请愿

据说此次骚动的背景是受比利时的佛兰德斯地方政府的环境监察的影响。听说导致了这次工厂的暂停是因,3M的氟化液由于其稳定性,在自然界中不会分解而停留很长时间,同时还有会在生物体内沉积的担忧浮出水面。

环境问题确实很重要,但是突然关闭3M比利时工厂的影响也太大了。在比利时的佛兰德斯地方政府,在代替产品的批量生产开始之前,希望能得到时间上的宽限。也就是说,能暂时解除3M比利时工厂的停产吗?对此,我们期待着SEMI和各国政府向比利时政府的请愿。


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