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湯之上隆：到2025年底，3M將停止生產(chǎn)PFAS，全球半導(dǎo)體制造將會(huì)發(fā)生什么？作者：湯之上隆? 編譯：小芯作者簡介：湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長，曾長期在日本制造業(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。
美國工業(yè)巨頭3M公司12月20日表示，其計(jì)劃徹底退出被稱為“永久化學(xué)品”的全氟及多氟烷基物質(zhì)(PFAS)的生產(chǎn)，并努力在2025年底前在其產(chǎn)品組合中完全停止使用PFAS，因?yàn)橛嘘P(guān)這些化學(xué)品會(huì)對(duì)健康和環(huán)境造成影響的批評(píng)和訴訟正越來越多。
3M首席執(zhí)行官邁克?羅曼(Mike Roman)表示，這一決定受到了兩方面因素的影響：一是對(duì)這種化學(xué)物質(zhì)的監(jiān)管日益加強(qiáng)，二是市場對(duì)替代選擇的需求正不斷增長。
至此，從今年3月發(fā)酵了近一年的3M冷卻劑停產(chǎn)事件終于有了歷史性進(jìn)展。3M主要生產(chǎn)半導(dǎo)體蝕刻工藝專用的冷卻劑，其產(chǎn)能占全球80%，客戶包括臺(tái)積電、Intel、三星、SK海力士等全球半導(dǎo)體巨頭。市場分析公司Techcet的總裁兼首席執(zhí)行官Lita Shon-Roy曾表示，缺少材料是快速擴(kuò)張的芯片行業(yè)的致命弱點(diǎn)。
盡管距離2025年徹底停產(chǎn)還有三年時(shí)間，但也意味著世界上80%的干式蝕刻制冷劑將在三年內(nèi)消失，在找到可靠的替代品之前，或給半導(dǎo)體帶來嚴(yán)重影響。日本精密加工研究所所長湯之上隆此前就撰文表達(dá)了對(duì)3M比利時(shí)工廠停工的看法（《買不到冷卻劑，全球半導(dǎo)體工廠危機(jī)或?qū)砼R》），時(shí)值3M官宣永久退出PFAS市場，湯之上隆進(jìn)一步為我們解答了當(dāng)前PFAS對(duì)全球半導(dǎo)體行業(yè)的重要性，并嘗試探討有效的應(yīng)對(duì)之策。
以下為編譯全文：《到2025年底，3M將停止生產(chǎn)PFAS，全球半導(dǎo)體制造將會(huì)發(fā)生什么？》
01、3M全面退出震撼半導(dǎo)體業(yè)
半導(dǎo)體行業(yè)在2022年發(fā)生了很多令人震驚的事情，在只剩下10多天的時(shí)間里，我們再次看到了震撼業(yè)界的新聞。
12月20日，在干法蝕刻設(shè)備冷卻劑領(lǐng)域獨(dú)占全球約80%市場份額的3M公司宣布，到2025年底，包括上述冷卻劑在內(nèi)的全氟/多氟烷基化合物 (Per- and polyfluoroalkyl substances，PFAS）將停產(chǎn)。
3M曾于3月8日停止在其比利時(shí)工廠生產(chǎn)氟化惰性液體（注冊商標(biāo)Fluorinert），這是PFAS的一種，使世界各地半導(dǎo)體工廠陷入了停頓狀態(tài)。筆者于4月11日在相關(guān)文章中詳細(xì)報(bào)道了這一事件。
當(dāng)時(shí)，特別是日本半導(dǎo)體工廠陷入了危機(jī)事態(tài)，筆者在5月18日發(fā)布的文章中進(jìn)行了說明。但是，由于3M公司的比利時(shí)工廠與比利時(shí)弗拉芒地區(qū)政府達(dá)成協(xié)議，采取去除所有被PFAS污染的土壤等措施，因此在6月末重啟了生產(chǎn)。當(dāng)時(shí)正值很多半導(dǎo)體工廠的冷卻劑儲(chǔ)備快要用完的時(shí)候，因此在危機(jī)關(guān)頭避免了最壞的事態(tài)。
然而，半年后，3M公司宣布全面退出PFAS的生產(chǎn)，世界上所有半導(dǎo)體工廠必須在3年內(nèi)準(zhǔn)備能替代3M公司的冷卻劑，做不到便會(huì)面臨停產(chǎn)。
本文將首先說明干法蝕刻設(shè)備的溫度控制原理，并復(fù)盤3M作為獨(dú)占全球80%冷卻劑市場份額的現(xiàn)狀。接下來，回顧3M公司的比利時(shí)工廠從停產(chǎn)到恢復(fù)的過程。進(jìn)而論述3M公司為什么要退出PFAS的生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，討論世界半導(dǎo)體工廠必須在3年內(nèi)確保干法蝕刻設(shè)備用的冷卻劑。
綜上所述，為了準(zhǔn)備干法蝕刻設(shè)備的替代冷卻劑，3年的時(shí)間實(shí)在是太短了。全世界的半導(dǎo)體工廠，關(guān)乎存亡，必須立即準(zhǔn)備替代冷卻劑。
02、干法蝕刻設(shè)備的溫度控制原理
圖1:干法蝕刻設(shè)備的溫度控制原理 來源:野尻一男(Nanotech Research)《半導(dǎo)體干法蝕刻技術(shù)的首次問世》(技術(shù)評(píng)論社)，第90頁圖4-16
干法蝕刻過程中，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，蝕刻特性會(huì)發(fā)生變動(dòng)。因此，為了維持某種蝕刻特性，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。氦氣比空氣和蝕刻氣體輕，分子運(yùn)動(dòng)速度快，熱量在晶圓和靜電卡盤之間來回傳遞。
如上所述，在干式蝕刻系統(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蝕刻設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，必須穩(wěn)定地采購冷卻劑。
03、干法刻蝕設(shè)備冷卻劑的世界份額和半導(dǎo)體工廠危機(jī)
圖2顯示了干法刻蝕設(shè)備冷卻劑的全球份額，3M公司在比利時(shí)的工廠生產(chǎn)的Fluorinert約占全球份額的50%，該公司在美國工廠生產(chǎn)的名為Novec的冷卻劑約占30%。此外，總部設(shè)在比利時(shí)的索爾維（以下簡稱Solvay）在意大利的工廠生產(chǎn)一種名為Galden的冷卻劑，其全球份額約為20%。
圖2：干法刻蝕設(shè)備冷卻劑的全球份額 來源：作者的研究估計(jì)
3M公司在比利時(shí)生產(chǎn)的Fluorinert造成了污染問題，因此，該公司收到了比利時(shí)弗拉芒地區(qū)政府的命令，要求其停止生產(chǎn)，這導(dǎo)致今年（2022年）3月8日3M暫停Fluorinert的發(fā)貨（準(zhǔn)確地說，F(xiàn)luorinert在2021年底已經(jīng)停止生產(chǎn)，2022年3月8日才停止發(fā)貨是因?yàn)閹齑婧谋M）。
占有全球市場份額約50%的Fluorinert停止發(fā)貨，意味著世界各地的半導(dǎo)體工廠面臨停產(chǎn)的威脅。作為Fluorinert的替代品，3M公司的Novec和Solvay的Galden的替代訂單紛至沓來。
當(dāng)時(shí)，日本的《化學(xué)物質(zhì)審查及制造管理法》（簡稱《化審法》）禁止每年生產(chǎn)和進(jìn)口Novec超過1噸。因此，日本的半導(dǎo)體工廠可選擇的采購方案就只剩下Solvay的Galden。所以，一些半導(dǎo)體工廠面臨著關(guān)閉運(yùn)營的危險(xiǎn)。
然而，正如本文開頭所提到的，最壞的情況在最后一刻被避免了，因?yàn)?M公司的比利時(shí)工廠在2022年6月底左右恢復(fù)了Fluorinert的生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體工廠的制冷劑庫存已經(jīng)即將耗盡。那么，3M的比利時(shí)工廠是如何設(shè)法恢復(fù)Fluorinert生產(chǎn)的呢？
04、3M比利時(shí)工廠如何恢復(fù)PFAS生產(chǎn)
根據(jù)3M公司2022年7月6日的新聞稿 “Agreement Reached Between the Flemish Government and 3M Belgium to Support the People of Flanders”（弗拉芒地區(qū)政府與3M比利時(shí)公司達(dá)成的支持弗拉芒人民的協(xié)議），以下部分解釋了該公司如何能夠恢復(fù)PFAS（包括Fluorinert）的生產(chǎn)（圖3）。
圖3：3M公司比利時(shí)工廠對(duì)弗拉芒政府的承諾資料來源：3M公司新聞稿《弗拉芒地區(qū)政府與3M比利時(shí)公司達(dá)成的協(xié)議》。
資料來源：3M公司新聞稿 "弗拉芒地區(qū)政府與3M比利時(shí)公司達(dá)成的支持弗拉芒人民的協(xié)議"（2022年7月6日），由作者編寫。
首先，3M公司的比利時(shí)工廠已經(jīng)向弗拉芒政府做出了兩項(xiàng)現(xiàn)有承諾，即在工廠安裝最先進(jìn)的PFAS處理技術(shù)（1.15億歐元）和支持當(dāng)?shù)剞r(nóng)民（500萬歐元）。
除此之外，3M比利時(shí)工廠還做出了總額為4.513億歐元的新承諾，包括2.5億歐元用于弗拉芒地區(qū)土壤治理法所要求的額外措施，以及弗拉芒政府可以自行決定使用的1億歐元資金用于PFAS排放等。
其中最大的一筆是2.5億歐元，3M比利時(shí)工廠將用于對(duì)周圍的居民和其他人采取以下四項(xiàng)措施：
1）對(duì)3M公司比利時(shí)工廠附近的居民區(qū)（和花園）的污染土壤進(jìn)行修復(fù)，并恢復(fù)花園的機(jī)能（估計(jì)是為了剝離被PFAS污染的土壤）；
2）減少受污染的地下水流入比利時(shí)自然保護(hù)公園Palingbeek；
3) 通過全面的粉塵管理計(jì)劃，防止未來可能含有PFAS的土壤或粉塵隨風(fēng)飄散；
4）對(duì)設(shè)施附近的農(nóng)業(yè)和娛樂用地進(jìn)行補(bǔ)救。
這樣，3M的比利時(shí)工廠承諾弗拉芒地區(qū)政府在現(xiàn)有和新的承諾上共花費(fèi)5.71億歐元（約802億日元）。因此，3M的比利時(shí)工廠應(yīng)該已經(jīng)獲得許可，在2022年6月底恢復(fù)PFAS（包括Fluorinert）的生產(chǎn)。然而，6個(gè)月后的12月20日，3M公司宣布它將全范圍退出PFAS生產(chǎn)。這是為什么呢？
05、3M決定退出PFAS制造
3M在12月20日的新聞發(fā)布會(huì)上宣布：
到 2025 年底結(jié)束所有 PFAS 生產(chǎn)：3M 停止生產(chǎn)所有氟聚合物、氟化流體和基于PFAS的添加劑產(chǎn)品。我們可以幫助您促進(jìn)有序的遷移。3M計(jì)劃在過渡期間履行目前的合同義務(wù)。
為什么3M公司決定退出PFAS的生產(chǎn)？
12月20日3M發(fā)布新聞稿時(shí)，美國《彭博》雜志報(bào)道了“3M Will Stop Producing ‘Forever Chemical’ PFAS by End of 2025”，報(bào)道的內(nèi)容如下，以下是其中的部分引文：
二戰(zhàn)期間在原子彈計(jì)劃中研究的PFAS被懷疑是有害的，3M公司已經(jīng)面臨尋求巨額賠償?shù)脑V訟。來自監(jiān)管機(jī)構(gòu)的壓力也越來越大：在超過70年的時(shí)間里，3M 通過 PFAS 開發(fā)了大量產(chǎn)品，包括 "Scotchgard"，其中含有PFAS。然而，預(yù)計(jì)其潛在的法律負(fù)擔(dān)將達(dá)到300億美元。3M首席執(zhí)行官邁克·羅曼在接受采訪時(shí)解釋說，這是基于更嚴(yán)格的監(jiān)管和消費(fèi)者對(duì)使用PFAS的擔(dān)憂做出的決定。
3M的PFAS業(yè)務(wù)季度銷售額約為10億美元，而污染訴訟等法律負(fù)擔(dān)為300億美元。為此，首席執(zhí)行官邁克·羅曼（Mike Roman）決定，他認(rèn)為該業(yè)務(wù)在未來是不可行的，導(dǎo)致了該公司退出市場。
然而，如果他們突然停止生產(chǎn)PFAS，影響就會(huì)太大了。因此，他們可能已經(jīng)決定分階段退出，給予三年的寬限期。盡管如此，對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來說，情況仍然很嚴(yán)重。這是因?yàn)?strong>世界上80%的干式蝕刻制冷劑將在三年內(nèi)消失。
06、干蝕刻設(shè)備用制冷劑狀況
讓我們說明，自2022年3月8日3M比利時(shí)工廠停止生產(chǎn)Fluorinert以來，已經(jīng)變得很清楚的事情。
首先，另一家制冷劑制造商Solvay認(rèn)為，這帶來了巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)，但當(dāng)他們與相關(guān)人士交談時(shí)，他們說他們無意進(jìn)一步增加Galden的產(chǎn)量。這似乎是由幾個(gè)因素造成的。
一是與3M公司一樣，氟化惰性液體Galden的生產(chǎn)也伴隨著污染問題。另一個(gè)是，事實(shí)上，直到8英寸時(shí)代，Solvay的Galden作為干式蝕刻設(shè)備的制冷劑占據(jù)了很大的市場份額。然而，當(dāng)2000年后12英寸時(shí)代到來時(shí)，3M公司帶著Florinert和Novec成群結(jié)隊(duì)地進(jìn)入這一領(lǐng)域，并以低成本為武器，主導(dǎo)了12英寸蝕刻劑的市場份額。
換句話說，Solvay公司對(duì)將干式蝕刻制冷劑業(yè)務(wù)和12英寸蝕刻劑一起輸給3M公司有著痛苦的回憶，而且現(xiàn)在似乎不愿意在這個(gè)領(lǐng)域投資增產(chǎn)。
此外，還聽說三星電子和SK海力士已經(jīng)開始評(píng)估中國制造商的制冷劑。這項(xiàng)評(píng)估顯然仍在進(jìn)行中，但據(jù)說沒有獲得中國制造商所說的規(guī)格，而且在循環(huán)使用幾個(gè)月后，干式蝕刻設(shè)備的真空室中經(jīng)常出現(xiàn)電弧等問題。因此，中國制造商的制冷劑很可能仍需多年才能用于半導(dǎo)體的大規(guī)模生產(chǎn)。
07、確保在三年內(nèi)獲得替代制冷劑
3M公司將在2025年底完全退出PFAS的生產(chǎn)。這是一個(gè)決定，不能再指望3M公司的比利時(shí)工廠在2022年6月底偶然恢復(fù)生產(chǎn)了。三年的寬限時(shí)間已經(jīng)開始運(yùn)行。
Solvay不太可能以任何重大方式增加Galden的產(chǎn)量，而中國制造商的制冷劑可能需要多年時(shí)間才能使用。
盡管如此，半導(dǎo)體制造商將不得不不惜一切代價(jià)準(zhǔn)備替代制冷劑，進(jìn)行一場致命的競賽。失去這場競爭的半導(dǎo)體制造商將不得不關(guān)閉他們的工廠。
在各種類型的制造設(shè)備中，干式蝕刻設(shè)備在2021年取得最大的銷售額（189億美元），超過了曝光設(shè)備（圖4）。無論是邏輯還是存儲(chǔ)器，先進(jìn)還是傳統(tǒng)，沒有干式蝕刻設(shè)備就不能生產(chǎn)芯片。
圖4：各種半導(dǎo)體制造設(shè)備出貨量的變化 來源：作者根據(jù)野村證券的數(shù)據(jù)創(chuàng)建
為了生產(chǎn)半導(dǎo)體，保持盈利并保持競爭力，需要確保大量的干式蝕刻機(jī)的替代制冷劑。三年的時(shí)間，對(duì)于開發(fā)高質(zhì)量的制冷劑、向各方面申請?jiān)S可和批準(zhǔn)以及開發(fā)建設(shè)一個(gè)化工廠來說太短了。必須立即開始行動(dòng)，否則將無法及時(shí)準(zhǔn)備。
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