芯耀
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作者：湯之上隆? 編譯：小芯
01、半導體支持的人類文明
我們每天都會使用連接到互聯(lián)網(wǎng)的智能手機或PC，這些設備都配備了許多芯片。此外，通信基站和數(shù)據(jù)中心的存在對互聯(lián)網(wǎng)也至關重要，這些也需要大量半導體提供支持。
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。
我們還可能會坐地鐵上下班，坐飛機出差或旅行，或者在自動取款機上從銀行存款中取錢。地鐵運行系統(tǒng)、飛機自動駕駛儀系統(tǒng)、銀行核心系統(tǒng)等都由半導體控制。
因此，在當今時代，沒有半導體，我們就無法工作，也無法過上文化生活。毫不夸張地說，沒有半導體就不可能再維持人類文明。
然而，半導體的制造可能在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納米的邏輯半導體”，這一（魯莽的）目標將難以實現(xiàn)。
本文首先簡要回顧了半導體的制造過程。接下來，將解釋美國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備冷卻劑方面占據(jù)了80%的全球市場份額。在此基礎上，一些無法準備替代冷卻劑的半導體制造商將面臨工廠停止運營的危機。
雖然事態(tài)非常嚴重，但從過去的情況來看，不能對半導體行業(yè)組織SEMI和日本政府指望任何東西。俗話說："天助自助者"。自助對于克服這一困難至關重要。
02、半導體制造工藝
如圖1所示，半導體是經(jīng)過設計、前道工序和后道工序三個階段生產(chǎn)出來的。
圖1 半導體制造工序
在這里，我們稱半導體制造商為無晶圓廠，只進行設計。美國的蘋果公司就是一個典型的無晶圓廠公司，它銷售iPhone。蘋果為iPhone設計了處理器，并將前一步和后一步外包給臺積電，因此可以說是無晶圓的。
前道工序中，在直徑為8-12英寸的硅晶片上同時制造約1000個半導體芯片。從無晶圓廠獲得生產(chǎn)委托并且僅執(zhí)行前道工序的半導體制造商稱為代工廠，典型的代工廠是臺積電。
在后道工序中，硅片變薄（研磨），碎片化（切割），用樹脂等封裝，進行各種測試。專門從事后道工序的半導體制造商稱為OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly & Test）。
最近，3D集成電路蓬勃發(fā)展，多個芯片垂直堆疊在一起，臺積電等代工廠和垂直整合（集成設備制造商）的半導體制造商，如英特爾和三星電子，也進入了后道工序領域。
03、前道工序的概要
圖 2 顯示了前道工序的簡要概述。
圖 2 前道工序的簡要概述
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，通過干法刻蝕實際進行加工，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前道工序所使用的制造設備的份額。日本在涂布、顯影對位膠的晶片顯影器、熱處理裝置、片葉式和分批式清洗裝置、掩膜檢查裝置、測長SEM等方面具有較高的市場占有率。
圖3 前道工序設備按公司劃分的份額（2021年）來源：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)市場占有率及日本市場占有率(2020年)來源：與日本材料制造商合作的共享數(shù)據(jù)
上述任何一項設備丟失，半導體將無法生產(chǎn)。此外，缺少任何一種材料，也不可能生產(chǎn)半導體。更何況，一個設備由數(shù)千個零件組成，
缺少一個部件，就無法制造出成品的生產(chǎn)設備。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。
半導體的生產(chǎn)建立在如此眾多的設備和材料之上。因此，如果缺乏某些設備部件的材料，或者某些材料的原材料短缺，半導體制造就會立即陷入困境。
現(xiàn)在，我們面臨的是一個驚人的問題，即到 2025 年底，干法刻蝕設備的制冷劑將在市場上消失 80%。將在下面詳細介紹。
05、干法刻蝕設備溫度控制原理
目前，臺積電熊本工廠正在建設中，月產(chǎn)量為5.5萬張，計劃于2024年投產(chǎn)。在此類半導體工廠中，可能需要數(shù)百臺干刻蝕設備。在其干法刻蝕設備中，硅片的溫度必須得到精確控制，以便進行精細加工。圖5 將解釋干刻蝕設備的溫度控制原理。
圖5 干刻蝕裝置中溫度控制的原理來源:野尻一男(Nanotech Research)《半導體干法刻蝕技術(shù)的首次問世》(技術(shù)評論社)，第90頁圖4-16
干法刻蝕過程中，等離子體的熱量會流入晶圓，如果什么都不做的話，晶圓的溫度會上升，刻蝕特性會發(fā)生變動。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)，冷風機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，以提高熱傳導效率。氦氣比空氣和刻蝕氣體輕，分子運動速度快，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，需要為每個目標溫度優(yōu)化的冷卻劑。
雖然這種冷卻劑是循環(huán)使用的，但它會一點一點地泄漏，所以一邊補充泄漏的量一邊進行循環(huán)。因此，半導體工廠為了保證干法刻蝕設備的運轉(zhuǎn)，必須穩(wěn)定地采購冷卻劑。通常，半導體工廠的庫存約為三個月。
06、2022年3月8日，第一起事件發(fā)生
圖 6 顯示了干法刻蝕設備冷卻劑的全球份額。
圖6 干法刻蝕設備冷卻劑的全球份額來源：作者的研究估計
以Florinert聞名的3M公司在比利時的工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品，在全球的市場份額約為50%，Novec也是由3M公司在美國的工廠生產(chǎn)，約占30%，Galden是由總部設在比利時的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，比利時佛蘭德斯地方政府強制停止生產(chǎn) 3M 比利時工廠（包括Florinert）。PFAS是一種非常穩(wěn)定的有機氟化物，強制停止的原因是污染問題。
許多半導體制造商依靠占全球市場份額約50%的Fluorinert，其庫存只有三個月左右。半導體工廠無法采購替代制冷劑，若Fluorinert庫存耗盡，干刻蝕設備將無法運行，這意味著半導體工廠將停止運行。
筆者認為這是一個嚴重的情況，并首先為《EE Times》日本發(fā)表了一篇文章（《3M比利時工廠停產(chǎn)，影響驚人--全球半導體工廠停產(chǎn)的威脅》，2022年4月11日）。
07、日本半導體行業(yè)陷入危機
世界各地的半導體制造商都為Fluorinert的替代制冷劑展開了激烈的采購戰(zhàn)。然而，日本被迫在這里進行一場不利的戰(zhàn)斗。
這是因為Fluorinert的唯一替代制冷劑是3M公司在美國工廠生產(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)《關于化學物質(zhì)評價及其生產(chǎn)管理等的法律》（簡稱《化學物質(zhì)管理法》），每年生產(chǎn)和進口超過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，許多日本半導體工廠面臨停業(yè)的危險。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“暴風雨前的寧靜嗎”？》，2022年5月18日)。
隨后，我們聯(lián)系了半導體行業(yè)協(xié)會SEMI，要求他們對此做些什么，但他們拒絕了，表示“第三方不能干涉其他國家的污染問題”。
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，他是自民黨促進半導體戰(zhàn)略的議員（或稱半導體議會）的秘書長。
該議會成立于2021年5月，由Akira Amari先生擔任主席，已故前首相安倍和前首相麻生太郎擔任最高顧問（或稱 "三A"，取其三人的首字母）。該請愿書通過電子郵件發(fā)給了 "半導體議會聯(lián)盟 "秘書長、眾議院議員Yoshihiro Seki，但未作回復。
總之，行業(yè)協(xié)會和政治家們一直“假裝”半導體是一種戰(zhàn)略物資，“假裝”加強半導體供應鏈很重要，“假裝”半導體是產(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”不知道日本半導體產(chǎn)業(yè)的嚴峻形勢。
08、危機一度被避免，它再次成為嚴重的危機
日本（以及全球）半導體產(chǎn)業(yè)的危機一度避免。這是因為3M比利時工廠承諾花費800多億日元，拆除所有受PFAS污染的土壤，并于2022年6月底恢復生產(chǎn)Fluorinert。最糟糕的情況在關鍵時刻被避免了，因為半導體工廠的制冷劑庫存即將耗盡。
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，其全球市場份額約為20%（圖7）。
圖7 干刻蝕設備冷水機組制冷劑的全球市場份額（2）來源：作者調(diào)查的猜測
那么，為什么3M公司退出PFAS的生產(chǎn)呢？12 月 20 日，當 3M 發(fā)布新聞稿時，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，其法律負擔約為 300 億美元，而 PFAS 業(yè)務季度的銷售額僅為 10 億美元左右。對此，首席執(zhí)行官邁克·羅曼表示“不相信未來業(yè)務會發(fā)展”。
因此，我在《EE Times日本》上寫了第三篇關于PFAS的文章（《3M將在2025年底前停止PFAS制造，全球半導體制造將會發(fā)生什么？》，2022年12月23日）。
09、倒計時開始，直到死亡
2022年3月8日，3M 比利時工廠停產(chǎn)，奇跡般地，PFAS（包括Fluorinert）在 3 個月后于 6 月底恢復生產(chǎn)。然而，這一次不能指望有這種偶然的運氣，因為在三年后，即2025年底，3M公司將退出PFAS生產(chǎn)。
因此，半導體制造商必須為自己的生存準備替代制冷劑。然而，讓一些化學公司開發(fā)一種新的制冷劑，向各方面申請許可和批準，然后獲得建造一個化學工廠的預算，三年的時間太短了。
而且，從過去的情況來看，半導體行業(yè)協(xié)會、政府和任何人都不會提供幫助。然而，我們不能一開始就說 "不"。正如他們所說，"天助自助者"。倒計時已經(jīng)開始，如果我們不盡快采取措施，我們就無法及時采取行動。
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)第一線從事半導體研發(fā)工作，2000年獲得京都大學工學博士學位，之后一直從事和半導體行業(yè)有關的教學、研究、顧問及新聞工作者等工作，曾撰寫《日本“半導體”的失敗》、《“電機、半導體”潰敗的教訓》、《失去的制造業(yè)：日本制造業(yè)的敗北》等著作。
