文|微細加工研究所所長 湯之上隆
半導體生產是個復雜的過程，產業鏈上的任何一個環節出現問題，都可能會“牽一發而動全身”，該工廠被關閉影響較大，如果制造端無法及時補充庫存，甚至會有影響到芯片正常生產的可能。對此，日本精密加工研究所所長湯之上隆撰文表達了對此事的看法，閱讀這篇文章你會了解：
1. 冷卻劑到底是干什么的？
2. 關廠會給晶圓廠帶來了哪些影響？
3. 究竟如何解決？
2020年，新型冠狀病毒感染(COVID-19)的感染擴大以來，芯片開始嚴重緊缺，世界各地的半導體工廠增產又增產。根據世界半導體市場統計(WSTS)，2021年的出貨額約5523億美元，出貨量約1.2兆個，均創歷史新高。而且在今年也就是2022年，出貨額和出貨量都將超過這個數字。由此可見，半導體行業最近幾年迎來了史無前例的繁榮時期。
但在這種盛況中卻發生了“潑冷水事件”。2022年3月8日，美國3M的比利時工廠停止生產含有PFAS成分的冷卻劑。筆者得知這個事態后感到很驚訝。
這是因為 Fluorinert 等液體是半導體干法蝕刻設備溫度控制必不可少的冷卻劑，而 3M 在該領域的全球市場份額達到 80%。如果該供應被切斷，世界各地工廠中運行的干法蝕刻設備將停止工作。
本文詳細介紹了 3M 關閉其比利時工廠的影響。首先，我們將解釋干法蝕刻設備中使用 Fluorinert 等冷卻劑的位置。接下來，將詳細介紹3M在該領域的全球市場份額。然后，推斷 3M 比利時工廠關閉的影響將在何處以及如何受到阻礙。
總而言之，目前事態非常嚴重。唯一的解決方案似乎是作為世界半導體行業集團和政府的聯合機構向比利時政府提出（臨時）放松管制的請愿書。
在干法蝕刻技術中，為了形成細微的顆粒、深孔和凹槽，晶圓溫度控制的重要性逐年增加。
在干法蝕刻過程中，來自等離子體的熱量會流入晶圓，因此如果不采取任何措施，晶圓的溫度會升高，蝕刻特性會發生波動。因此，為了保持一定的蝕刻特性，需要控制晶片的溫度恒定。
因此，使用一種稱為冷卻器的裝置，使具有一定溫度的冷卻劑從靜電吸盤的背面流動，并使冷卻劑循環以保持靜電吸盤的溫度恒定。3M的冷卻劑Fluorinert 就起到這種作用。
此外，由于僅靠靜電吸盤與晶片的物理接觸對晶片的溫度控制是不夠的，因此在晶片與靜電吸盤之間，通過He(氦)氣體的流動，來提高熱傳導的效率。由于He比空氣或蝕刻氣體輕，分子運動速度快，所以在晶片和靜電吸盤之間來回移動，起到熱傳導的作用。
如上所述，在干法蝕刻裝置的靜電吸盤中，晶片通過在冷卻器中循環的冷卻劑和He氣被控制到一定溫度。由于溫度范圍很廣，從接近100°C的高溫到-40°C的極低溫，都需要針對每個目標溫度進行優化的冷卻劑。
而且，雖然這種冷卻劑是循環使用的，但它會一點一點地泄漏，所以要一邊補充泄漏的量，一邊進行循環。也就是說，半導體工廠為了運轉干法蝕刻設備，需要穩定地調配冷卻劑。
正如文章開頭所說，3M 占據了 80% 的份額。除了這次停產的氟基惰性液體Fluorinert，3M還銷售一種名為“Novec”的產品，它是一種部分改性的氟化合物結構，用于替代氟利昂。據推測，Fluorinert的全球市場占有率約為50%，Novec約為30%。而這款Novec是在3M的美國工廠生產的，目前生產沒有問題。
除了3M，總部位于比利時的索爾維（以下簡稱Solvay）還銷售一種名為“Galden”的冷卻劑，據估計其全球市場份額約為20%。索爾維的 Galden 是在意大利工廠生產的，目前生產也沒有問題。
總之，隨著3M比利時工廠的停產，全球約一半的干法蝕刻設備冷卻劑突然消失。只要稍加思考，也能看出這種影響的嚴重性。
據一位供應商稱，3M 在比利時的工廠于去年 2021 年 12 月關閉。因此，在 2022 年初，烏云開始蔓延到 Fluorinert 的供應中。最終，在 3 月 8 日，比利時工廠的 PFAS 相關生產停止了。
【更正：在2022年4月12日11點5分的時候，雖然記載了“比利時工廠被無限期關閉”，但是因為停止生產的只是比利時工廠的PFAS相關產品，在此表示歉意并進行修正。】
結果，在干法蝕刻設備的備用機中使用Fluorinert的半導體工廠，由于儲備量只有1-3個月左右，所以必須在儲備量用完之前，盡快采購替代品。選項只有3M的Novec或Solvay的Galden。
突然之間，全世界冷卻劑的市場份額只剩下了一半，半導體廠商的訂單蜂擁而至。據可靠人士提供的信息，Solvay公司接到的訂單根本無法應付。另外，韓國的某存儲器制造商表示，想買下Solvay生產的所有 Galden。
因此，第一個問題是，由于全球制冷機用冷卻劑的絕對量不足，半導體制造商無法采購替代冷卻劑，導致干法蝕刻設備無法運行，這也就意味著半導體工廠會停止生產。
第二個問題是，即使能夠采購3M的Novec或Solvay的Galden作為替代品，也有可能無法適應干法蝕刻設備所需的溫度范圍。例如，想把靜電吸盤的溫度控制在極低的- 40℃，即使調配了高溫用的冷卻劑，也無法使用。
第三個問題是，即使我們成功獲得了所需溫度范圍內的替代冷卻劑，我們仍然需要確認該冷卻劑是否可以像以前一樣用于制造半導體。因此，有必要使用替代冷卻劑制作原型并設置干法蝕刻工藝的條件。這需要相當長的時間。
而且，問題還不止于此。
注) 根據筆者獲得的信息，在3M Novec的陣容中，在通用溫度范圍內使用的型號可以在臺灣使用，而且臺積電似乎也正使用它們，但據說在日本是不允許使用 Novec 的。如果是這樣的話，那么Solvay的Galden是鎧俠、索尼、瑞薩電子等日本功率半導體廠商的不二選擇。換言之，可以說日本半導體廠商面臨著更加困難的局面。
自去年2021年以后，半導體企業紛紛進行設備投資，計劃新增設半導體工廠。圖4所示的2022年設備投資預測值為：臺積電440億美元、三星電子360億美元、英特爾280億美元、SK海力士139億美元、美光115億美元等。此外，各國、各地區為了加強半導體制造，正在支出巨額補助金。
因此，未來世界各地將增加新的半導體工廠，這些半導體工廠陸續導入了數量眾多的干法蝕刻設備。
但是，即使Lam Research、Tokyo Electron、應用材料、日立高新技術等制造干法蝕刻設備，全球有4-5家制冷機制造商供應制冷機，也很難確保制冷機使用的冷卻劑。換句話說，即使一家半導體制造商增加了一個新工廠，并在每個工廠引入了數百臺干法蝕刻設備和多于相同數量的制冷機，除非能夠采購到冷卻劑，否則蝕刻機將無法工作。不得不說這種可能性非常高。
怎樣才能解決這個難題呢?
如果3M公司和Solvay公司進行設備投資，使Novec和Galden的供應量翻倍，那么新建的工廠(雖然不是全部)或許就能投入使用。但鑒于 3M 和Solvay將確保預算、建造工廠和批量生產冷卻劑，這將需要數年時間。因此，我認為不能馬上解決制冷機用冷卻劑的問題。
這樣一來，剩下的手段就只有一個了。那就是半導體業界團體SEMI和各國政府向比利時政府請愿，要求解除3M在比利時工廠的停產。
據說，此次風波的背景是比利時法蘭德斯地方政府環保督察的影響。由于其穩定性，3M Fluorinert 等氟化合物在自然界中長期存在而不被分解，這種擔憂浮出水面，據說是這次工廠停止的原因。
環境問題固然重要，但 3M 比利時工廠突然關閉的影響太大了。在比利時的佛蘭德斯地方政府開始批量生產替代產品之前，希望能給予一定的時間延緩。換句話說，3M的比利時工廠能否只是暫時停止運作？對此，我們期待SEMI和各國政府向比利時政府的請愿。
*作者簡介：
湯之上隆，微細加工研究所所長。1961年出生于日本靜岡縣，畢業于京都大學研究生院（原子核工學專業）后進入日立制作所工作。之后的16年間，在中央研究所、半導體事業部、爾必達存儲器（借調）、半導體尖端技術公司（借調）從事半導體微細加工技術開發。2000年被京都大學授予工學博士學位。現為微加工研究所所長，從事半導體、電器產業相關企業的顧問及新聞工作者工作。著有《日本半導體戰敗》（光文社）、《電機半導體大崩潰的教訓》（日本文藝社）、《日本型產品的失敗零戰半導體電視》（文春新書）。