半導(dǎo)體的制造工序介紹 干法刻蝕設(shè)備溫度控制原理

干法刻蝕設(shè)備冷卻劑消失對市場的影響。

半導(dǎo)體支撐的人類文明

您每天都使用連接到 Internet 的智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)。智能手機(jī)和個人電腦配備了大量半導(dǎo)體。此外，通信基站和數(shù)據(jù)中心的存在對于互聯(lián)網(wǎng)來說是必不可少的。通信基站和數(shù)據(jù)中心由大量的半導(dǎo)體支撐。

您的家或辦公室可能有照明設(shè)備和各種電器。為它們提供動力的電力在發(fā)電廠生產(chǎn)，并通過變電站傳輸。功率半導(dǎo)體在功率的產(chǎn)生和傳輸中起著積極的作用。

您可能正在乘火車上班、乘飛機(jī)出差或旅行，或者在 ATM 上從您的銀行賬戶取款。半導(dǎo)體控制著火車的運(yùn)行系統(tǒng)、飛機(jī)的自動駕駛系統(tǒng)、銀行的骨干系統(tǒng)等等。

這樣，在今天，我們就不能沒有半導(dǎo)體就無法工作，也無法過上文明的生活。沒有半導(dǎo)體就不可能再維持人類文明。

這種半導(dǎo)體的生產(chǎn)可能會在2026年停止。即便如此，“到2027年量產(chǎn)2nm邏輯半導(dǎo)體” Rapidus 也無法實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。

在本稿中，首先簡單回顧半導(dǎo)體的制造工序。接下來，將介紹在干蝕刻裝置用制冷劑方面擁有全球80%份額的美國3M公司將在2025年底之前退出其生產(chǎn)的消息。此外，不能準(zhǔn)備替代制冷劑的半導(dǎo)體制造商將面臨工廠停止運(yùn)行的危機(jī)。

半導(dǎo)體制造工藝

如圖 1 所示，半導(dǎo)體通過三個步驟制造：設(shè)計(jì)、預(yù)處理和后處理。?

圖1

在這里，只進(jìn)行設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體制造商被稱為無晶圓廠。具有代表性的無晶圓廠公司是銷售 iPhone 的蘋果公司?？梢哉f蘋果是無晶圓廠的，因?yàn)樗鼮閕Phone設(shè)計(jì)處理器，將前后端工序外包給中國臺灣的臺積電。

在前道工序中，大約1000顆半導(dǎo)體芯片同時制造在一塊直徑為8至12英寸的硅片上。晶圓代工廠是一家半導(dǎo)體制造商，在無晶圓廠公司的委托生產(chǎn)下僅承擔(dān)前端工藝。代表性代工廠就是前面提到的臺積電。

在后工序中，硅晶圓被減?。ㄑ心ィ?、分割（切割）、樹脂封裝等，并進(jìn)行各種測試。專門從事后處理的半導(dǎo)體制造商稱為OSAT（外包半導(dǎo)體組裝和測試）。最近，垂直堆疊多個芯片的 3D IC 正在蓬勃發(fā)展。

預(yù)處理概述?

圖 2 顯示了預(yù)處理的簡要概述

清洗硅晶片，在其上形成諸如金屬或絕緣膜的薄膜，并且通過光刻形成用于電路圖案的抗蝕劑掩模。然后，通過干法蝕刻進(jìn)行實(shí)際加工，去除并清洗不需要的抗蝕劑，并檢查圖案尺寸。在這里，光刻和干法蝕刻這兩種技術(shù)被稱為微細(xì)加工。

這樣，進(jìn)行30～50次以上成膜、刻蝕、蝕刻的工序，在二維硅芯片上形成三維結(jié)構(gòu)物的晶體管、電容器、布線等。其工序數(shù)為500～1000工序以上。另外，作為要素技術(shù)，有離子注入、CMP、熱處理等。

前處理使用的設(shè)備和材料

圖 3 顯示了各公司在此前端流程中使用的制造設(shè)備的份額。日本在應(yīng)用和開發(fā)抗蝕劑、熱處理設(shè)備、單晶圓和批式清洗設(shè)備、掩模檢測設(shè)備和CD-SEM 的涂層/顯影劑市場占有很大份額。

圖3 各公司前處理設(shè)備市場份額（2021年）

在前端制程使用的材料方面，日本的硅片、抗蝕劑、各種CMP漿料、各種高純度化學(xué)品等市場占有率非常高（圖4）。?

圖4 各公司前處理材料市場份額及日本市場份額（2020年）

沒有上述任何一種設(shè)備，就無法生產(chǎn)半導(dǎo)體。此外，如果缺少任何材料，則無法生產(chǎn)半導(dǎo)體。也就是說，一臺機(jī)器是由幾千個零件組成的，即使少了一個零件，也不可能造出一臺成品制造機(jī)。材料也是如此，如果沒有材料的原材料，就不可能制作成品的材料。

半導(dǎo)體的生產(chǎn)依賴于許多這樣的設(shè)備和材料。因此，即使設(shè)備的零件材料短缺，或者材料的部分原材料短缺，半導(dǎo)體制造也會很快變得困難。

現(xiàn)在我們面臨著一個驚人的問題，即到 2025 年底，80% 的干法蝕刻設(shè)備冷卻劑將從市場上消失。詳情如下所述。

干法刻蝕設(shè)備溫度控制原理

目前，臺積電熊本工廠正在建設(shè)中，月產(chǎn)能為5.5萬片，目標(biāo)2024年投產(chǎn)。此類半導(dǎo)體工廠可能需要數(shù)百臺或更多的干法蝕刻機(jī)。在干法刻蝕設(shè)備中，為了進(jìn)行精細(xì)加工，必須精確控制硅片的溫度。

下面結(jié)合圖5說明干法刻蝕裝置的溫度控制原理。?

圖5干法刻蝕設(shè)備溫度控制原理

干法刻蝕時，等離子的熱量流入晶圓，若不采取措施，晶圓溫度將升高，刻蝕特性將發(fā)生波動。因此，為了保持一定的刻蝕特性，需要控制晶圓的溫度恒定。

因此，使用稱為冷卻器的裝置從稱為靜電吸盤的晶圓載臺的背面流出一定溫度的冷卻劑，通過使該冷卻劑循環(huán)，使靜電吸盤的溫度保持恒定。

此外，由于僅通過靜電吸盤和晶圓之間的物理接觸來控制晶圓溫度是不夠的，因此在晶圓和靜電吸盤之間流動He（氦）氣以提高熱傳導(dǎo)效率。。由于He比空氣或蝕刻氣體輕，分子運(yùn)動速度快，所以在晶圓和靜電吸盤之間穿行，起到導(dǎo)熱的作用。

如上所述，在干法蝕刻裝置的靜電吸盤中，通過在冷卻器中循環(huán)的冷卻劑和He氣將晶片的溫度控制在一定水平。由于溫度范圍很寬，從接近 100°C 的高溫到 -70°C 的極低溫度，因此需要針對每個目標(biāo)溫度優(yōu)化的制冷劑。

雖然這種制冷劑被循環(huán)使用，但它會逐漸泄漏，因此它會在補(bǔ)充泄漏量的同時進(jìn)行循環(huán)。因此，在半導(dǎo)體工廠中，為了運(yùn)行干式蝕刻設(shè)備，需要穩(wěn)定地采購冷卻器的冷卻介質(zhì)。半導(dǎo)體工廠通常有三個月左右的庫存。

2022年3月8日，第一起事件發(fā)生

圖 6 用于干法蝕刻設(shè)備的冷水機(jī)冷卻劑的全球市場份額

以“便利貼”聞名的3M公司在其比利時工廠生產(chǎn)的“Fluorinert”占據(jù)了全球約50%的市場份額，在同一家3M公司生產(chǎn)的“Novec”占據(jù)了全球約30%的市場份額其美國工廠約有 20% 由總部位于比利時的索爾維在其意大利工廠以“Galden”品牌生產(chǎn)。兩種制冷劑都是氟基惰性液體，屬于多氟烷基物質(zhì) (PFAS) 的一種。

在這種情況下，2022年3月8日，比利時佛蘭德斯地區(qū)政府強(qiáng)制停止了3M比利時工廠的PFAS（包括Fluorinert）生產(chǎn)。強(qiáng)制停產(chǎn)的原因是PFAS這種高度穩(wěn)定的有機(jī)氟化物正在造成污染問題。

大量半導(dǎo)體制造商依賴 Fluorinert，其擁有全球 50% 的市場份額。無法采購替代冷卻劑且已用完 Fluorinert 的半導(dǎo)體工廠將無法運(yùn)行其干法蝕刻設(shè)備。這意味著半導(dǎo)體工廠的運(yùn)營將停止。

日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)陷入危機(jī)

世界各地的半導(dǎo)體制造商已經(jīng)為 Fluorinert 的替代制冷劑展開了激烈的采購戰(zhàn)。然而，日本在這里被迫陷入了不利的戰(zhàn)斗。

這是因?yàn)镕luorinert的唯一替代制冷劑是3M在其美國工廠生產(chǎn)的Novec，或Solvay在其意大利工廠生產(chǎn)的Galden，這是因?yàn)槊磕晟a(chǎn)和進(jìn)口超過1噸的Novec年被有關(guān)化學(xué)物質(zhì)的法律（簡稱“化學(xué)物質(zhì)管理法”）禁止。這意味著索爾維的 Galden 是日本唯一的替代制冷劑。

因此，如果再這樣下去，有許多日本半導(dǎo)體工廠將面臨停產(chǎn)的危險。然后，我聯(lián)系了半導(dǎo)體行業(yè)團(tuán)體SEMI，“希望你做點(diǎn)什么”，但被拒絕了，說“第三人不能對其他國家的公害問題發(fā)表意見”。

簡而言之，無論是產(chǎn)業(yè)團(tuán)體還是政界人士都說“半導(dǎo)體是戰(zhàn)略物資”，“加強(qiáng)半導(dǎo)體供應(yīng)鏈很重要”，“半導(dǎo)體是產(chǎn)業(yè)的大腦和心臟''。雖然嘴上說得挺利索，但對日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的危機(jī)狀況“都假裝不知情”。

一度危機(jī)化解，卻再次陷入嚴(yán)重的危機(jī)局面

日本（不僅是全球）半導(dǎo)體行業(yè)的這場危機(jī)暫時得到了避免。這是因?yàn)?3M 的比利時工廠向法蘭德斯地方政府承諾，將花費(fèi)超過 800 億日元采取剝離所有 PFAS 污染土壤等措施，因此 Fluorinert 的生產(chǎn)將在 2022 年 6 月底恢復(fù)。因?yàn)樗呀?jīng)完成了。此時，各家半導(dǎo)體廠的冷媒庫存都快用完了，千鈞一發(fā)之際才避免了最壞的情況。

2022 年 12 月 20 日，3M 發(fā)布了一份新聞稿，稱其將“在 2025 年底前退出所有 PFAS 制造”。　Fluorinert 和 Novec 包含在該 PFAS 中。這意味著到2025年底，全球市場份額約為20%的索爾維Galden將成為干法蝕刻設(shè)備的唯一冷卻劑（圖7）。

圖 7 干法蝕刻設(shè)備冷水機(jī)制冷劑全球市場份額

那么為什么 3M 退出 PFAS 生產(chǎn)呢？12 月 20 日，即 3M 發(fā)布新聞稿的當(dāng)天，BNN Bloomberg發(fā)表了一篇題為“ 3M 將在 2025 年底停止生產(chǎn)‘Forever Chemical’PFAS”的文章。文章指出：3M 面臨數(shù)十起污染訴訟，使其承擔(dān)約 300 億美元的法律責(zé)任，而其 PFAS 業(yè)務(wù)的季度銷售額僅為約 10 億美元。因此，首席執(zhí)行官邁克羅曼決定他不相信該業(yè)務(wù)在未來可行。

死亡倒計(jì)時開始了

當(dāng) 3M 的比利時工廠于 2022 年 3 月 8 日關(guān)閉時，PFAS（包括 Fluorinert）的生產(chǎn)奇跡般地在三個月后的 6 月底恢復(fù)。但這一次，卻不能指望這樣的好運(yùn)氣。三年后，即 2025 年底，3M 將停止生產(chǎn) PFAS。

因此，半導(dǎo)體制造商必須冒著生存的風(fēng)險準(zhǔn)備替代制冷劑。然而，當(dāng)你想到讓一家化學(xué)品制造商開發(fā)一種新的制冷劑，申請各個領(lǐng)域的批準(zhǔn)和許可，然后確保預(yù)算建造一座化工廠時，三年太長了，也太短了。

而且從歷史上看，半導(dǎo)體行業(yè)團(tuán)體和政府都不會提供幫助?！疤熘灾摺?。倒計(jì)時已經(jīng)開始。如果不盡快采取措施，就來不及了。

編輯：黃飛

?