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汤之上隆：半导体停产危机，人类文明会结束吗？

作者：汤之上隆  编译：小芯

作者简介：

汤之上隆先生为日本精密加工研究所所长，曾长期在日本制造业的生产第一线从事半导体研发工作，2000年获得京都大学工学博士学位，之后一直从事和半导体行业有关的教学、研究、顾问及新闻工作者等工作，曾撰写《日本“半导体”的失败》、《“电机、半导体”溃败的教训》、《失去的制造业：日本制造业的败北》等著作。

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半导体支持的人类文明

我们每天都会使用连接到互联网的智能手机或PC，这些设备都配备了许多芯片。此外，通信基站和数据中心的存在对互联网也至关重要，这些也需要大量半导体提供支持。

在家庭或办公室中有各种电器和灯具。电力是发电厂制造的，通过变电站传输。功率半导体等在发电和输电中发挥着积极的作用。

我们还可能会坐地铁上下班，坐飞机出差或旅行，或者在自动取款机上从银行存款中取钱。地铁运行系统、飞机自动驾驶仪系统、银行核心系统等都由半导体控制。

因此，在当今时代，没有半导体，我们就无法工作，也无法过上文化生活。毫不夸张地说，没有半导体就不可能再维持人类文明。

然而，半导体的制造可能在2026年停止。然后，Rapidus公司声称，“到2027年，我们将大规模生产2纳米的逻辑半导体”，这一（鲁莽的）目标将难以实现。

本文首先简要回顾了半导体的制造过程。接下来，将解释美国3M公司将于2025年底退出生产的消息，该公司在干法刻蚀设备冷却剂方面占据了80%的全球市场份额。在此基础上，一些无法准备替代冷却剂的半导体制造商将面临工厂停止运营的危机。

虽然事态非常严重，但从过去的情况来看，不能对半导体行业组织SEMI和日本政府指望任何东西。俗话说："天助自助者"。自助对于克服这一困难至关重要。

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半导体制造工艺

如图1所示，半导体是经过设计、前道工序和后道工序三个阶段生产出来的。

图1 半导体制造工序

在这里，我们称半导体制造商为无晶圆厂，只进行设计。美国的苹果公司就是一个典型的无晶圆厂公司，它销售iPhone。苹果为iPhone设计了处理器，并将前一步和后一步外包给台积电，因此可以说是无晶圆的。

前道工序中，在直径为8-12英寸的硅晶片上同时制造约1000个半导体芯片。从无晶圆厂获得生产委托并且仅执行前道工序的半导体制造商称为代工厂，典型的代工厂是台积电。

在后道工序中，硅片变薄（研磨），碎片化（切割），用树脂等封装，进行各种测试。专门从事后道工序的半导体制造商称为OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly & Test）。

最近，3D集成电路蓬勃发展，多个芯片垂直堆叠在一起，台积电等代工厂和垂直整合（集成设备制造商）的半导体制造商，如英特尔和三星电子，也进入了后道工序领域。

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前道工序的概要

图 2 显示了前道工序的简要概述。

图 2 前道工序的简要概述

硅片被清洗，薄膜（如金属和绝缘膜）沉积在硅片上，通过光刻技术形成电路图案的电阻掩膜。然后，通过干法刻蚀实际进行加工，去除不需要的抗蚀剂，清洗并检查图案大小。在这里，光刻和干法刻蚀这两种技术称为微加工。

这样，沉积、光刻、刻蚀步骤要进行30至50次以上，才能在二维硅片上形成三维结构物晶体管、电容器、布线等。其工序数达500-1000道以上。此外，组件技术，还包括离子注入、CMP、热处理等。

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前道工序中使用的装置和材料

图 3 显示了各公司在这个前道工序所使用的制造设备的份额。日本在涂布、显影对位胶的晶片显影器、热处理装置、片叶式和分批式清洗装置、掩膜检查装置、测长SEM等方面具有较高的市场占有率。

图3 前道工序设备按公司划分的份额（2021年）

来源：作者根据野村证券的数据创建

此外，在前道工序使用的材料中，硅片、电阻、各种CMP浆料、各种高纯度化学溶液，日本占有率非常高（图4）。

图4 前道工序材料各企业市场占有率及日本市场占有率(2020年)

来源：与日本材料制造商合作的共享数据

上述任何一项设备丢失，半导体将无法生产。此外，缺少任何一种材料，也不可能生产半导体。

更何况，一个设备由数千个零件组成，缺少一个部件，就无法制造出成品的生产设备。在材料方面也是如此，如果没有原材料，就不可能生产出成品材料。

半导体的生产建立在如此众多的设备和材料之上。因此，如果缺乏某些设备部件的材料，或者某些材料的原材料短缺，半导体制造就会立即陷入困境。

现在，我们面临的是一个惊人的问题，即到 2025 年底，干法刻蚀设备的制冷剂将在市场上消失 80%。将在下面详细介绍。

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干法刻蚀设备温度控制原理

目前，台积电熊本工厂正在建设中，月产量为5.5万张，计划于2024年投产。在此类半导体工厂中，可能需要数百台干刻蚀设备。在其干法刻蚀设备中，硅片的温度必须得到精确控制，以便进行精细加工。图5 将解释干刻蚀设备的温度控制原理。

图5 干刻蚀装置中温度控制的原理

来源:野尻一男(Nanotech Research)《半导体干法刻蚀技术的首次问世》(技术评论社)，第90页图4-16

干法刻蚀过程中，等离子体的热量会流入晶圆，如果什么都不做的话，晶圆的温度会上升，刻蚀特性会发生变动。因此，为了维持某种刻蚀特性，必须控制晶圆的温度。

通过让一定温度的冷却剂在静电卡盘的背面循环，冷风机用于保持静电卡盘的温度恒定。冷却剂是由3M公司的Fluorinert或类似材料制成。

静电卡盘和晶圆之间只有物理接触，晶圆的温度控制是不够的，所以在晶圆和静电卡盘之间要通入He（氦）气，以提高热传导效率。氦气比空气和刻蚀气体轻，分子运动速度快，热量在晶圆和静电卡盘之间来回传递。

如上所述，在干法刻蚀系统的静电卡盘中，晶圆被冷却器中循环的冷却剂和氦气控制在一定的温度。而且温度范围很广，从近100℃的高温到-70℃的低温。因此，需要为每个目标温度优化的冷却剂。

虽然这种冷却剂是循环使用的，但它会一点一点地泄漏，所以一边补充泄漏的量一边进行循环。因此，半导体工厂为了保证干法刻蚀设备的运转，必须稳定地采购冷却剂。通常，半导体工厂的库存约为三个月。

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2022年3月8日，

第一起事件发生

图 6 显示了干法刻蚀设备冷却剂的全球份额。

图6 干法刻蚀设备冷却剂的全球份额

来源：作者的研究估计

以Florinert闻名的3M公司在比利时的工厂生产的产品，在全球的市场份额约为50%，Novec也是由3M公司在美国的工厂生产，约占30%，Galden是由总部设在比利时的Solvay公司在意大利的工厂生产，约占20%。

以上任何制冷剂都是氟基惰性液体，是一种多氟烷基物质（聚氟烷烃，PFAS）。

在这种情况下，2022年3月8日，比利时佛兰德斯地方政府强制停止生产 3M 比利时工厂（包括Florinert）。PFAS是一种非常稳定的有机氟化物，强制停止的原因是污染问题。

许多半导体制造商依靠占全球市场份额约50%的Fluorinert，其库存只有三个月左右。半导体工厂无法采购替代制冷剂，若Fluorinert库存耗尽，干刻蚀设备将无法运行，这意味着半导体工厂将停止运行。

笔者认为这是一个严重的情况，并首先为《EE Times》日本发表了一篇文章（《3M比利时工厂停产，影响惊人--全球半导体工厂停产的威胁》，2022年4月11日）。

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日本半导体行业陷入危机

世界各地的半导体制造商都为Fluorinert的替代制冷剂展开了激烈的采购战。然而，日本被迫在这里进行一场不利的战斗。

这是因为Fluorinert的唯一替代制冷剂是3M公司在美国工厂生产的Novec和Solvay公司在意大利工厂生产的Galden，但在日本，根据《关于化学物质评价及其生产管理等的法律》（简称《化学物质管理法》），每年生产和进口超过1吨的Novec在日本被禁止。因此，日本唯一的替代制冷剂选择是Solvay的Galden。

因此，许多日本半导体工厂面临停业的危险。笔者为《EE Times》日本发表了一篇后续文章（《3M公司停止生产PFAS，现在是“暴风雨前的宁静吗”？》，2022年5月18日)。

随后，我们联系了半导体行业协会SEMI，要求他们对此做些什么，但他们拒绝了，表示“第三方不能干涉其他国家的污染问题”。

此外，作者还向众议院议员Yoshihiro Seki先生发送了一封电子邮件，他是自民党促进半导体战略的议员（或称半导体议会）的秘书长。

该议会成立于2021年5月，由Akira Amari先生担任主席，已故前首相安倍和前首相麻生太郎担任最高顾问（或称 "三A"，取其三人的首字母）。该请愿书通过电子邮件发给了 "半导体议会联盟 "秘书长、众议院议员Yoshihiro Seki，但未作回复。

总之，行业协会和政治家们一直“假装”半导体是一种战略物资，“假装”加强半导体供应链很重要，“假装”半导体是产业的大脑和心脏，而不是产业的大米，但他们一直“假装”不知道日本半导体产业的严峻形势。

08

危机一度被避免，

它再次成为严重的危机

日本（以及全球）半导体产业的危机一度避免。这是因为3M比利时工厂承诺花费800多亿日元，拆除所有受PFAS污染的土壤，并于2022年6月底恢复生产Fluorinert。最糟糕的情况在关键时刻被避免了，因为半导体工厂的制冷剂库存即将耗尽。

然而，3M于2022年12月20日发布了“到2025年底，我们将退出所有PFAS生产”的新闻稿。

其中一些PFAS包括Fluorinert和Novec。这意味着，干刻蚀设备的制冷剂，如果继续这样下去，到2025年底，将只有Solvay公司的Galden，其全球市场份额约为20%（图7）。

图7 干刻蚀设备冷水机组制冷剂的全球市场份额（2）

来源：作者调查的猜测

那么，为什么3M公司退出PFAS的生产呢？12 月 20 日，当 3M 发布新闻稿时，BNN 彭博社发表了一篇题为“3M to Exit PFAS Manufacturing by the End of 2025”的文章，引用如下：

3M 面临许多污染诉讼，其法律负担约为 300 亿美元，而 PFAS 业务季度的销售额仅为 10 亿美元左右。对此，首席执行官迈克·罗曼表示“不相信未来业务会发展”。

因此，我在《EE Times日本》上写了第三篇关于PFAS的文章（《3M将在2025年底前停止PFAS制造，全球半导体制造将会发生什么？》，2022年12月23日）。

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倒计时开始，直到死亡

2022年3月8日，3M 比利时工厂停产，奇迹般地，PFAS（包括Fluorinert）在 3 个月后于 6 月底恢复生产。然而，这一次不能指望有这种偶然的运气，因为在三年后，即2025年底，3M公司将退出PFAS生产。

因此，半导体制造商必须为自己的生存准备替代制冷剂。然而，让一些化学公司开发一种新的制冷剂，向各方面申请许可和批准，然后获得建造一个化学工厂的预算，三年的时间太短了。

而且，从过去的情况来看，半导体行业协会、政府和任何人都不会提供帮助。然而，我们不能一开始就说 "不"。正如他们所说，"天助自助者"。倒计时已经开始，如果我们不尽快采取措施，我们就无法及时采取行动。

来源：内容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）编译自「JBpress」，作者：汤之上隆