半导体的制造工序介绍 干法刻蚀设备温度控制原理

干法刻蚀设备冷却剂消失对市场的影响。

半导体支撑的人类文明

您每天都使用连接到 Internet 的智能手机或计算机。智能手机和个人电脑配备了大量半导体。此外，通信基站和数据中心的存在对于互联网来说是必不可少的。通信基站和数据中心由大量的半导体支撑。

您的家或办公室可能有照明设备和各种电器。为它们提供动力的电力在发电厂生产，并通过变电站传输。功率半导体在功率的产生和传输中起着积极的作用。

您可能正在乘火车上班、乘飞机出差或旅行，或者在 ATM 上从您的银行账户取款。半导体控制着火车的运行系统、飞机的自动驾驶系统、银行的骨干系统等等。

这样，在今天，我们就不能没有半导体就无法工作，也无法过上文明的生活。没有半导体就不可能再维持人类文明。

这种半导体的生产可能会在2026年停止。即便如此，“到2027年量产2nm逻辑半导体” Rapidus 也无法实现其目标。

在本稿中，首先简单回顾半导体的制造工序。接下来，将介绍在干蚀刻装置用制冷剂方面拥有全球80%份额的美国3M公司将在2025年底之前退出其生产的消息。此外，不能准备替代制冷剂的半导体制造商将面临工厂停止运行的危机。

半导体制造工艺

如图 1 所示，半导体通过三个步骤制造：设计、预处理和后处理。 

图1

在这里，只进行设计的半导体制造商被称为无晶圆厂。具有代表性的无晶圆厂公司是销售 iPhone 的苹果公司。可以说苹果是无晶圆厂的，因为它为iPhone设计处理器，将前后端工序外包给中国台湾的台积电。

在前道工序中，大约1000颗半导体芯片同时制造在一块直径为8至12英寸的硅片上。晶圆代工厂是一家半导体制造商，在无晶圆厂公司的委托生产下仅承担前端工艺。代表性代工厂就是前面提到的台积电。

在后工序中，硅晶圆被减薄（研磨）、分割（切割）、树脂封装等，并进行各种测试。专门从事后处理的半导体制造商称为OSAT（外包半导体组装和测试）。最近，垂直堆叠多个芯片的 3D IC 正在蓬勃发展。

预处理概述 

图 2 显示了预处理的简要概述

清洗硅晶片，在其上形成诸如金属或绝缘膜的薄膜，并且通过光刻形成用于电路图案的抗蚀剂掩模。然后，通过干法蚀刻进行实际加工，去除并清洗不需要的抗蚀剂，并检查图案尺寸。在这里，光刻和干法蚀刻这两种技术被称为微细加工。

这样，进行30～50次以上成膜、刻蚀、蚀刻的工序，在二维硅芯片上形成三维结构物的晶体管、电容器、布线等。其工序数为500～1000工序以上。另外，作为要素技术，有离子注入、CMP、热处理等。

前处理使用的设备和材料

图 3 显示了各公司在此前端流程中使用的制造设备的份额。日本在应用和开发抗蚀剂、热处理设备、单晶圆和批式清洗设备、掩模检测设备和CD-SEM 的涂层/显影剂市场占有很大份额。

图3 各公司前处理设备市场份额（2021年）

在前端制程使用的材料方面，日本的硅片、抗蚀剂、各种CMP浆料、各种高纯度化学品等市场占有率非常高（图4）。 

图4 各公司前处理材料市场份额及日本市场份额（2020年）

没有上述任何一种设备，就无法生产半导体。此外，如果缺少任何材料，则无法生产半导体。也就是说，一台机器是由几千个零件组成的，即使少了一个零件，也不可能造出一台成品制造机。材料也是如此，如果没有材料的原材料，就不可能制作成品的材料。

半导体的生产依赖于许多这样的设备和材料。因此，即使设备的零件材料短缺，或者材料的部分原材料短缺，半导体制造也会很快变得困难。

现在我们面临着一个惊人的问题，即到 2025 年底，80% 的干法蚀刻设备冷却剂将从市场上消失。详情如下所述。

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，月产能为5.5万片，目标2024年投产。此类半导体工厂可能需要数百台或更多的干法蚀刻机。在干法刻蚀设备中，为了进行精细加工，必须精确控制硅片的温度。

下面结合图5说明干法刻蚀装置的温度控制原理。 

图5干法刻蚀设备温度控制原理

干法刻蚀时，等离子的热量流入晶圆，若不采取措施，晶圆温度将升高，刻蚀特性将发生波动。因此，为了保持一定的刻蚀特性，需要控制晶圆的温度恒定。

因此，使用称为冷却器的装置从称为静电吸盘的晶圆载台的背面流出一定温度的冷却剂，通过使该冷却剂循环，使静电吸盘的温度保持恒定。

此外，由于仅通过静电吸盘和晶圆之间的物理接触来控制晶圆温度是不够的，因此在晶圆和静电吸盘之间流动He（氦）气以提高热传导效率。。由于He比空气或蚀刻气体轻，分子运动速度快，所以在晶圆和静电吸盘之间穿行，起到导热的作用。

如上所述，在干法蚀刻装置的静电吸盘中，通过在冷却器中循环的冷却剂和He气将晶片的温度控制在一定水平。由于温度范围很宽，从接近 100°C 的高温到 -70°C 的极低温度，因此需要针对每个目标温度优化的制冷剂。

虽然这种制冷剂被循环使用，但它会逐渐泄漏，因此它会在补充泄漏量的同时进行循环。因此，在半导体工厂中，为了运行干式蚀刻设备，需要稳定地采购冷却器的冷却介质。半导体工厂通常有三个月左右的库存。

2022年3月8日，第一起事件发生

图 6 用于干法蚀刻设备的冷水机冷却剂的全球市场份额

以“便利贴”闻名的3M公司在其比利时工厂生产的“Fluorinert”占据了全球约50%的市场份额，在同一家3M公司生产的“Novec”占据了全球约30%的市场份额其美国工厂约有 20% 由总部位于比利时的索尔维在其意大利工厂以“Galden”品牌生产。两种制冷剂都是氟基惰性液体，属于多氟烷基物质 (PFAS) 的一种。

在这种情况下，2022年3月8日，比利时佛兰德斯地区政府强制停止了3M比利时工厂的PFAS（包括Fluorinert）生产。强制停产的原因是PFAS这种高度稳定的有机氟化物正在造成污染问题。

大量半导体制造商依赖 Fluorinert，其拥有全球 50% 的市场份额。无法采购替代冷却剂且已用完 Fluorinert 的半导体工厂将无法运行其干法蚀刻设备。这意味着半导体工厂的运营将停止。

日本半导体产业陷入危机

世界各地的半导体制造商已经为 Fluorinert 的替代制冷剂展开了激烈的采购战。然而，日本在这里被迫陷入了不利的战斗。

这是因为Fluorinert的唯一替代制冷剂是3M在其美国工厂生产的Novec，或Solvay在其意大利工厂生产的Galden，这是因为每年生产和进口超过1吨的Novec年被有关化学物质的法律（简称“化学物质管理法”）禁止。这意味着索尔维的 Galden 是日本唯一的替代制冷剂。

因此，如果再这样下去，有许多日本半导体工厂将面临停产的危险。然后，我联系了半导体行业团体SEMI，“希望你做点什么”，但被拒绝了，说“第三人不能对其他国家的公害问题发表意见”。

简而言之，无论是产业团体还是政界人士都说“半导体是战略物资”，“加强半导体供应链很重要”，“半导体是产业的大脑和心脏''。虽然嘴上说得挺利索，但对日本半导体产业的危机状况“都假装不知情”。

一度危机化解，却再次陷入严重的危机局面

日本（不仅是全球）半导体行业的这场危机暂时得到了避免。这是因为 3M 的比利时工厂向法兰德斯地方政府承诺，将花费超过 800 亿日元采取剥离所有 PFAS 污染土壤等措施，因此 Fluorinert 的生产将在 2022 年 6 月底恢复。因为它已经完成了。此时，各家半导体厂的冷媒库存都快用完了，千钧一发之际才避免了最坏的情况。

2022 年 12 月 20 日，3M 发布了一份新闻稿，称其将“在 2025 年底前退出所有 PFAS 制造”。　Fluorinert 和 Novec 包含在该 PFAS 中。这意味着到2025年底，全球市场份额约为20%的索尔维Galden将成为干法蚀刻设备的唯一冷却剂（图7）。

图 7 干法蚀刻设备冷水机制冷剂全球市场份额

那么为什么 3M 退出 PFAS 生产呢？12 月 20 日，即 3M 发布新闻稿的当天，BNN Bloomberg发表了一篇题为“ 3M 将在 2025 年底停止生产‘Forever Chemical’PFAS”的文章。文章指出：3M 面临数十起污染诉讼，使其承担约 300 亿美元的法律责任，而其 PFAS 业务的季度销售额仅为约 10 亿美元。因此，首席执行官迈克罗曼决定他不相信该业务在未来可行。

死亡倒计时开始了

当 3M 的比利时工厂于 2022 年 3 月 8 日关闭时，PFAS（包括 Fluorinert）的生产奇迹般地在三个月后的 6 月底恢复。但这一次，却不能指望这样的好运气。三年后，即 2025 年底，3M 将停止生产 PFAS。

因此，半导体制造商必须冒着生存的风险准备替代制冷剂。然而，当你想到让一家化学品制造商开发一种新的制冷剂，申请各个领域的批准和许可，然后确保预算建造一座化工厂时，三年太长了，也太短了。

而且从历史上看，半导体行业团体和政府都不会提供帮助。“天助自助者”。倒计时已经开始。如果不尽快采取措施，就来不及了。

编辑：黄飞