加剧全球汽车芯片紧缺，瑞萨火灾原因深究
3月30日，日本半导体巨头瑞萨电子透露，关于因火灾停工的那珂工厂出货恢复至火灾前水平的时期，从火灾发生的3月19日算起预计需要3-4个月，到6-7月才能恢复。据称部分车用半导体库存告罄的4月下旬将停止出货，之后1.5-2个月内供应停滞。
汽车缺“芯”停产的范围在不断蔓延，而作为最大的汽车芯片制造商之一的瑞萨电子发生火灾，对于本已脆弱的汽车产业来讲可谓是雪上加霜。
日前，日本半导体行业研究专家汤之上隆对瑞萨火灾一事进行了推演，并猜想了其背后可能的原因：3万人裁员和轻晶圆厂的代价。
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。
以下为编译全文：
《加据世界车载半导体紧缺…瑞萨工厂火灾，3万人裁员和轻晶圆厂的代价》
▎被诅咒的车载半导体
仿佛是上天对这用尾气破坏着环境的汽车产业降下的铁锤，车载半导体的生产接连发生了不幸的事故，给汽车产业带来了恶劣影响。受2020年疫情影响，去年3月至8月汽车芯片需求“蒸发”。结果，在车用半导体销售份额中位居第一的英飞凌（德国），位居第二的恩智浦半导体（荷兰）和第三的瑞萨电子（日本）都取消了对台积电的生产委托。
但是台积电接到了世界各地专职设计的半导体设计公司（无晶圆厂）的生产委托，转眼间就把车用半导体取消的订单给补了回来。结果去年秋季之后车用芯片需求复苏，但台积电已没有余力去接车载半导体的生产订单了。
2020年的汽车生产，主要依赖需求“蒸发”时生产的车载半导体过剩库存勉强维持，但在库存用尽的2021年出现了很大的问题。
其次，美国德克萨斯州2月12日突然遭遇寒流，奥斯汀能源公司于2月16日实施计划停电，导致该州的三星电子、infineon、NXP等半导体工厂停产。由于此次停电，上述3家公司合计停止了每月11万5000片12英寸晶圆的生产。不仅是车载半导体，三星电子的逻辑半导体生产也遭受了巨大损失。
此外，瑞萨那珂工厂在2月13日发生的福岛县海上地震中受灾，停电约3小时后停止运转。我觉得这3个小时停电的影响不小。然后，本以为终于恢复了，却在3月19日，瑞萨那珂工厂的300mm线（N3栋）发生了火灾（图1），半导体工厂如此严重的火灾是前所未闻的。
另外，该火灾的影响很大，预计瑞萨的损失将达到175-240亿日元，而且要恢复地震和火灾前的出货状况还需要100-120天（是否过于乐观了？）。其结果也有估算，今年2021年4-6月世界汽车生产将减少160万辆（3月31日日本经济新闻）。
为避免这种紧急情况，经济产业大臣梶山弘志在3月30日的内阁后新闻发布会上宣布，日本已请求台湾制造商在瑞萨的车载半导体替代生产方面进行合作（3月30日路透社）。这家台湾厂商应该是台积电，但由于台湾从去年开始少雨，缺水问题日益严重，台积电的半导体工厂也不容乐观。
如果台积电的半导体工厂关闭，世界各地的电子工业可能会遭受重创，因此对于台积电来说，可能没有余力将资源分配给占出厂额3%的车载半导体等。因此，原本就很紧迫的TSMC，不知道是否会接受日本的请求来生产车载半导体。
▎瑞萨为什么着火？
从去年到今年，新冠疫情、寒流和地震导致的停电、前所未闻的火灾、少雨导致的缺水，车载半导体的生产接连出现问题。因此，正如文章开头所写的“神之铁锤”一样，人们会想到地球上的上帝在愤怒地说:“不要再制造汽车了。”但是，在上述之中，只有瑞萨火灾是与自然灾害无关的事故，而火灾的原因被报道为“电镀装置过电流引起的起火”，但目前还无法明确这一点。
为何电镀装置的过电流导致起火？
3月21日的《Car Watch》报道了3月21日在网上召开的瑞萨记者招待会。《瑞萨半导体工厂火灾影响1个月后向汽车制造商发货的产品的2/3面向汽车》中，关于火灾的原因记载在以下的Q&A中。
“电镀装置，是否流过过电流，所以没有接通过电流的保护电路？洒水器等是否启动了？
小泽：配备在过电流断路器、设备上。根据消防署的见解，在电流流通时切断并着火并扩散到了使用的树脂中。"
另外，小泽英彦先生是经营着发生火灾的300mm工厂的瑞萨生产制造代表理事社长。小泽与瑞萨电子代表理事兼CEO柴田英利、该公司执行人员常务兼生产本部长野崎雅彦一同出席了记者招待会，并做出了上述回答。
但是，笔者从这个对话中还是无法理解为什么会发生火灾。
因此，在本文中：首先说明电镀装置在怎样的工艺中使用。接着，叙述电镀装置的结构和工作原理。在此基础上，关于为什么电镀装置的过电流导致起火，我想就此进行推测论述。
▎瑞萨那珂工厂在何处发生火灾？
半导体由设计→前工序→后工序三个阶段制成。与只进行设计的fabless、只进行生产的foundry相比，像瑞萨这样从设计到后期工程全部由自己完成的半导体企业被称为IDM(Integrated Device Manufacturer)。
不过，瑞萨将40nm以后的尖端工艺全部委托给台积电生产，即使是40nm以外的老式工艺，也将增产部分委托给台积电生产，所以称为“轻晶圆厂型”。瑞萨那珂工厂的前期工程有200mm (N2栋)和300mm (N3栋)两个工厂，此次火灾发生在300mm的N3栋1楼(图3)。
再次回到图2，在前一道工序中，在晶圆上经过500 -1000道工序，同时制造出约1000个芯片的半导体。从该半导体的剖面照片来看，有10层以上的铜(Cu)布线层，越往下布线宽度越小。在最下层，可以看到白色的芝麻粒一样的东西。左侧展示了放大后的电子显微镜照片，这就是晶体管。而且，这次发生火灾的是在制作Cu布线的电镀工序中。
下一节将对Cu布线的制造工艺进行说明。
▎Cu布线形成方法
直到2000年左右，半导体金属布线的材料都使用铝（Al）。如图4A所示，在形成Al膜后，通过光刻技术形成抗蚀剂图案，通过干法蚀刻直接加工Al，在通过上表面除去抗蚀剂后，用绝缘膜（SiO2，二氧化硅）嵌入形成布线。
但是，由于难以通过干蚀刻直接进行Cu加工，因此如图4B所示，在Low-k膜上加工槽，通过镀Cu埋入该槽，通过CMP(Chemical Mechanical Planarization，化学机械平坦化)去除不需要的Cu，即所谓的“镶嵌法”形成布线。
让我们更详细地看一下该镀Cu层附近的工序（图5）。在通过干法蚀刻在Low-k膜上形成沟槽之后，形成Ta或TaN薄膜，这被称为阻挡金属。Cu被Ta或TaN阻挡以防止其扩散，因为Cu在绝缘膜中扩散。
接着，用溅射这种成膜方法薄薄地形成Cu，该Cu薄膜称为种子层。然后，终于转移到问题的电镀工序，该电镀准确称为电解电镀。如图6所示，在硫酸铜和硫酸水溶液中浸泡阴极和阳极两个电极，在该电极间施加直流电压。另外，预先将成膜有Cu种子层的晶片设置在阴极侧。
然后，在水溶液中产生Cu离子，将其吸引到阴极，与Cu种子层的电子结合，形成金属的Cu并析出。结果，如图5所示，槽完全被Cu嵌入。然后，通过用CMP去除上部的Cu，形成基于镶嵌法的Cu布线。火灾是在上述Cu电镀过程中发生的，但笔者却无法理解。
▎因过电流而起火?
瑞萨的记者招待会上透露，铜的电镀过程中流过过电流，由此起火。在记者招待会上的问答中，小泽社长回答说:“电镀装置上安装了断路器。”作为安全对策，这是理所当然的措施。
一般家庭也有断路器。笔者的公寓安装了50A(安培)断路器。因此，如果使用多个电器产品，合计超过50A，断路器自然会掉落。所以，在使用各种电器产品时，要注意不要超过50A。
话题回到瑞萨，小泽社长就安装有断路器的电镀装置回答说：“根据消防署的见解，电流流动时断路而起火。”笔者无法理解这个回答。这句话的意思是“在电镀的过程中，电闸断了(也就是掉下来)，过电流流过，导致起火”吗?但是，如果“断路器断了(掉下来)”，电流就会停止。所谓断路器，是为了抑制过电流的保护电路，一般是这样的吧。
但结果还是“起火”。这难道意味着断路器没有作为保护电路工作吗？也就是说，保护电路已经发生故障了吗？笔者对这种情况似乎无法理解，但“保护电路故障”的可能性很高。
因此，从这里开始写笔者推测，希望大家谅解。
▎福岛县近海地震的破坏和结构调整的影响
瑞萨那珂工厂在2月13日发生的福岛县近海地震中受灾，约3点停电。在N3栋，估计有数百台规模的制造设备，这些设备同时断电了。笔者推测，这次停电可能是制造设备受损了。比如说，这次起火的电镀装置的保护电路坏了，这样的很常见并不奇怪。
像这样因停电而停止运转的数百台制造装置，将一台一台地启动，但是瑞萨的那珂工厂相关人员是否能够好好应对，还是有疑问的。之所以这么说，是因为2010年日立制作所和三菱电机设立的瑞萨科技和NEC电子合并，员工数达到4.92万人，之后欧姆龙出身的作田久男会长兼CEO在任时，员工数和工厂都减少了一半。
在这种魔鬼般的裁员效果的作用下，瑞萨扭亏为盈，但由于以工厂相关人员为中心，员工人数减少了3万多人，所以生产装置的安全管理可能非常薄弱。
另外，自2月13日地震以后，车载半导体在全世界范围内都处于紧张状态，因此瑞萨那珂工厂的工厂开工率一直维持在60%左右，目前正准备满负荷运转。以上的结果，可能是对保护电路有可能坏掉的制造装置，轻视或无视安全检查，用很少的人员匆忙启动。在此过程中，发生了这次前所未闻的火灾。
火灾的真正原因还未查明，但是车载半导体的供给不足和汽车产业的困境今后也将继续。近10年来减少了近三万员工，轻晶圆厂化的代价是不是太大了。
来源：内容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）编译自「biz-journal」
作者：汤之上隆