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汤之上隆：到2025年底，3M将停止生产PFAS，全球半导体制造将会发生什么？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。美国工业巨头3M公司12月20日表示，其计划彻底退出被称为“永久化学品”的全氟及多氟烷基物质(PFAS)的生产，并努力在2025年底前在其产品组合中完全停止使用PFAS，因为有关这些化学品会对健康和环境造成影响的批评和诉讼正越来越多。
3M首席执行官迈克•罗曼(Mike Roman)表示，这一决定受到了两方面因素的影响：一是对这种化学物质的监管日益加强，二是市场对替代选择的需求正不断增长。
至此，从今年3月发酵了近一年的3M冷却剂停产事件终于有了历史性进展。3M主要生产半导体蚀刻工艺专用的冷却剂，其产能占全球80%，客户包括台积电、Intel、三星、SK海力士等全球半导体巨头。市场分析公司Techcet的总裁兼首席执行官Lita Shon-Roy曾表示，缺少材料是快速扩张的芯片行业的致命弱点。
尽管距离2025年彻底停产还有三年时间，但也意味着世界上80%的干式蚀刻制冷剂将在三年内消失，在找到可靠的替代品之前，或给半导体带来严重影响。日本精密加工研究所所长汤之上隆此前就撰文表达了对3M比利时工厂停工的看法（《买不到冷却剂，全球半导体工厂危机或将来临》），时值3M官宣永久退出PFAS市场，汤之上隆进一步为我们解答了当前PFAS对全球半导体行业的重要性，并尝试探讨有效的应对之策。
以下为编译全文：《到2025年底，3M将停止生产PFAS，全球半导体制造将会发生什么？》半导体行业在2022年发生了很多令人震惊的事情，在只剩下10多天的时间里，我们再次看到了震撼业界的新闻。12月20日，在干法蚀刻设备冷却剂领域独占全球约80%市场份额的3M公司宣布，到2025年底，包括上述冷却剂在内的全氟/多氟烷基化合物 (Per- and polyfluoroalkyl substances，PFAS）将停产。3M曾于3月8日停止在其比利时工厂生产氟化惰性液体（注册商标Fluorinert），这是PFAS的一种，使世界各地半导体工厂陷入了停顿状态。笔者于4月11日在相关文章中详细报道了这一事件。当时，特别是日本半导体工厂陷入了危机事态，笔者在5月18日发布的文章中进行了说明。但是，由于3M公司的比利时工厂与比利时弗拉芒地区政府达成协议，采取去除所有被PFAS污染的土壤等措施，因此在6月末重启了生产。当时正值很多半导体工厂的冷却剂储备快要用完的时候，因此在危机关头避免了最坏的事态。然而，半年后，3M公司宣布全面退出PFAS的生产，世界上所有半导体工厂必须在3年内准备能替代3M公司的冷却剂，做不到便会面临停产。本文将首先说明干法蚀刻设备的温度控制原理，并复盘3M作为独占全球80%冷却剂市场份额的现状。接下来，回顾3M公司的比利时工厂从停产到恢复的过程。进而论述3M公司为什么要退出PFAS的生产。在此基础上，讨论世界半导体工厂必须在3年内确保干法蚀刻设备用的冷却剂。综上所述，为了准备干法蚀刻设备的替代冷却剂，3年的时间实在是太短了。全世界的半导体工厂，关乎存亡，必须立即准备替代冷却剂。图1:干法蚀刻设备的温度控制原理 来源:野尻一男(Nanotech Research)《半导体干法蚀刻技术的首次问世》(技术评论社)，第90页图4-16干法蚀刻过程中，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，蚀刻特性会发生变动。因此，为了维持某种蚀刻特性，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。氦气比空气和蚀刻气体轻，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，在干式蚀刻系统的静电卡盘中，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蚀刻设备的运转，必须稳定地采购冷却剂。图2显示了干法刻蚀设备冷却剂的全球份额，3M公司在比利时的工厂生产的Fluorinert约占全球份额的50%，该公司在美国工厂生产的名为Novec的冷却剂约占30%。此外，总部设在比利时的索尔维（以下简称Solvay）在意大利的工厂生产一种名为Galden的冷却剂，其全球份额约为20%。
图2：干法刻蚀设备冷却剂的全球份额 来源：作者的研究估计3M公司在比利时生产的Fluorinert造成了污染问题，因此，该公司收到了比利时弗拉芒地区政府的命令，要求其停止生产，这导致今年（2022年）3月8日3M暂停Fluorinert的发货（准确地说，Fluorinert在2021年底已经停止生产，2022年3月8日才停止发货是因为库存耗尽）。占有全球市场份额约50%的Fluorinert停止发货，意味着世界各地的半导体工厂面临停产的威胁。作为Fluorinert的替代品，3M公司的Novec和Solvay的Galden的替代订单纷至沓来。当时，日本的《化学物质审查及制造管理法》（简称《化审法》）禁止每年生产和进口Novec超过1吨。因此，日本的半导体工厂可选择的采购方案就只剩下Solvay的Galden。所以，一些半导体工厂面临着关闭运营的危险。然而，正如本文开头所提到的，最坏的情况在最后一刻被避免了，因为3M公司的比利时工厂在2022年6月底左右恢复了Fluorinert的生产，当时半导体工厂的制冷剂库存已经即将耗尽。那么，3M的比利时工厂是如何设法恢复Fluorinert生产的呢？根据3M公司2022年7月6日的新闻稿 “Agreement Reached Between the Flemish Government and 3M Belgium to Support the People of Flanders”（弗拉芒地区政府与3M比利时公司达成的支持弗拉芒人民的协议），以下部分解释了该公司如何能够恢复PFAS（包括Fluorinert）的生产（图3）。资料来源：3M公司新闻稿《弗拉芒地区政府与3M比利时公司达成的协议》。资料来源：3M公司新闻稿 "弗拉芒地区政府与3M比利时公司达成的支持弗拉芒人民的协议"（2022年7月6日），由作者编写。首先，3M公司的比利时工厂已经向弗拉芒政府做出了两项现有承诺，即在工厂安装最先进的PFAS处理技术（1.15亿欧元）和支持当地农民（500万欧元）。除此之外，3M比利时工厂还做出了总额为4.513亿欧元的新承诺，包括2.5亿欧元用于弗拉芒地区土壤治理法所要求的额外措施，以及弗拉芒政府可以自行决定使用的1亿欧元资金用于PFAS排放等。其中最大的一笔是2.5亿欧元，3M比利时工厂将用于对周围的居民和其他人采取以下四项措施：1）对3M公司比利时工厂附近的居民区（和花园）的污染土壤进行修复，并恢复花园的机能（估计是为了剥离被PFAS污染的土壤）；2）减少受污染的地下水流入比利时自然保护公园Palingbeek；3) 通过全面的粉尘管理计划，防止未来可能含有PFAS的土壤或粉尘随风飘散；这样，3M的比利时工厂承诺弗拉芒地区政府在现有和新的承诺上共花费5.71亿欧元（约802亿日元）。因此，3M的比利时工厂应该已经获得许可，在2022年6月底恢复PFAS（包括Fluorinert）的生产。然而，6个月后的12月20日，3M公司宣布它将全范围退出PFAS生产。这是为什么呢？到 2025 年底结束所有 PFAS 生产：3M 停止生产所有氟聚合物、氟化流体和基于PFAS的添加剂产品。我们可以帮助您促进有序的迁移。3M计划在过渡期间履行目前的合同义务。
12月20日3M发布新闻稿时，美国《彭博》杂志报道了“3M Will Stop Producing ‘Forever Chemical’ PFAS by End of 2025”，报道的内容如下，以下是其中的部分引文：二战期间在原子弹计划中研究的PFAS被怀疑是有害的，3M公司已经面临寻求巨额赔偿的诉讼。来自监管机构的压力也越来越大：在超过70年的时间里，3M 通过 PFAS 开发了大量产品，包括 "Scotchgard"，其中含有PFAS。然而，预计其潜在的法律负担将达到300亿美元。3M首席执行官迈克·罗曼在接受采访时解释说，这是基于更严格的监管和消费者对使用PFAS的担忧做出的决定。
3M的PFAS业务季度销售额约为10亿美元，而污染诉讼等法律负担为300亿美元。为此，首席执行官迈克·罗曼（Mike Roman）决定，他认为该业务在未来是不可行的，导致了该公司退出市场。然而，如果他们突然停止生产PFAS，影响就会太大了。因此，他们可能已经决定分阶段退出，给予三年的宽限期。尽管如此，对于半导体行业来说，情况仍然很严重。这是因为世界上80%的干式蚀刻制冷剂将在三年内消失。让我们说明，自2022年3月8日3M比利时工厂停止生产Fluorinert以来，已经变得很清楚的事情。首先，另一家制冷剂制造商Solvay认为，这带来了巨大的商业机会，但当他们与相关人士交谈时，他们说他们无意进一步增加Galden的产量。这似乎是由几个因素造成的。一是与3M公司一样，氟化惰性液体Galden的生产也伴随着污染问题。另一个是，事实上，直到8英寸时代，Solvay的Galden作为干式蚀刻设备的制冷剂占据了很大的市场份额。然而，当2000年后12英寸时代到来时，3M公司带着Florinert和Novec成群结队地进入这一领域，并以低成本为武器，主导了12英寸蚀刻剂的市场份额。换句话说，Solvay公司对将干式蚀刻制冷剂业务和12英寸蚀刻剂一起输给3M公司有着痛苦的回忆，而且现在似乎不愿意在这个领域投资增产。此外，还听说三星电子和SK海力士已经开始评估中国制造商的制冷剂。这项评估显然仍在进行中，但据说没有获得中国制造商所说的规格，而且在循环使用几个月后，干式蚀刻设备的真空室中经常出现电弧等问题。因此，中国制造商的制冷剂很可能仍需多年才能用于半导体的大规模生产。3M公司将在2025年底完全退出PFAS的生产。这是一个决定，不能再指望3M公司的比利时工厂在2022年6月底偶然恢复生产了。三年的宽限时间已经开始运行。Solvay不太可能以任何重大方式增加Galden的产量，而中国制造商的制冷剂可能需要多年时间才能使用。尽管如此，半导体制造商将不得不不惜一切代价准备替代制冷剂，进行一场致命的竞赛。失去这场竞争的半导体制造商将不得不关闭他们的工厂。在各种类型的制造设备中，干式蚀刻设备在2021年取得最大的销售额（189亿美元），超过了曝光设备（图4）。无论是逻辑还是存储器，先进还是传统，没有干式蚀刻设备就不能生产芯片。图4：各种半导体制造设备出货量的变化 来源：作者根据野村证券的数据创建为了生产半导体，保持盈利并保持竞争力，需要确保大量的干式蚀刻机的替代制冷剂。三年的时间，对于开发高质量的制冷剂、向各方面申请许可和批准以及开发建设一个化工厂来说太短了。必须立即开始行动，否则将无法及时准备。
来源：内容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）编译自「EETimes Japan」，作者：汤之上隆