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中国半导体产业的成功之道:可靠、可预测的本地特殊化学品供应链
出自:Entegris

导言
自 2015 年以来,中国努力成为全球半导体市场公认的领导者,中国半导体产业一直处于上升轨道,目标是晶圆厂产能翻番。



中国政府的目标是在 2020 年之前,将中国在全球晶圆厂产能中占据的份额从 12% 提高到 20%。事实上,为支持“中国制造 2025”这一战略,中国最近承诺将加大对制造创新促进型行业的财政支持,例如物联网 (IoT)、智能电器和高端消费电子产品。[1]

目前,中国在全球消费电子产品市场上占据了最大份额,全球约80%的智能手机、70%的笔记本电脑/平板电脑和60%的平板电视在国内制造。但是,这些产品所采用的大多数集成电路 (IC) 都是进口的,本地 IC 供应和本地制造需求之间的缺口持续扩大。这种贸易失衡被视为影响中国战略地位的一大关键问题,具体体现在全球经济、地缘政治/安全保护等方面。因此,中国正积极推进构建本地半导体生态系统,包括无晶圆厂的集成器件制造商 (IDMS)、代工厂、半导体和测试 (OSAT)外包供应商,目标是到 2020 年创收 1,430 亿美元。中国目前在这一领域的进展表明这一目标并不遥远,自 2015 年以来,中国在新建半导体制造厂(晶圆厂)方面的增速超过任一半导体市场,目前有 24 个晶圆厂在建,其中 19 个项目来自本土厂商。[2]

来自私募和中国政府的大量投资纷纷涌入中国半导体市场,流向短期人才招募和长期研发投入。目前,内存市场是一大重点领域,因为它没有先进逻辑器件复杂,市场准入门槛不高。因此,相较于三星、台积、英特尔等逻辑器件制造商,中国半导体制造商给 SK海力士和美光 等公司带来的挑战会来的更快。

中国半导体产业的投资,特别是对内存产品的重点投资,意味着需要消耗大量的特殊气体和化学品。这既提供了巨大的机遇,也带来了严峻的挑战。本文将阐释为何要建立一条本地供应链,以专注于提供最高纯度的高质量特殊化学品,为什么确保供应可靠性、遵守中国严格的安全和环保要求至关重要。

为什么材料对下一代 IC 器件而言至关重要
新半导体技术要取得成功,必须达到预期的晶体管性能目标和很高的良率。在过去几代制程制程中,材料在提高器件性能的作用日益重要,超过了设备和工艺优化。随着 IC 尺寸不断缩小,制造工艺中所用材料的质量和纯度将对良率产生直接影响。随着行业从 28 nm 向更先进制程迁移并引入高 k 电介质,这一点将愈加明显。例如,在物联网和数据中心应用方面,下一代晶体管将偏重能效、速度和连接性等关键要素,而要实现这些目标,新材料对必不可少。

新品速度
半导体制程的发展带来了新的机遇,因此需要快速开发新的解决方案和新的化学品,以解决新出现的问题,或者快速推动制程升级。首先要从供应链入手。在中国,供应链问题极其复杂,原因如上文所述:安全性、供应可靠性以及如何应对不断提高的纯度要求。

事实证明,要找到一家完全符合上述具体标准的供应商具有很大的挑战性。因此,如果可以找到一家深入了解这些挑战并与原材料供应商已有合作关系的供应商,会很有帮助。此类供应商不仅需要能够开发新的化学品和气体,并快速用于大批量制造,还需要具备纯化或合成材料以达到半导体制造需求的能力。供应商越紧跟晶圆厂技术升级的步伐,就能越快地采购各种化学品,快速进行纯化和组合以达到晶圆厂的规格要求,并打入供应链。或者,他们可能需要进口原材料,然后在中国工厂进行组合。灵活而有实力的供应商能够快速完成这些工作,从而将为晶圆厂带来竞争优势。

 

质量/可预测性

半导体制造环境对高纯度的要求无可比拟,为追求先进制程,半导体产业对材料纯度和稳定性提出了更严格的要求。在 国际半导体产业协会(SEMI)推进下,过去几十年,半导体产业制定了原材料、元器件、分析方法的有关标准,旨在确保整个行业都可以稳定享用高纯度化学品。[3] 大多数情况下,这些标准比其他行业对污染控制的要求要严格几个量级,哪怕是制药行业(图 1)。因此,业界可以根据这些标准为半导体器件制造选择合适的使用材料,并通过其提供的测试方法,鉴定化学品是否合格。

下一代半导体制造对污染物的容忍度仅为万亿分之一。虽然特定材料的纯度可能在制造商规定的范围内,但也可能存在无法分析到的未知污染物。这些未知污染物可能导致偏差,干扰机台设备,扰乱工艺控制,导致制造中断,并且影响器件良率。

出于这个原因,此外,制造商相信“如果控制了已知杂质,必然也已控制未知杂质”这一理论,因此进一步收紧了对规格的要求。但是,要测试这些规格,所需分析能力也变得更加复杂。(看不到就无法测量。)因此,材料供应商必须超越当前的技术纯度规格,确保这些材料是可预测和可控的,并确保纯度的不稳定性非常小。要确保材料供应既符合批量制造的要求又将不稳定性降至最低,挑战非常大。特别需要注意的是,外购材料时要切记,在化学品运输到晶圆厂的途中,很多环节上都可能发生污染。

这一难题直到近期才在中国引起关注,因为传统制造占据了主导地位,对微污染的容忍度较高。但无论是跨国公司,还是中国本土的半导体制造商,都将制造先进器件作为他们的目标,这就需要纯度非常高的先进化学品等等。

内存市场在中国和全球范围都在持续扩张,特别是 3D NAND。中国新建了很多晶圆厂,以增加 3D NAND 的产能。云计算带来了数据爆炸,存储照片库、音乐和视频导致个人计算机固态硬盘的容量日益增大,这些都推动着3D NAND市场的迅猛发展。特殊化学品在 3D NAND 技术中扮演了非常重要的角色。例如,隔离 3D NAND 堆叠的不同电介质将对 3D NAND 金属前体提出新的需求。


 
供应可靠性
中国对半导体制造材料的各项要求非常严格。从根本上说,在对的时间获得对的材料,对于保持晶圆厂正常运营至关重要。谁都不想让晶圆厂停产。如果某种关键的先进化学品供应不足,可能导致产值达数十亿美元的工厂停产。在中国,要确保供应可靠性,需牵涉到多个相互关联的因素,包括特殊化学气体和化学品的安全性、法律监管问题,以及是否拥有多个先进材料和原材料供应源。

由于特殊化学品制造所需的专用设备成本非常高,因此量少的情况下进口更成本经济。但是,很多化学品不能航空运输。化学品供应链仍由美国、日本和欧洲化学品公司主导。[4] 从这些地区海运至中国导致供应链很长。因此,对于大批量的关键化学品和气体,投资建立本地生产供应链可减少物流挑战,降低成本和供应不确定性。因此,国际供应商必须在本地运营,最好是建立本地制造基地和配送渠道。



安全至上
注入气体、沉积和蚀刻用的特殊化学品以及洁净品等材料毒性高且易燃。这些材料如发生泄漏,会导致火灾、爆炸和重大人身伤害,给员工、当地社区和晶圆厂造成很大的干扰和损害。

据报道,国内工业化学品基地曾因爆炸遭受严重损失,引起了各界对化学品处理的高度关注。[5] [6].为此,中国政府加强了对进口材料和运输方法的监管,如今只有经过政府认证的供应商才能运输易挥发的材料。

为了解决这个问题,有些全球性材料制造商与当地供应商展开合作,避免材料通关延迟,确保缩短供应链。此外,这些公司还与经过认证的当地运输公司合作,将易挥发性材料从工厂或仓库运往晶圆厂。那些不仅能够满足材料安全性要求,还能证明他们的输送系统具有良好的过往记录,并在业界享有盛誉的供应商将最具竞争优势。与这些供应商开展合作可以大大减少从海外进口材料可能带来风险和延迟。

环境问题
除了安全之外,在中国制造特殊化学品还面临着一个重大挑战,那就是近期出台的环境法规严控空气污染。自 2018 年 1 月起,违反污染限制新规的化学品制造工厂将依据污染类型、地点和违规严重程度缴税。空气污染税为每污染当量 1.2 元至 12 元。[8] 例如,污染企业每排放 0.95 公斤的氮氧化物或二氧化硫,需缴纳 1.2 元和 12 元。[9]

很多化工厂因此停产,严重影响了制药和半导体制造行业的原材料供应。在需求增长的同时,当地供应商数量减少,可能导致供应短缺和成本上涨。

材料来源
目前,在中国制造的很多半导体材料来自于工业化学品生产商,他们必须根据半导体制造规格对一部分配方进行纯化。这项要求非常严格,特别对于缺乏专业知识的小型公司而言更是如此,而且由于这些产品通常只在他们的产品组合中占据很小比例,他们中的大多数会选择彻底退出半导体行业。因此,当地材料制造商无法随时供应先进半导体制造中所需的很多化学品和气体,从而影响了材料供应可靠性。

有些情况下,原材料的供应工厂可能位于地缘政治环境不利的地点。材料供应商不仅要认识到 100% 的供应可靠性对确保晶圆厂取得成功至关重要,还必须清除原材料的来源地,并制定供应策略,包括战略备货,储备具有相同特性的货源,以防由于某些偏差、自然灾害或其他潜在的灾祸而导致主货源中断。

选择特殊气体和化学品供应商时,应重点考虑那些针对上述情况进行了相应规划、并与原材料供应商保持着长期密切关系的材料制造商。

安全运送
离子注入、化学气相沉积 (CVD)、原子层沉积、外延 (EPI) 和其他半导体制造工艺中所用的很多特殊化学品和气体剧毒且易燃。虽然这些化学品和气体本身通常随时可供,但能否安全高效地将这些材料输送到机台也至关重要。

半导体产业有一系列推荐的安全标准。SEMI S2 这一重要的化学品输送标准就规定了特气柜或液体输送系统等设备的最低安全要求。企业可将该指导原则纳入设备采购规格,并根据需求进行增添。此项标准的范围包括危险警告标签、安全联锁系统、紧急关闭、火灾保护、危险能源隔离、地震防护、环境考量、排气通风、化学品、声压级别等参数。

除了运营期间的安全之外,运输和安装过程中的安全也至关重要。例如,气瓶存储和气体输送的方式大不相同。气体的危害程度越大,越发需要使用专用气瓶来存储和运输气体,以确保晶圆厂内部的安全。为了解决这个问题,2009年,美国国家消防协会 (NFPA)针对在大气压以下存储和/或输送气体的气瓶制定了专门定义,并命名为负压气体系统 (SAGS) I 和 SAGS II包装。此后,美国国际规范委员会(International Code Council, ICC)将其纳入其规范的第 2703.16 节,规定与这些包装相关的更高安全级别。

SAGS I 包装用于在大气压以下存储和输送气体。通常,气瓶充满多孔的吸附剂,让气体的特性更类似于固体。SAGS II包装可在高压下存储气体,但在大气压以下输送气体。这些包装在气瓶内部通常配有一个机械装置,例如一个调节器或几组调节器。这两类包装的气瓶出口必须抽取真空,才能取用气体。

由于 SAGS I 包装在大气压以下存储和输送气体,它们可以大大降低致命泄漏的概率,这与标准高压气瓶(即 SAGS II 气瓶)迥然不同。因此,砷化氢、磷化氢等安全隐患最大的气体通常采用 SAGS I气瓶。



由于 SAGS I 和 II包装可将气体的输送压力降到大气压以下,因此可以显著降低员工面临的风险,避免暴露在晶圆厂使用的一些高危险性材料下。此外,由于这些系统在大气压以下输送气体,它们还可以减少气体输送途中的腐蚀或泄漏。这不仅提高了安全性,还降低了晶圆厂机台的停工率,从而节省成本。

很多安全问题都是气瓶、液态前体安瓿、化学品桶等化学品容器安装或拆卸不当导致的。很多工业用途的化学品会与大气发生反应。若大气未经过适当清洁,这些反应可能导致化学品输送系统污染和组件损坏,或者在拆卸之后的输出接头上残留毒物,给员工带来危害。晶圆厂员工必须接受适当培训,以确保遵守有关规章制度。

结论
中国半导体市场正在迅速扩张,对材料的依赖性很大,同时面临严格的安全和环境法规,而且缺乏本地供应商,这就导致中国半导体产业高纯度、可预测特殊化学品可靠供应不足,这些化学品包括注入气体、沉积材料、洁净品以及化学机械研磨 (CMP)、后 CMP 工艺和蚀刻化学品。

中国半导体产业需要确保国外的材料供应商充分了解如何应对半导体制造基础设施建设方面的挑战。若要成功打入中国市场供应链,材料供应商必须了解中国特定的法律法规和地缘政治问题,能够在本地采购原材料,并精通在快速扩张的中国市场开展业务的细枝末节。此外,材料供应商还必须了解易挥发材料相关的安全风险,并且提供安全可靠的密闭和输送系统。他们还必须提供支持服务,最好是现场服务,或者随时通过电话会议/网络互动提供服务。

选择材料供应商时必须考察的重要标准包括:拥有可靠、可预测的供应链,了解风险,提供安全的输送机制等。另外,要与先进制程商展开竞争,材料供应商必须能够开发新型化学品和样品,通过灵活的方式扩大生产,以确保快速交付新产品。

 

 

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文章收入时间: 2018-05-02
 
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