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2019西安副彩票中心:中國半導體產業的成功之道:可靠、可預測的本地特殊化學品供應鏈

發布時間:2018-08-23 瀏覽量:765 來源: 字號:[ 上海福利彩票中心电话 ]
出自:Entegris

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導言
自 2015 年以來,中國努力成為全球半導體市場公認的領導者,中國半導體產業一直處于上升軌道,目標是晶圓廠產能翻番。



中國政府的目標是在 2020 年之前,將中國在全球晶圓廠產能中占據的份額從 12% 提高到 20%。事實上,為支持“中國制造 2025”這一戰略,中國最近承諾將加大對制造創新促進型行業的財政支持,例如物聯網 (IoT)、智能電器和高端消費電子產品。[1]

目前,中國在全球消費電子產品市場上占據了最大份額,全球約80%的智能手機、70%的筆記本電腦/平板電腦和60%的平板電視在國內制造。但是,這些產品所采用的大多數集成電路 (IC) 都是進口的,本地 IC 供應和本地制造需求之間的缺口持續擴大。這種貿易失衡被視為影響中國戰略地位的一大關鍵問題,具體體現在全球經濟、地緣政治/安全?;さ確矯?。因此,中國正積極推進構建本地半導體生態系統,包括無晶圓廠的集成器件制造商 (IDMS)、代工廠、半導體和測試 (OSAT)外包供應商,目標是到 2020 年創收 1,430 億美元。中國目前在這一領域的進展表明這一目標并不遙遠,自 2015 年以來,中國在新建半導體制造廠(晶圓廠)方面的增速超過任一半導體市場,目前有 24 個晶圓廠在建,其中 19 個項目來自本土廠商。[2]

來自私募和中國政府的大量投資紛紛涌入中國半導體市場,流向短期人才招募和長期研發投入。目前,內存市場是一大重點領域,因為它沒有先進邏輯器件復雜,市場準入門檻不高。因此,相較于三星、臺積、英特爾等邏輯器件制造商,中國半導體制造商給 SK海力士和美光 等公司帶來的挑戰會來的更快。

中國半導體產業的投資,特別是對內存產品的重點投資,意味著需要消耗大量的特殊氣體和化學品。這既提供了巨大的機遇,也帶來了嚴峻的挑戰。本文將闡釋為何要建立一條本地供應鏈,以專注于提供最高純度的高質量特殊化學品,為什么確保供應可靠性、遵守中國嚴格的安全和環保要求至關重要。

為什么材料對下一代 IC 器件而言至關重要
新半導體技術要取得成功,必須達到預期的晶體管性能目標和很高的良率。在過去幾代制程制程中,材料在提高器件性能的作用日益重要,超過了設備和工藝優化。隨著 IC 尺寸不斷縮小,制造工藝中所用材料的質量和純度將對良率產生直接影響。隨著行業從 28 nm 向更先進制程遷移并引入高 k 電介質,這一點將愈加明顯。例如,在物聯網和數據中心應用方面,下一代晶體管將偏重能效、速度和連接性等關鍵要素,而要實現這些目標,新材料對必不可少。

新品速度
半導體制程的發展帶來了新的機遇,因此需要快速開發新的解決方案和新的化學品,以解決新出現的問題,或者快速推動制程升級。首先要從供應鏈入手。在中國,供應鏈問題極其復雜,原因如上文所述:安全性、供應可靠性以及如何應對不斷提高的純度要求。

事實證明,要找到一家完全符合上述具體標準的供應商具有很大的挑戰性。因此,如果可以找到一家深入了解這些挑戰并與原材料供應商已有合作關系的供應商,會很有幫助。此類供應商不僅需要能夠開發新的化學品和氣體,并快速用于大批量制造,還需要具備純化或合成材料以達到半導體制造需求的能力。供應商越緊跟晶圓廠技術升級的步伐,就能越快地采購各種化學品,快速進行純化和組合以達到晶圓廠的規格要求,并打入供應鏈?;蛘?,他們可能需要進口原材料,然后在中國工廠進行組合。靈活而有實力的供應商能夠快速完成這些工作,從而將為晶圓廠帶來競爭優勢。

  

質量/可預測性
半導體制造環境對高純度的要求無可比擬,為追求先進制程,半導體產業對材料純度和穩定性提出了更嚴格的要求。在 國際半導體產業協會(SEMI)推進下,過去幾十年,半導體產業制定了原材料、元器件、分析方法的有關標準,旨在確保整個行業都可以穩定享用高純度化學品。[3] 大多數情況下,這些標準比其他行業對污染控制的要求要嚴格幾個量級,哪怕是制藥行業(圖 1)。因此,業界可以根據這些標準為半導體器件制造選擇合適的使用材料,并通過其提供的測試方法,鑒定化學品是否合格。

下一代半導體制造對污染物的容忍度僅為萬億分之一。雖然特定材料的純度可能在制造商規定的范圍內,但也可能存在無法分析到的未知污染物。這些未知污染物可能導致偏差,干擾機臺設備,擾亂工藝控制,導致制造中斷,并且影響器件良率。

出于這個原因,此外,制造商相信“如果控制了已知雜質,必然也已控制未知雜質”這一理論,因此進一步收緊了對規格的要求。但是,要測試這些規格,所需分析能力也變得更加復雜。(看不到就無法測量。)因此,材料供應商必須超越當前的技術純度規格,確保這些材料是可預測和可控的,并確保純度的不穩定性非常小。要確保材料供應既符合批量制造的要求又將不穩定性降至最低,挑戰非常大。特別需要注意的是,外購材料時要切記,在化學品運輸到晶圓廠的途中,很多環節上都可能發生污染。

這一難題直到近期才在中國引起關注,因為傳統制造占據了主導地位,對微污染的容忍度較高。但無論是跨國公司,還是中國本土的半導體制造商,都將制造先進器件作為他們的目標,這就需要純度非常高的先進化學品等等。

內存市場在中國和全球范圍都在持續擴張,特別是 3D NAND。中國新建了很多晶圓廠,以增加 3D NAND 的產能。云計算帶來了數據爆炸,存儲照片庫、音樂和視頻導致個人計算機固態硬盤的容量日益增大,這些都推動著3D NAND市場的迅猛發展。特殊化學品在 3D NAND 技術中扮演了非常重要的角色。例如,隔離 3D NAND 堆疊的不同電介質將對 3D NAND 金屬前體提出新的需求。


 
供應可靠性
中國對半導體制造材料的各項要求非常嚴格。從根本上說,在對的時間獲得對的材料,對于保持晶圓廠正常運營至關重要。誰都不想讓晶圓廠停產。如果某種關鍵的先進化學品供應不足,可能導致產值達數十億美元的工廠停產。在中國,要確保供應可靠性,需牽涉到多個相互關聯的因素,包括特殊化學氣體和化學品的安全性、法律監管問題,以及是否擁有多個先進材料和原材料供應源。

由于特殊化學品制造所需的專用設備成本非常高,因此量少的情況下進口更成本經濟。但是,很多化學品不能航空運輸?;飯┯α慈雜擅攔?、日本和歐洲化學品公司主導。[4] 從這些地區海運至中國導致供應鏈很長。因此,對于大批量的關鍵化學品和氣體,投資建立本地生產供應鏈可減少物流挑戰,降低成本和供應不確定性。因此,國際供應商必須在本地運營,最好是建立本地制造基地和配送渠道。



安全至上
注入氣體、沉積和蝕刻用的特殊化學品以及潔凈品等材料毒性高且易燃。這些材料如發生泄漏,會導致火災、爆炸和重大人身傷害,給員工、當地社區和晶圓廠造成很大的干擾和損害。

據報道,國內工業化學品基地曾因爆炸遭受嚴重損失,引起了各界對化學品處理的高度關注。[5] [6].為此,中國政府加強了對進口材料和運輸方法的監管,如今只有經過政府認證的供應商才能運輸易揮發的材料。

為了解決這個問題,有些全球性材料制造商與當地供應商展開合作,避免材料通關延遲,確保縮短供應鏈。此外,這些公司還與經過認證的當地運輸公司合作,將易揮發性材料從工廠或倉庫運往晶圓廠。那些不僅能夠滿足材料安全性要求,還能證明他們的輸送系統具有良好的過往記錄,并在業界享有盛譽的供應商將最具競爭優勢。與這些供應商開展合作可以大大減少從海外進口材料可能帶來風險和延遲。

環境問題
除了安全之外,在中國制造特殊化學品還面臨著一個重大挑戰,那就是近期出臺的環境法規嚴控空氣污染。自 2018 年 1 月起,違反污染限制新規的化學品制造工廠將依據污染類型、地點和違規嚴重程度繳稅??掌廴舅拔課廴鏡繃?1.2 元至 12 元。[8] 例如,污染企業每排放 0.95 公斤的氮氧化物或二氧化硫,需繳納 1.2 元和 12 元。[9]

很多化工廠因此停產,嚴重影響了制藥和半導體制造行業的原材料供應。在需求增長的同時,當地供應商數量減少,可能導致供應短缺和成本上漲。

材料來源
目前,在中國制造的很多半導體材料來自于工業化學品生產商,他們必須根據半導體制造規格對一部分配方進行純化。這項要求非常嚴格,特別對于缺乏專業知識的小型公司而言更是如此,而且由于這些產品通常只在他們的產品組合中占據很小比例,他們中的大多數會選擇徹底退出半導體行業。因此,當地材料制造商無法隨時供應先進半導體制造中所需的很多化學品和氣體,從而影響了材料供應可靠性。

有些情況下,原材料的供應工廠可能位于地緣政治環境不利的地點。材料供應商不僅要認識到 100% 的供應可靠性對確保晶圓廠取得成功至關重要,還必須清除原材料的來源地,并制定供應策略,包括戰略備貨,儲備具有相同特性的貨源,以防由于某些偏差、自然災害或其他潛在的災禍而導致主貨源中斷。

選擇特殊氣體和化學品供應商時,應重點考慮那些針對上述情況進行了相應規劃、并與原材料供應商保持著長期密切關系的材料制造商。

安全運送
離子注入、化學氣相沉積 (CVD)、原子層沉積、外延 (EPI) 和其他半導體制造工藝中所用的很多特殊化學品和氣體劇毒且易燃。雖然這些化學品和氣體本身通常隨時可供,但能否安全高效地將這些材料輸送到機臺也至關重要。

半導體產業有一系列推薦的安全標準。SEMI S2 這一重要的化學品輸送標準就規定了特氣柜或液體輸送系統等設備的最低安全要求。企業可將該指導原則納入設備采購規格,并根據需求進行增添。此項標準的范圍包括危險警告標簽、安全聯鎖系統、緊急關閉、火災?;?、危險能源隔離、地震防護、環境考量、排氣通風、化學品、聲壓級別等參數。

除了運營期間的安全之外,運輸和安裝過程中的安全也至關重要。例如,氣瓶存儲和氣體輸送的方式大不相同。氣體的危害程度越大,越發需要使用專用氣瓶來存儲和運輸氣體,以確保晶圓廠內部的安全。為了解決這個問題,2009年,美國國家消防協會 (NFPA)針對在大氣壓以下存儲和/或輸送氣體的氣瓶制定了專門定義,并命名為負壓氣體系統 (SAGS) I 和 SAGS II包裝。此后,美國國際規范委員會(International Code Council, ICC)將其納入其規范的第 2703.16 節,規定與這些包裝相關的更高安全級別。

SAGS I 包裝用于在大氣壓以下存儲和輸送氣體。通常,氣瓶充滿多孔的吸附劑,讓氣體的特性更類似于固體。SAGS II包裝可在高壓下存儲氣體,但在大氣壓以下輸送氣體。這些包裝在氣瓶內部通常配有一個機械裝置,例如一個調節器或幾組調節器。這兩類包裝的氣瓶出口必須抽取真空,才能取用氣體。

由于 SAGS I 包裝在大氣壓以下存儲和輸送氣體,它們可以大大降低致命泄漏的概率,這與標準高壓氣瓶(即 SAGS II 氣瓶)迥然不同。因此,砷化氫、磷化氫等安全隱患最大的氣體通常采用 SAGS I氣瓶。



由于 SAGS I 和 II包裝可將氣體的輸送壓力降到大氣壓以下,因此可以顯著降低員工面臨的風險,避免暴露在晶圓廠使用的一些高危險性材料下。此外,由于這些系統在大氣壓以下輸送氣體,它們還可以減少氣體輸送途中的腐蝕或泄漏。這不僅提高了安全性,還降低了晶圓廠機臺的停工率,從而節省成本。

很多安全問題都是氣瓶、液態前體安瓿、化學品桶等化學品容器安裝或拆卸不當導致的。很多工業用途的化學品會與大氣發生反應。若大氣未經過適當清潔,這些反應可能導致化學品輸送系統污染和組件損壞,或者在拆卸之后的輸出接頭上殘留毒物,給員工帶來危害。晶圓廠員工必須接受適當培訓,以確保遵守有關規章制度。

結論
中國半導體市場正在迅速擴張,對材料的依賴性很大,同時面臨嚴格的安全和環境法規,而且缺乏本地供應商,這就導致中國半導體產業高純度、可預測特殊化學品可靠供應不足,這些化學品包括注入氣體、沉積材料、潔凈品以及化學機械研磨 (CMP)、后 CMP 工藝和蝕刻化學品。

中國半導體產業需要確保國外的材料供應商充分了解如何應對半導體制造基礎設施建設方面的挑戰。若要成功打入中國市場供應鏈,材料供應商必須了解中國特定的法律法規和地緣政治問題,能夠在本地采購原材料,并精通在快速擴張的中國市場開展業務的細枝末節。此外,材料供應商還必須了解易揮發材料相關的安全風險,并且提供安全可靠的密閉和輸送系統。他們還必須提供支持服務,最好是現場服務,或者隨時通過電話會議/網絡互動提供服務。

選擇材料供應商時必須考察的重要標準包括:擁有可靠、可預測的供應鏈,了解風險,提供安全的輸送機制等。另外,要與先進制程商展開競爭,材料供應商必須能夠開發新型化學品和樣品,通過靈活的方式擴大生產,以確??燜俳桓緞虜?。

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