在9月26日的2017中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會暨第十二屆中國集成電路制造年會上，工信部電子信息司集成電路處處長任愛光提出中國半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的環(huán)保問題需要新突破。這標(biāo)示管理層在經(jīng)過光伏行業(yè)大躍進(jìn)后對中國半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了新的要求和思路。
 
投資成本不斷攀升
 
晶圓廠投入成本可以從兩個方面來衡量。首先是建設(shè)投資，通常晶圓廠的建設(shè)成本以億元美金計。比如英特爾的大連廠耗資為25億美金。三星更是計劃投入150億美金作為三星西安半導(dǎo)體工廠的二期投資；其次晶圓廠的運(yùn)作成本極高。一個半導(dǎo)體晶圓廠從誕生之日起幾十年，一天24小時，一年三百六十五天不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，始終是耗能和環(huán)保問題大戶。耗能和環(huán)保兮兮相關(guān)，也是同一個問題。
 
全球Foundry排名第一的臺積電在2016年用電量為88.53億度。Global Foundry在紐約的 Fab 8需要214兆瓦電力，每日用水量350萬加侖。
 
半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)中的苛刻要求使得廠房和設(shè)備必須用不間斷的高能耗來滿足一致性和持續(xù)性。比如在生產(chǎn)過程中需要對工藝溫度進(jìn)行穩(wěn)定的精準(zhǔn)控制。特別是在刻蝕工序，溫度上下浮動0.1?C可能造成良率的偏差。由于晶圓生產(chǎn)中大部分工序不可逆，極易出現(xiàn)批量報廢事故。
 
2016年，西安市的高壓變電站故障，導(dǎo)致西安的三星芯片廠的電源供應(yīng)閃斷，持續(xù)數(shù)秒，造成大面積生產(chǎn)中斷，設(shè)備緊急停機(jī)，在生產(chǎn)線中流水的晶圓報廢，產(chǎn)品市值損失過億美元。如果能降低生產(chǎn)能耗，廠務(wù)供電系統(tǒng)的壓力就會隨之降低，一旦類似供電故障發(fā)生，廠務(wù)UPS系統(tǒng)響應(yīng)恢復(fù)的可能性能大幅增加。
 
晶圓廠不應(yīng)只關(guān)心制程
 
隨著芯片尺寸不斷縮小以及對產(chǎn)能的不斷提升，溫控及真空輔助設(shè)備在芯片生產(chǎn)中的作用被越來越重視。傳統(tǒng)的控溫方式通過采用壓縮機(jī)制冷的制冷機(jī)將設(shè)定溫度的冷卻液送入工藝腔體，以達(dá)到控溫效果。制冷機(jī)和真空泵等輔助設(shè)備通常擺放在高潔凈無塵室的樓下，占用相當(dāng)于生產(chǎn)潔凈室相當(dāng)面積或更大的空間。
 
英特爾投資25億美元建設(shè)的大連芯片廠的潔凈廠房面積為 1.5 萬平方米。臺積電8寸Fab5的無塵室面積為1萬平方米。如何有效的提高無塵室直接生產(chǎn)用面積在Fab總面積的比重直接影響到throughput(產(chǎn)能)和Cost of Ownership (成本)。
 
在美國的半導(dǎo)體晶圓廠開始應(yīng)用半導(dǎo)體直接制冷技術(shù)進(jìn)行控溫?；诓栁髟淼陌雽?dǎo)體制冷通過集成半導(dǎo)體熱電芯片對冷卻液直接控溫。經(jīng)過二十年的不斷開發(fā)提高，半導(dǎo)體直冷控溫技術(shù)已在美國半導(dǎo)體芯片廠廣泛應(yīng)用，又在新加坡臺灣歐洲的半導(dǎo)體芯片廠的改良提升過程中起到大幅節(jié)能（減少相關(guān)工序80%電耗）以及增加工廠有效生產(chǎn)空間的效果。
 
 
通過集成半導(dǎo)體熱電芯片對冷卻液直接控溫的方式，與傳統(tǒng)制冷相比的最大特點是壓縮機(jī)被取消。Fab不再需要使用對大氣環(huán)境有損害的氟利昂冷媒，不再有壓縮機(jī)運(yùn)行的噪音，不再需要對壓縮機(jī)進(jìn)行常規(guī)保養(yǎng)。使得制冷真正達(dá)到工業(yè)化綠色生產(chǎn)的要求，F(xiàn)ab更容易達(dá)到環(huán)保評估的標(biāo)準(zhǔn)。
 
集成半導(dǎo)體熱電芯片的制冷機(jī)的體積和傳統(tǒng)壓縮機(jī)類設(shè)備相比，由于取消了壓縮機(jī)及相應(yīng)的內(nèi)部復(fù)雜管路，體積可以縮小到1/8乃至1/10。使得制冷機(jī)可以方便的安裝在主機(jī)臺周邊或高架地板下。第一次在行業(yè)中提出了 POU (Point-of-Use)的理念。據(jù)此工廠的有效生產(chǎn)空間可以大幅提升，可以幫助新Fab多出近30%的空間用于生產(chǎn)，這對于寸土寸金的Fab的應(yīng)用成本有極大改善。
 
由于體積的減小，半導(dǎo)體直冷機(jī)可以安裝在盡可能靠近主機(jī)臺的位置，不再需要數(shù)十米長的管道配置，簡化了廠務(wù)的安排，減少了生產(chǎn)空間需求。由此帶來的另一個優(yōu)點是降低了對昂貴的專用冷卻液（數(shù)百美元/加侖）的需要，用量可以減少到傳統(tǒng)方式的20%。
 
冷卻液用量的減少帶來的是顯著的節(jié)能效果。采用這種技術(shù)的制冷機(jī)的用電量是傳統(tǒng)制冷機(jī)的10%到30%。Fab設(shè)備正常全年不間斷運(yùn)作，一臺半導(dǎo)體制冷機(jī)通常兩年左右僅本身節(jié)約的電費(fèi)就可以抵消chiller本身的成本。傳統(tǒng)制冷方式多用的電量不僅直接增加了運(yùn)營成本，從能量守恒的角度進(jìn)一步分析，傳統(tǒng)制冷方式產(chǎn)生的額外70%左右的無效熱量更需要廠務(wù)系統(tǒng)的空調(diào)及冷卻水系統(tǒng)去消耗電能承擔(dān)處理，這些被浪費(fèi)的能量最終將被排放到環(huán)境中！
 
對生產(chǎn)和應(yīng)用效率的影響
 
回到設(shè)備本身對應(yīng)用及生產(chǎn)工程部門的影響。首先沒有壓縮機(jī)需要維護(hù)，減低了Fab人力物力的需求。由于可以靠近主機(jī)臺安裝，可以方便的采用供液段或回液段的溫控方式，制冷機(jī)可以更穩(wěn)定快捷的溫度響應(yīng)，工藝工程師有更多的溫度應(yīng)用窗口進(jìn)行選擇，最大程度減小生產(chǎn)中的溫度漂移。恰當(dāng)設(shè)置的回液段溫控方式可以幫助工藝工程師定位最佳良率的溫控點。
 
 
與上述節(jié)能型制冷機(jī)對應(yīng)，行業(yè)中還出現(xiàn)了微型真空泵，異曲同工的大幅縮小了真空設(shè)備的體積。使得Fab生產(chǎn)的附屬設(shè)備有可能將無塵室的高架地板下的空間有效的應(yīng)用起來，從而把原有的配套設(shè)備空間轉(zhuǎn)化為直接生產(chǎn)空間。未來這樣的組合使用很可能建設(shè)出有效生產(chǎn)面積占大比重的新廠務(wù)結(jié)構(gòu)，運(yùn)營成本和產(chǎn)能結(jié)構(gòu)大幅改善，
 
由于半導(dǎo)體制冷芯片本身的特性，目前半導(dǎo)體制冷技術(shù)已足以覆蓋蝕刻領(lǐng)域80%到90%以上的工序，傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷在少數(shù)超低溫大功率的應(yīng)用中，還保有一定優(yōu)勢。隨著大功率半導(dǎo)體制冷技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)，這一比率還在提升中。
 
基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的冷卻系統(tǒng)的超小結(jié)構(gòu)還使得作為半導(dǎo)體生產(chǎn)主要工藝之一的刻蝕設(shè)備有可能把制冷系統(tǒng)集成到主機(jī)臺中，這不但可以幫助刻蝕機(jī)臺更容易完成系統(tǒng)的工藝調(diào)試，還將進(jìn)一步從根本上簡化Fab的廠務(wù)配置，終端用戶的總體Cost Of Ownership可以降低，這樣的機(jī)臺在應(yīng)用上的優(yōu)越性靈活性和傳統(tǒng)機(jī)臺相比又有提高。
 
在中國大陸的Fab方興未艾的建設(shè)時，臺灣半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)在環(huán)保和能耗的主題上投入了相當(dāng)?shù)难芯浚㈤_始廣泛應(yīng)用到實際生產(chǎn)。在規(guī)劃建設(shè)階段就把環(huán)保和能耗的持續(xù)開發(fā)納入系統(tǒng)考量可以幫助新興半導(dǎo)體芯片廠在生產(chǎn)環(huán)節(jié)上提升起跑點，提高在未來產(chǎn)業(yè)中的競爭生存能力。
 
作者簡介
 
薛勇，曾任職于多家半導(dǎo)體晶圓廠資深工程業(yè)者，二十余年的行業(yè)經(jīng)歷，直接或間接工作于國內(nèi)，新加坡，臺灣和北美的多家半導(dǎo)體行業(yè)公司，包括Qimonda, Hynix, Nortel Networks，UMC, Charter Semiconductor, Applied Materials 和 Diamondwire Technology 等等從硅片制造到晶圓前道生產(chǎn)的多個領(lǐng)域。做過供應(yīng)商，也做過客戶，習(xí)慣從不同角度從日常運(yùn)作中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。目前關(guān)注于Fab輔助生產(chǎn)系統(tǒng)對運(yùn)營的能耗，生產(chǎn)效率，particle 控制等Fab生產(chǎn)的影響研究及應(yīng)用，尤其是各種新制冷技術(shù)的開發(fā)與推廣。
 
2017-10-19  來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察薛勇

文章關(guān)鍵詞： 韋爾半導(dǎo)體  香港華清電子(集團(tuán))有限公司  半導(dǎo)體晶圓