关于半导体晶圆厂节能与环保的一些思考

2017-10-19 18:04:07 来源: 半导体行业观察

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在9月26日的2017中国集成电路产业发展研讨会暨第十二届中国集成电路制造年会上，工信部电子信息司集成电路处处长任爱光提出中国半导体集成电路产业发展中的环保问题需要新突破。这标示管理层在经过光伏行业大跃进后对中国半导体集成电路产业的发展提出了新的要求和思路。

投资成本不断攀升

晶圆厂投入成本可以从两个方面来衡量。首先是建设投资，通常晶圆厂的建设成本以亿元美金计。比如英特尔的大连厂耗资为25亿美金。三星更是计划投入150亿美金作为三星西安半导体工厂的二期投资；其次晶圆厂的运作成本极高。一个半导体晶圆厂从诞生之日起几十年，一天24小时，一年三百六十五天不间断运转，始终是耗能和环保问题大户。耗能和环保兮兮相关，也是同一个问题。

全球Foundry排名第一的台积电在2016年用电量为88.53亿度。Global Foundry在纽约的 Fab 8需要214兆瓦电力，每日用水量350万加仑。

半导体芯片生产中的苛刻要求使得厂房和设备必须用不间断的高能耗来满足一致性和持续性。比如在生产过程中需要对工艺温度进行稳定的精准控制。特别是在刻蚀工序，温度上下浮动0.1⁰C可能造成良率的偏差。由于晶圆生产中大部分工序不可逆，极易出现批量报废事故。

2016年，西安市的高压变电站故障，导致西安的三星芯片厂的电源供应闪断，持续数秒，造成大面积生产中断，设备紧急停机，在生产线中流水的晶圆报废，产品市值损失过亿美元。如果能降低生产能耗，厂务供电系统的压力就会随之降低，一旦类似供电故障发生，厂务UPS系统响应恢复的可能性能大幅增加。

晶圆厂不应只关心制程

随着芯片尺寸不断缩小以及对产能的不断提升，温控及真空辅助设备在芯片生产中的作用被越来越重视。传统的控温方式通过采用压缩机制冷的制冷机将设定温度的冷却液送入工艺腔体，以达到控温效果。制冷机和真空泵等辅助设备通常摆放在高洁净无尘室的楼下，占用相当于生产洁净室相当面积或更大的空间。

英特尔投资25亿美元建设的大连芯片厂的洁净厂房面积为 1.5 万平方米。台积电8寸Fab5的无尘室面积为1万平方米。如何有效的提高无尘室直接生产用面积在Fab总面积的比重直接影响到throughput(产能)和Cost of Ownership (成本)。

在美国的半导体晶圆厂开始应用半导体直接制冷技术进行控温。基于玻尔西原理的半导体制冷通过集成半导体热电芯片对冷却液直接控温。经过二十年的不断开发提高，半导体直冷控温技术已在美国半导体芯片厂广泛应用，又在新加坡台湾欧洲的半导体芯片厂的改良提升过程中起到大幅节能（减少相关工序80%电耗）以及增加工厂有效生产空间的效果。

通过集成半导体热电芯片对冷却液直接控温的方式，与传统制冷相比的最大特点是压缩机被取消。Fab不再需要使用对大气环境有损害的氟利昂冷媒，不再有压缩机运行的噪音，不再需要对压缩机进行常规保养。使得制冷真正达到工业化绿色生产的要求，Fab更容易达到环保评估的标准。

集成半导体热电芯片的制冷机的体积和传统压缩机类设备相比，由于取消了压缩机及相应的内部复杂管路，体积可以缩小到1/8乃至1/10。使得制冷机可以方便的安装在主机台周边或高架地板下。第一次在行业中提出了 POU (Point-of-Use)的理念。据此工厂的有效生产空间可以大幅提升，可以帮助新Fab多出近30%的空间用于生产，这对于寸土寸金的Fab的应用成本有极大改善。

图示为传统制冷机和半导体直冷设备在相同生产应用中的体积对比

由于体积的减小，半导体直冷机可以安装在尽可能靠近主机台的位置，不再需要数十米长的管道配置，简化了厂务的安排，减少了生产空间需求。由此带来的另一个优点是降低了对昂贵的专用冷却液（数百美元/加仑）的需要，用量可以减少到传统方式的20%。

冷却液用量的减少带来的是显著的节能效果。采用这种技术的制冷机的用电量是传统制冷机的10%到30%。Fab设备正常全年不间断运作，一台半导体制冷机通常两年左右仅本身节约的电费就可以抵消chiller本身的成本。传统制冷方式多用的电量不仅直接增加了运营成本，从能量守恒的角度进一步分析，传统制冷方式产生的额外70%左右的无效热量更需要厂务系统的空调及冷却水系统去消耗电能承担处理，这些被浪费的能量最终将被排放到环境中！

对生产和应用效率的影响

回到设备本身对应用及生产工程部门的影响。首先没有压缩机需要维护，减低了Fab人力物力的需求。由于可以靠近主机台安装，可以方便的采用供液段或回液段的温控方式，制冷机可以更稳定快捷的温度响应，工艺工程师有更多的温度应用窗口进行选择，最大程度减小生产中的温度漂移。恰当设置的回液段温控方式可以帮助工艺工程师定位最佳良率的温控点。

与上述节能型制冷机对应，行业中还出现了微型真空泵，异曲同工的大幅缩小了真空设备的体积。使得Fab生产的附属设备有可能将无尘室的高架地板下的空间有效的应用起来，从而把原有的配套设备空间转化为直接生产空间。未来这样的组合使用很可能建设出有效生产面积占大比重的新厂务结构，运营成本和产能结构大幅改善，

由于半导体制冷芯片本身的特性，目前半导体制冷技术已足以覆盖蚀刻领域80%到90%以上的工序，传统压缩机制冷在少数超低温大功率的应用中，还保有一定优势。随着大功率半导体制冷技术的进一步开发，这一比率还在提升中。

基于半导体制冷技术的冷却系统的超小结构还使得作为半导体生产主要工艺之一的刻蚀设备有可能把制冷系统集成到主机台中，这不但可以帮助刻蚀机台更容易完成系统的工艺调试，还将进一步从根本上简化Fab的厂务配置，终端用户的总体Cost Of Ownership可以降低，这样的机台在应用上的优越性灵活性和传统机台相比又有提高。

在中国大陆的Fab方兴未艾的建设时，台湾半导体行业已经在环保和能耗的主题上投入了相当的研究，并开始广泛应用到实际生产。在规划建设阶段就把环保和能耗的持续开发纳入系统考量可以帮助新兴半导体芯片厂在生产环节上提升起跑点，提高在未来产业中的竞争生存能力。

作者简介

薛勇，曾任职于多家半导体晶圆厂资深工程业者，二十余年的行业经历，直接或间接工作于国内，新加坡，台湾和北美的多家半导体行业公司，包括Qimonda, Hynix, Nortel Networks，UMC, Charter Semiconductor, Applied Materials 和 Diamondwire Technology 等等从硅片制造到晶圆前道生产的多个领域。做过供应商，也做过客户，习惯从不同角度从日常运作中发现问题并解决问题。目前关注于Fab辅助生产系统对运营的能耗，生产效率，particle 控制等Fab生产的影响研究及应用，尤其是各种新制冷技术的开发与推广。

责任编辑：薛勇

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