高純度氟化氫突圍記
高純度氟化氫突圍記
來源：中國電子報
2019年7月，日本政府宣布對出口韓國的半導(dǎo)體工業(yè)材料加強(qiáng)審查和管控，并將韓國排除在貿(mào)易“白色清單”以外，這些半導(dǎo)體材料包括含氟聚酰亞胺、光刻膠、氟化氫。為應(yīng)對這一局勢，韓國政府牽頭，鼓勵韓國半導(dǎo)體材料企業(yè)加快研發(fā)，全力突破日本企業(yè)的壟斷，并最終成功突圍。2023年3月，日本政府決定解除限制向韓出口上述三種關(guān)鍵半導(dǎo)體材料的措施，將韓日出口貿(mào)易恢復(fù)至2019年7月之前的狀態(tài)。至此，日韓之間的這場“貿(mào)易戰(zhàn)”接近尾聲。
發(fā)生在日韓半導(dǎo)體領(lǐng)域的壟斷與反壟斷、管制與反管制的故事，反映出濫用出口管制措施的巨大破壞性，以及維護(hù)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定的重要性。在長達(dá)三年的這場“貿(mào)易戰(zhàn)”中，上述三種半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)也發(fā)生了相應(yīng)的變化，高純度氟化氫、含氟聚酰亞胺、光刻膠三種半導(dǎo)體材料的產(chǎn)業(yè)故事，值得深思。
高純度氟化氫被稱為半導(dǎo)體制造的“血液”，在芯片制造的用途極其廣泛，是保證芯片質(zhì)量的關(guān)鍵材料。生產(chǎn)一款芯片大概需要500至1000個步驟，其中大約10%的步驟都會用到高純度氟化氫，包括晶圓表面清洗、雜物清除、刻蝕、基板切割等。高純度氟化氫作為一種關(guān)鍵性基礎(chǔ)化工材料，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，可能會導(dǎo)致產(chǎn)線停擺。
“干式蝕刻”和“濕式蝕刻”是目前半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)兩種主流的蝕刻技術(shù)，高純度氟化氫最主要的用途就是濕式蝕刻。濕式蝕刻即使用酸或堿的水溶液快速除去大量材料或完全去除特定材料，高純度氟化氫的用途是去除氧化硅。物以稀為貴，高純度氟化氫是在氫氟酸的基礎(chǔ)上加工生產(chǎn)的，制造難度非常大。而氟化氫技術(shù)的提升與改進(jìn)是不斷提升純度的過程，難度隨著制程工藝的迭代持續(xù)攀升。
記者了解到，IC制程中電子氣體純度通常要求在6N（99.9999%）以上。12英寸、90納米制程的IC制造技術(shù)需要電子氣體純度達(dá)到99.999%~99.9999%（5N-6N），氣體雜質(zhì)需要控制在10。28nm及6~10nm制程工藝，電子氣體雜質(zhì)要達(dá)到ppb（10-12）級別。
并且，高純度氟化氫還具有不可替代性和非標(biāo)準(zhǔn)化性。因?yàn)闊o論是清洗還是刻蝕，每個制造商都有各自的理解和流程，對氟化氫產(chǎn)品的要求也不一樣，選材和配比的數(shù)值，都需要漫長的實(shí)驗(yàn)才能得到最佳結(jié)果，因此，很多都需要專門定制。
洛陽森藍(lán)化工材料科技有限公司總工程師崔武孝向《中國電子報》記者表示：“傳統(tǒng)含氟電子特氣還沒有合適的替代品，今后相當(dāng)長一段時期，仍將是電子行業(yè)必不可少的主流材料。隨著集成電路制造技術(shù)快速更迭，制程節(jié)點(diǎn)不斷減小，晶圓尺寸不斷變大，對電子特氣純度和精度要求持續(xù)提高。而電子氣體純度每實(shí)現(xiàn)一個數(shù)量級的提高，都會推動半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。因此，高純度氟化氫的需求量和用量還會逐年增加。”
目前，日本是氟化氫最大的供應(yīng)國，全球約90%的氟化氫市場被日本企業(yè)占據(jù)，代表企業(yè)有Stella Chemifa、瑞星化工、大金和森田化學(xué)。
賽迪顧問集成電路中心首席一級研究員、高級工程師池憲念指出，日本作為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的原材料主要供應(yīng)國，完整掌握了提取高純度氫氟酸的技術(shù)，能夠制備幾乎無雜質(zhì)的氫氟酸，在全球處于壟斷地位。加工螢石所生產(chǎn)的氫氟酸，是制造有機(jī)或無機(jī)氟化材料的關(guān)鍵原材料，也是發(fā)展氟化工行業(yè)的基礎(chǔ)，而目前的氟化工行業(yè)，在世界上呈現(xiàn)出高集中和高度壟斷的特點(diǎn)，主要分布在美國、日本、西歐等工業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。
韓國的部分企業(yè)依靠自身FAB等平臺布局了少量產(chǎn)能，但純度仍無法達(dá)到日本企業(yè)小數(shù)點(diǎn)后10個9的水平。半導(dǎo)體材料研究分析師溫旭認(rèn)為，造成上述情況的原因有兩點(diǎn)：一是半導(dǎo)體材料環(huán)節(jié)是半導(dǎo)體領(lǐng)域最上游環(huán)節(jié)，材料的研發(fā)不僅是科學(xué)的計算，更多的是試驗(yàn)的結(jié)果和know-how的積累。半導(dǎo)體材料最核心的是上游化工產(chǎn)業(yè)的支撐和精細(xì)化工提純能力，日本化工巨頭眾多，重視基礎(chǔ)科學(xué)，下游應(yīng)用便有了更好的“底牌”。二是客戶驗(yàn)證難度大、周期長、粘性強(qiáng)。因此，即便研發(fā)出高純度氟化氫，還有長達(dá)一年的測試周期，不僅要接受直接客戶的檢驗(yàn)，也要接受終端客戶的檢驗(yàn)。更先進(jìn)的工藝驗(yàn)證通常需要測試3年以上，難度可想而知。
崔武孝指出，當(dāng)前全球大部分氟化氫市場被幾大國際巨頭所占據(jù)，進(jìn)口價格昂貴，且進(jìn)口手續(xù)繁瑣、周期長，此外，氟化氫本身屬于危險化學(xué)品，性質(zhì)不穩(wěn)定、容易自發(fā)分解，長時間放置會導(dǎo)致雜質(zhì)含量提高。因此，加緊研發(fā)高純度氟化氫產(chǎn)品非常重要。
2019年，日本高純度氟化氫產(chǎn)量占據(jù)全球的70%，而韓國對日本材料企業(yè)的依賴幾乎達(dá)到了100％。高純度氟化氫的特性比較特殊，無法做到長期保存，韓國半導(dǎo)體企業(yè)一直是就近找日本材料企業(yè)小批量進(jìn)口，韓國本土企業(yè)不僅無法生產(chǎn)高純度、無雜質(zhì)的氟化氫，甚至連氟化氫的儲存技術(shù)也要依仗日本。三星曾表示，在日本出口管制實(shí)施時，其庫存中高純度氟化氫的余量僅夠維持幾周時間，如果不能及時解決供應(yīng)問題，估計只能采取減產(chǎn)、甚至停產(chǎn)措施進(jìn)行應(yīng)對。
想要拋開日本去別的國家尋求替代品，也幾乎是不可能的，因?yàn)闊o法達(dá)到所需的純度。LG相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，半導(dǎo)體原材料在投入量產(chǎn)前需經(jīng)過1~6個月左右的測試，特別是氟化氫的純度對半導(dǎo)體產(chǎn)品的品質(zhì)影響極大，世界上氟化氫提純度最高的國家僅有日本。據(jù)悉，當(dāng)時LG已經(jīng)以最快速度從其他國家購入氟化氫進(jìn)行測試，但短期內(nèi)其他產(chǎn)品很難立即填補(bǔ)日產(chǎn)氟化氫的空缺。自從日本發(fā)布禁令之后，韓國日均虧損近5萬億韓元。2019年年末，韓國269家中小型半導(dǎo)體公司聯(lián)合發(fā)聲，稱“一旦日本長期對韓國實(shí)行制裁，那么六成以上的企業(yè)撐不過半年的時間”。
但韓國并沒有坐以待斃，韓國政府牽頭一口氣投入了6萬億韓元的預(yù)算，鼓勵韓國的材料企業(yè)加快研發(fā)進(jìn)度。三星集團(tuán)更是投資了數(shù)十家韓國本土半導(dǎo)體設(shè)備和材料廠商，從化學(xué)材料供應(yīng)商，到陶瓷材料供應(yīng)商，再到前驅(qū)體材料供應(yīng)商，全力突破日本企業(yè)的壟斷。
韓國的投入很快獲得了回報，2020年年末，韓國化學(xué)材料供應(yīng)商Soul brain就已經(jīng)完全擁有了獨(dú)立生產(chǎn)高純度氟化氫的能力，可將液體氟化氫的雜質(zhì)減少至“一萬億分之一”。甚至憑借一己之力，滿足了韓國2/3氟化氫的需求量。
目前，SK Materials、Ram Technology、ENF Technology等韓國廠商也已成功開發(fā)出高純度的氟化氫，部分產(chǎn)品已被半導(dǎo)體廠商用于量產(chǎn)。根據(jù)韓國工業(yè)部的數(shù)據(jù)，從2019年到2021年，韓國氟化氫的進(jìn)口量下降66%，可以說，已經(jīng)打破了“卡脖子”的禁錮。
三星方面表示：“雖然日本方面的禁令給我們很大的困擾，但是每一次的挑戰(zhàn)，都是技術(shù)革新的開始。盡管投資的成本會成倍的增加，但是在風(fēng)險面前，三星一往無前。”這樣的速度和魄力令人欽佩。
2023年3月16日，日本政府決定解除限制向韓出口含氟聚酰亞胺、光刻膠、高純度氟化氫三種關(guān)鍵半導(dǎo)體材料的措施。將韓日出口貿(mào)易恢復(fù)至2019年7月之前的狀態(tài)。
但實(shí)際上，韓國對高純度氟化氫的進(jìn)口需求量已經(jīng)大大減少。禁令解除后，韓國市場日本高純度氟化氫的占比將回到何種水平，讓我們靜待年底的數(shù)據(jù)。
