實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)的可持續(xù)半導(dǎo)體制造

來源：SiSC半導(dǎo)體芯科技 編譯

去碳化已成為全球大多數(shù)半導(dǎo)體公司的一項(xiàng)重要任務(wù)，但說起來容易做起來難。以下是半導(dǎo)體制造商和其他企業(yè)可以采取的減少碳足跡的措施。

國內(nèi)半導(dǎo)體制造業(yè)的恢復(fù)能力已成為全球大多數(shù)國家的當(dāng)務(wù)之急。半導(dǎo)體幾乎對所有現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)都至關(guān)重要，隨著技術(shù)不斷快速融入大多數(shù)市場產(chǎn)品，半導(dǎo)體已成為大多數(shù)行業(yè)的必需品。對定制化、連通性和 "智能 "設(shè)備的需求不斷增長，使得從咖啡機(jī)到心臟起搏器等各種產(chǎn)品對電子元件的需求不斷增加。

國內(nèi)半導(dǎo)體制造彈性已成為全球大多數(shù)國家的重中之重。半導(dǎo)體對幾乎任何現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)都是必不可少的，隨著技術(shù)繼續(xù)快速集成到大多數(shù)市場產(chǎn)品中，半導(dǎo)體已成為大多數(shù)行業(yè)的必需品。對定制、連接和“智能”設(shè)備的需求不斷增長，增加了對從咖啡機(jī)到心臟起搏器等各種電子元件的需求。

隨著電子元件需求的增長，有關(guān)半導(dǎo)體制造對環(huán)境影響的討論也與日俱增。

氣候變化與國內(nèi)半導(dǎo)體制造業(yè)的適應(yīng)能力一樣，已成為全球大多數(shù)國家政府的首要任務(wù)。對于許多公司來說，減少化石燃料、努力增加可再生能源技術(shù)、限制有害環(huán)境危害已成為與整體業(yè)務(wù)目標(biāo)保持一致的重要方面。半導(dǎo)體行業(yè)也不例外。

半導(dǎo)體行業(yè)對溫室氣體排放的總體比例貢獻(xiàn)巨大。根據(jù)哈佛大學(xué)的一項(xiàng)研究，二氧化碳排放總量的 75% 是通過半導(dǎo)體制造過程本身產(chǎn)生的。芯片的功能越強(qiáng)大，對環(huán)境的影響就越大。消費(fèi)設(shè)備和其他技術(shù)的不斷擴(kuò)散，使半導(dǎo)體的碳足跡迅速增加，造成了巨大的生態(tài)債務(wù)。

最近，半導(dǎo)體制造商正在采用新的可持續(xù)發(fā)展實(shí)踐，以立即有效地減少排放。這在一定程度上是由于越來越多的國家制定了到 2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和的宏偉目標(biāo)。許多芯片制造商正著手實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的不朽目標(biāo)，如英特爾承諾其新生產(chǎn)設(shè)施將 100% 使用可再生能源，臺積電打算到 2050 年將排放量減少到凈零。

這些行動將在減少快速增長的芯片行業(yè)對環(huán)境的影響方面邁出重要一步。由于許多半導(dǎo)體遺留的有毒物質(zhì)，在實(shí)現(xiàn)凈零排放的最后階段，可能需要采取更積極的策略。

半導(dǎo)體可持續(xù)發(fā)展實(shí)踐的不同范圍

半導(dǎo)體制造過程每年排放大量溫室氣體 （GHG）。這些溫室氣體排放的來源強(qiáng)度各不相同，具體取決于它們在半導(dǎo)體生產(chǎn)線上的生產(chǎn)位置。大多數(shù)制造過程中排放的溫室氣體被劃分為不同的分類，稱為“范圍”。

- 范圍 1：這些是自有或受控物質(zhì)的直接排放。根據(jù)麥肯錫的一份報告，范圍 1 排放 "來自晶圓蝕刻、腔室清潔和其他工作中使用的工藝氣體。這些氣體包括 PFCs、HFCs、NF3 和 N20，具有很高的全球升溫潛能值（GWP）"。

- 范圍 2：這些是外購能源或制造過程所用電力產(chǎn)生的間接排放。半導(dǎo)體需要大量的電力來生產(chǎn)，并需要水來冷卻。半導(dǎo)體的生產(chǎn)需要大量的化學(xué)物質(zhì)，其中一些是致癌物質(zhì)。由于政府出臺了更嚴(yán)格的法律，許多化學(xué)物質(zhì)已被清除，但還有一些化學(xué)物質(zhì)依然存在。這些化學(xué)物質(zhì)會滲入地下和水源多年。

- 范圍 3：這些輻射對半導(dǎo)體制造商來說更難控制。這些排放與使用含有半導(dǎo)體的產(chǎn)品直接相關(guān)。根據(jù)麥肯錫的說法，這些溫室氣體在不同的使用情況下會有很大的不同，因?yàn)?"間歇性使用的低功耗手持設(shè)備的排放量要比全天候運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心低得多"。范圍 3 分為兩種類型：上游排放和下游排放。下游指使用半導(dǎo)體成品的設(shè)備，上游指提供半導(dǎo)體制造所需的服務(wù)、硅或其他材料的供應(yīng)商。

半導(dǎo)體行業(yè)的大多數(shù)可持續(xù)發(fā)展工作都圍繞著范圍 1 和范圍 2 展開。這些戰(zhàn)略通常與企業(yè)的運(yùn)營目標(biāo)相一致。例如，范圍 1 排放直接與工具相關(guān)的能源消耗有關(guān)，可以通過更換能效更高的工具、智能系統(tǒng)和更深入的監(jiān)管來減少。利用太陽能等可再生資源發(fā)電、優(yōu)化生產(chǎn)過程中的能效，以及在建筑物內(nèi)使用 LED 燈具，都可以減少范圍 2 排放。

當(dāng)然，通過可再生技術(shù)限制范疇 2 排放取決于國家是否能獲得可持續(xù)的電力替代品。如果一個國家完全依賴化石燃料發(fā)電，那么半導(dǎo)體制造商就很難實(shí)現(xiàn)更好的能源優(yōu)化，從而減少整體溫室氣體排放。

總的來說，范圍 1 和 2 排放占半導(dǎo)體制造工藝釋放的所有排放量的 65%。范圍 3 上游和下游排放包括其余部分，由于沒有單一的解決方案，這給半導(dǎo)體制造商帶來了挑戰(zhàn)。上游范圍 3 排放被分解，并可能分布在數(shù)百家供應(yīng)商和數(shù)千種材料中。根據(jù)麥肯錫的一份報告，半導(dǎo)體公司可以利用新方法和自動化基線工具，并實(shí)施跨職能計劃，為改善整體上游范圍 3 排放提供支持。盡管如此，它仍然需要與供應(yīng)商進(jìn)行嚴(yán)格的合作。

由于與個別工藝或材料相關(guān)的各種因素，缺乏清晰度和可見性阻礙了準(zhǔn)確計算公司范圍 3 上游排放的嘗試。麥肯錫在其報告中指出，量化與實(shí)際三氟化氮 （NF3） 工藝相關(guān)的排放可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)?GWP 的材料費(fèi)率很高。然而，與NF3生產(chǎn)有關(guān)的逸散性排放，即無意中逸出的氣體，可能高于NF3工藝故意產(chǎn)生的估計排放量。

減少溫室氣體排放量的一種方法是限制與半導(dǎo)體制造商合作的供應(yīng)商數(shù)量。

麥肯錫報告說："雖然晶圓廠在采購過程中可能會與數(shù)百家供應(yīng)商打交道，但我們的分析顯示，大約六到十家供應(yīng)商將占化學(xué)品、晶圓和氣體排放量的一半。麥肯錫報告說："在維護(hù)、備件和設(shè)備升級的資本支出方面，大約三到五家供應(yīng)商的排放量將占一半以上。這些模式意味著半導(dǎo)體公司可以通過關(guān)注相對較少的供應(yīng)商群體來解決大部分范圍 3 上游排放問題。

第一步應(yīng)該是檢查一級供應(yīng)商的采購數(shù)據(jù)，確保記錄材料的準(zhǔn)確數(shù)量，從而建立詳細(xì)可靠的基準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，半導(dǎo)體公司可以建立排放基線，確定其裝飾杠桿，并根據(jù)半導(dǎo)體公司獨(dú)有的薄弱環(huán)節(jié)，努力減少公司應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的排放，無論是減少廢物、實(shí)施可再生能源，還是優(yōu)化材料。

增加邏輯芯片和存儲芯片的使用將需要更多的電力和更先進(jìn)的技術(shù)。半導(dǎo)體公司的目標(biāo)是在本世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)凈零排放，因此必須加快步伐。

半導(dǎo)體公司和合作伙伴如何減少排放

溫室氣體排放問題是一個多管齊下的挑戰(zhàn)，需要采取不同的策略，因此任何解決方案都無法徹底解決這一問題。數(shù)據(jù)驅(qū)動的洞察力和人工智能正在幫助企業(yè)建立排放基線，以確定從哪里開始向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。數(shù)字工具可以幫助創(chuàng)建全面的數(shù)據(jù)庫，記錄從一級供應(yīng)商處收集的原材料消耗和特定材料的碳排放因子。

根據(jù)這些信息，半導(dǎo)體制造商可以將這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)應(yīng)用到其組織中，并研究如何降低排放量。

- 替代化學(xué)品： 事實(shí)證明，致癌化學(xué)品是半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展史上的一個問題。硅谷到處都是超級基金場地或污染區(qū)，有毒化學(xué)物質(zhì)滲入地下和其他水源，對環(huán)境和人類健康造成負(fù)面影響。在過去的幾十年里，環(huán)境保護(hù)局一直與英特爾等公司合作，清理這些地區(qū)，同時整個行業(yè)也逐步淘汰了一些危險性較大的物質(zhì)。繼續(xù)提高半導(dǎo)體制造過程中所使用化學(xué)物質(zhì)的透明度，有助于減少此類污染。

- 實(shí)現(xiàn)自動化： 在權(quán)衡人工智能溫室氣體排放和人力時，人工智能更勝一籌。制造自動化可降低人為錯誤的風(fēng)險，預(yù)測并調(diào)整設(shè)計缺陷，并通過可監(jiān)控使用情況的算法提高整體能效，從而優(yōu)化流程。許多工作流程通過自動化得以精簡和簡化，通過實(shí)施自動化提高工廠的可持續(xù)發(fā)展能力就是其中之一。英特爾和三星都表示，多年來，他們的運(yùn)營幾乎實(shí)現(xiàn)了全自動化。

- 有選擇性地選擇供應(yīng)商： 一些供應(yīng)商的碳足跡低于其他供應(yīng)商，這一點(diǎn)不足為奇。最初，隨著行業(yè)不斷推動整體可持續(xù)發(fā)展，一些供應(yīng)商已經(jīng)在改善溫室氣體排放方面采取了重要措施。與其與數(shù)百家碳足跡水平不一的供應(yīng)商合作，不如與少數(shù)幾家供應(yīng)商合作管理需求，解決上游范疇 3 材料問題以尋找替代品，開發(fā)并采用低排放替代品，這有助于大幅減少范疇 3 溫室氣體排放。

- 減少浪費(fèi)： 這需要權(quán)衡利弊、權(quán)衡潛在風(fēng)險與具體解決方案能減少多少溫室氣體排放。麥肯錫舉例說，一個晶圓在加工過程中要經(jīng)過 100 多種不同的化學(xué)槽。未來，工廠能否增加同時通過這些化學(xué)槽的晶圓數(shù)量？同樣，工廠也可以利用預(yù)測分析對生產(chǎn)線機(jī)器人進(jìn)行維護(hù)，以減少不需要的備件。另一條途徑是擴(kuò)大回收計劃，重新利用仍然符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的材料。

領(lǐng)導(dǎo)層對可持續(xù)發(fā)展的承諾和參與，對于在所有組織層面（包括技術(shù)、開發(fā)、運(yùn)營和采購）推動去碳化的努力至關(guān)重要。去碳化的重點(diǎn)應(yīng)該是改進(jìn)與化學(xué)品、晶片和氣體有關(guān)的工作流程，因?yàn)闊o論范圍大小，它們都是造成大部分溫室氣體排放的主要因素。

Sourceability的工具套件，用于更智能、可持續(xù)的供應(yīng)鏈

在分散而復(fù)雜的電子元件供應(yīng)鏈中，各公司的去碳化努力各不相同。隨著半導(dǎo)體行業(yè)不斷推進(jìn)低排放或凈零排放目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，從利益相關(guān)者到設(shè)計團(tuán)隊的廣泛團(tuán)結(jié)是必要的。

開始實(shí)施去碳化戰(zhàn)略的最佳途徑是通過準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集，對當(dāng)前的溫室氣體排放情況進(jìn)行智能分析。此外，實(shí)現(xiàn)工作流程自動化以優(yōu)化流程，通過精確計算減少浪費(fèi)，以及最大限度地減少生產(chǎn)過程中使用的有毒化學(xué)品，都有助于減少半導(dǎo)體公司的碳足跡。

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審核編輯 黃宇