实现气候目标的可持续半导体制造

来源：SiSC半导体芯科技 编译

去碳化已成为全球大多数半导体公司的一项重要任务，但说起来容易做起来难。以下是半导体制造商和其他企业可以采取的减少碳足迹的措施。

国内半导体制造业的恢复能力已成为全球大多数国家的当务之急。半导体几乎对所有现代经济都至关重要，随着技术不断快速融入大多数市场产品，半导体已成为大多数行业的必需品。对定制化、连通性和 "智能 "设备的需求不断增长，使得从咖啡机到心脏起搏器等各种产品对电子元件的需求不断增加。

国内半导体制造弹性已成为全球大多数国家的重中之重。半导体对几乎任何现代经济都是必不可少的，随着技术继续快速集成到大多数市场产品中，半导体已成为大多数行业的必需品。对定制、连接和“智能”设备的需求不断增长，增加了对从咖啡机到心脏起搏器等各种电子元件的需求。

随着电子元件需求的增长，有关半导体制造对环境影响的讨论也与日俱增。

气候变化与国内半导体制造业的适应能力一样，已成为全球大多数国家政府的首要任务。对于许多公司来说，减少化石燃料、努力增加可再生能源技术、限制有害环境危害已成为与整体业务目标保持一致的重要方面。半导体行业也不例外。

半导体行业对温室气体排放的总体比例贡献巨大。根据哈佛大学的一项研究，二氧化碳排放总量的 75% 是通过半导体制造过程本身产生的。芯片的功能越强大，对环境的影响就越大。消费设备和其他技术的不断扩散，使半导体的碳足迹迅速增加，造成了巨大的生态债务。

最近，半导体制造商正在采用新的可持续发展实践，以立即有效地减少排放。这在一定程度上是由于越来越多的国家制定了到 2050 年实现碳中和的宏伟目标。许多芯片制造商正着手实现可持续发展的不朽目标，如英特尔承诺其新生产设施将 100% 使用可再生能源，台积电打算到 2050 年将排放量减少到净零。

这些行动将在减少快速增长的芯片行业对环境的影响方面迈出重要一步。由于许多半导体遗留的有毒物质，在实现净零排放的最后阶段，可能需要采取更积极的策略。

半导体可持续发展实践的不同范围

半导体制造过程每年排放大量温室气体 （GHG）。这些温室气体排放的来源强度各不相同，具体取决于它们在半导体生产线上的生产位置。大多数制造过程中排放的温室气体被划分为不同的分类，称为“范围”。

- 范围 1：这些是自有或受控物质的直接排放。根据麦肯锡的一份报告，范围 1 排放 "来自晶圆蚀刻、腔室清洁和其他工作中使用的工艺气体。这些气体包括 PFCs、HFCs、NF3 和 N20，具有很高的全球升温潜能值（GWP）"。

- 范围 2：这些是外购能源或制造过程所用电力产生的间接排放。半导体需要大量的电力来生产，并需要水来冷却。半导体的生产需要大量的化学物质，其中一些是致癌物质。由于政府出台了更严格的法律，许多化学物质已被清除，但还有一些化学物质依然存在。这些化学物质会渗入地下和水源多年。

- 范围 3：这些辐射对半导体制造商来说更难控制。这些排放与使用含有半导体的产品直接相关。根据麦肯锡的说法，这些温室气体在不同的使用情况下会有很大的不同，因为 "间歇性使用的低功耗手持设备的排放量要比全天候运行的数据中心低得多"。范围 3 分为两种类型：上游排放和下游排放。下游指使用半导体成品的设备，上游指提供半导体制造所需的服务、硅或其他材料的供应商。

半导体行业的大多数可持续发展工作都围绕着范围 1 和范围 2 展开。这些战略通常与企业的运营目标相一致。例如，范围 1 排放直接与工具相关的能源消耗有关，可以通过更换能效更高的工具、智能系统和更深入的监管来减少。利用太阳能等可再生资源发电、优化生产过程中的能效，以及在建筑物内使用 LED 灯具，都可以减少范围 2 排放。

当然，通过可再生技术限制范畴 2 排放取决于国家是否能获得可持续的电力替代品。如果一个国家完全依赖化石燃料发电，那么半导体制造商就很难实现更好的能源优化，从而减少整体温室气体排放。

总的来说，范围 1 和 2 排放占半导体制造工艺释放的所有排放量的 65%。范围 3 上游和下游排放包括其余部分，由于没有单一的解决方案，这给半导体制造商带来了挑战。上游范围 3 排放被分解，并可能分布在数百家供应商和数千种材料中。根据麦肯锡的一份报告，半导体公司可以利用新方法和自动化基线工具，并实施跨职能计划，为改善整体上游范围 3 排放提供支持。尽管如此，它仍然需要与供应商进行严格的合作。

由于与个别工艺或材料相关的各种因素，缺乏清晰度和可见性阻碍了准确计算公司范围 3 上游排放的尝试。麦肯锡在其报告中指出，量化与实际三氟化氮 （NF3） 工艺相关的排放可能具有挑战性，因为 GWP 的材料费率很高。然而，与NF3生产有关的逸散性排放，即无意中逸出的气体，可能高于NF3工艺故意产生的估计排放量。

减少温室气体排放量的一种方法是限制与半导体制造商合作的供应商数量。

麦肯锡报告说："虽然晶圆厂在采购过程中可能会与数百家供应商打交道，但我们的分析显示，大约六到十家供应商将占化学品、晶圆和气体排放量的一半。麦肯锡报告说："在维护、备件和设备升级的资本支出方面，大约三到五家供应商的排放量将占一半以上。这些模式意味着半导体公司可以通过关注相对较少的供应商群体来解决大部分范围 3 上游排放问题。

第一步应该是检查一级供应商的采购数据，确保记录材料的准确数量，从而建立详细可靠的基准。在此基础上，半导体公司可以建立排放基线，确定其装饰杠杆，并根据半导体公司独有的薄弱环节，努力减少公司应重点关注的排放，无论是减少废物、实施可再生能源，还是优化材料。

增加逻辑芯片和存储芯片的使用将需要更多的电力和更先进的技术。半导体公司的目标是在本世纪下半叶实现净零排放，因此必须加快步伐。

半导体公司和合作伙伴如何减少排放

温室气体排放问题是一个多管齐下的挑战，需要采取不同的策略，因此任何解决方案都无法彻底解决这一问题。数据驱动的洞察力和人工智能正在帮助企业建立排放基线，以确定从哪里开始向可持续发展转型。数字工具可以帮助创建全面的数据库，记录从一级供应商处收集的原材料消耗和特定材料的碳排放因子。

根据这些信息，半导体制造商可以将这些统计数据应用到其组织中，并研究如何降低排放量。

- 替代化学品： 事实证明，致癌化学品是半导体工业发展史上的一个问题。硅谷到处都是超级基金场地或污染区，有毒化学物质渗入地下和其他水源，对环境和人类健康造成负面影响。在过去的几十年里，环境保护局一直与英特尔等公司合作，清理这些地区，同时整个行业也逐步淘汰了一些危险性较大的物质。继续提高半导体制造过程中所使用化学物质的透明度，有助于减少此类污染。

- 实现自动化： 在权衡人工智能温室气体排放和人力时，人工智能更胜一筹。制造自动化可降低人为错误的风险，预测并调整设计缺陷，并通过可监控使用情况的算法提高整体能效，从而优化流程。许多工作流程通过自动化得以精简和简化，通过实施自动化提高工厂的可持续发展能力就是其中之一。英特尔和三星都表示，多年来，他们的运营几乎实现了全自动化。

- 有选择性地选择供应商： 一些供应商的碳足迹低于其他供应商，这一点不足为奇。最初，随着行业不断推动整体可持续发展，一些供应商已经在改善温室气体排放方面采取了重要措施。与其与数百家碳足迹水平不一的供应商合作，不如与少数几家供应商合作管理需求，解决上游范畴 3 材料问题以寻找替代品，开发并采用低排放替代品，这有助于大幅减少范畴 3 温室气体排放。

- 减少浪费： 这需要权衡利弊、权衡潜在风险与具体解决方案能减少多少温室气体排放。麦肯锡举例说，一个晶圆在加工过程中要经过 100 多种不同的化学槽。未来，工厂能否增加同时通过这些化学槽的晶圆数量？同样，工厂也可以利用预测分析对生产线机器人进行维护，以减少不需要的备件。另一条途径是扩大回收计划，重新利用仍然符合行业标准的材料。

领导层对可持续发展的承诺和参与，对于在所有组织层面（包括技术、开发、运营和采购）推动去碳化的努力至关重要。去碳化的重点应该是改进与化学品、晶片和气体有关的工作流程，因为无论范围大小，它们都是造成大部分温室气体排放的主要因素。

Sourceability的工具套件，用于更智能、可持续的供应链

在分散而复杂的电子元件供应链中，各公司的去碳化努力各不相同。随着半导体行业不断推进低排放或净零排放目标的实现，从利益相关者到设计团队的广泛团结是必要的。

开始实施去碳化战略的最佳途径是通过准确的数据收集，对当前的温室气体排放情况进行智能分析。此外，实现工作流程自动化以优化流程，通过精确计算减少浪费，以及最大限度地减少生产过程中使用的有毒化学品，都有助于减少半导体公司的碳足迹。

Sourceability 是一家拥有全面数字工具套件的电子元件分销商，旨在帮助改善电子元件供应链的可持续性。Datalynq 是 Sourceability 最重要的市场情报工具，它利用实时市场数据和历史价格趋势，为设计风险或多货源可用性提供易于理解的评分。这些数据直接来自 Sourceability 领先的电子元件电子商务网站 Sourcengine。

同样，Datalynq 还提供预测分析，帮助企业对供应链中断或即将到来的电子元件淘汰发出警报。积极主动的策略有助于减少过剩的电子元件库存，防止不必要的重复订购，并更好地致力于可持续发展实践。

Sourceability 已准备好在 2024 年优先考虑可持续发展，帮助半导体公司迎接更加绿色的明天。

审核编辑 黄宇