將可持續發(fā)展納入“晶圓廠(chǎng)的績(jì)效定義”

半導體行業(yè)計劃在未來(lái)幾年將大規模擴充產(chǎn)能，這無(wú)疑給全行業(yè)帶來(lái)了重大挑戰。未來(lái)，新的晶圓廠(chǎng)需要生產(chǎn)數量更多、設計更復雜、制造工藝更嚴苛的芯片，同時(shí)又要降低能耗和排放。而好消息是，應用材料公司的工程師和科學(xué)家們幾年前就已開(kāi)始著(zhù)手攻克這一挑戰?，F在，我們每個(gè)季度都在加速并不斷取得進(jìn)展。

本文考察了應用材料公司如何努力為芯片制造商開(kāi)發(fā)工藝腔室、系統和軟件，借以提升晶圓廠(chǎng)的可持續性。更具可持續性的晶圓廠(chǎng)必然需要采用新一代設備，而這一切的起點(diǎn)就是設計思維的進(jìn)化與轉變。

定義“績(jì)效表現”，將可持續性納入其中

改善“績(jì)效表現”是芯片制造業(yè)最常提及的目標之一。工程師專(zhuān)注于記分卡標準的最大化，這些標準包括設備吞吐量、制程均勻性和電氣特性等?，F在，應用材料公司將可持續性也納入了晶圓廠(chǎng)的績(jì)效表現記分卡，并設計出專(zhuān)注于降低下列指標的系統：

●   能源消耗

●   化學(xué)品使用所產(chǎn)生的環(huán)境影響

●   占地面積需求，即加工每單位晶圓所需的無(wú)塵室面積

2018年，應用材料公司創(chuàng )辦了“可持續發(fā)展卓越設計中心”，以引領(lǐng)半導體行業(yè)探索更清潔、更環(huán)保的制造方法。利用專(zhuān)利建模工具，我們的專(zhuān)家在原型建造工作還遠未開(kāi)始的設計階段，就制定了降低工藝設備能耗與排放的策略。通過(guò)創(chuàng )建數字模型，我們還能把新的想法應用到現有的產(chǎn)品中。憑借這些能力，我們能夠模擬晶圓加工過(guò)程中的能源和化學(xué)物質(zhì)用量，并以二氧化碳排放當量為單位來(lái)呈現。這樣一來(lái)，我們可以以真實(shí)全面的觀(guān)點(diǎn)來(lái)表現我們的減排措施所產(chǎn)生的效果。

2020年，我們進(jìn)一步提高目標，宣布了針對制造系統的“3個(gè)30”目標——到2030年將每個(gè)晶圓等值能耗、化學(xué)品使用的環(huán)境影響以及潔凈室面積要求全部降低30%。

建模產(chǎn)生洞見(jiàn)

除了系統的直接電力需求之外，計算設備能源需求時(shí)還要考慮許多因素。例如，很多系統在冷卻時(shí)使用的冷水都需要在無(wú)塵室外產(chǎn)生，并泵送到整個(gè)晶圓廠(chǎng)。因此，如果能設計出熱效率更高的系統來(lái)減少冷水使用需求，并提高冷卻器和熱交換器的效率，晶圓廠(chǎng)便可實(shí)現節能。SEMI組織的S23指南為半導體制造設備中的這種等效能量轉換建立了標準。例如，該指南規定，每使用1000升超純水，就要消耗9.0千瓦時(shí)的能源來(lái)將水凈化到晶圓廠(chǎng)要求的純度，這就為我們提供了一種手段來(lái)量化計算減少水耗所產(chǎn)生的節能效益。長(cháng)久以來(lái)，應用材料公司在這些行業(yè)標準的制定工作中很有發(fā)言權。事實(shí)上，其中一些標準也正是聘用我加入應用材料公司的工程經(jīng)理所起草的。

有些晶圓廠(chǎng)設備數字模型包含了關(guān)鍵組件的等效能源需求，這些模型更全面地呈現了晶圓廠(chǎng)的整體能源狀況，并能有力幫助芯片制造商設法有效降低能耗，同時(shí)又不影響其他績(jì)效指標。

化學(xué)影響最小化

在半導體加工中更高效地使用化學(xué)品是一個(gè)值得追求的目標。但節約使用化學(xué)品也應有輕重主次之分，而判斷這種輕重主次有時(shí)并非易事。為幫助晶圓廠(chǎng)解決這個(gè)問(wèn)題，應用材料公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于建模的框架，以根據各種化學(xué)品導致的全球變暖效應來(lái)模擬我們的系統在使用相應化學(xué)品時(shí)所產(chǎn)生的環(huán)境影響。

生命周期清單（Life Cycle Inventory, LCI）數據模擬了材料生產(chǎn)周期（從原材料提取到交付，再到最終使用地點(diǎn)）產(chǎn)生的二氧化碳排放量。我們在產(chǎn)品中經(jīng)常使用的許多化學(xué)品都有LCI數據可供查閱。氦氣和氬氣等惰性氣體盡管并非溫室氣體，但在生產(chǎn)和運輸到晶圓廠(chǎng)的過(guò)程中也會(huì )產(chǎn)生碳排放，這種排放有時(shí)被稱(chēng)為“從搖籃到大門(mén)的碳足跡”。例如，來(lái)自Sphera的現有LCI數據顯示，氦的碳密集度大約是同等體積氬的八倍。這些洞見(jiàn)有助于我們的工程師在工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中構想出更為綠色環(huán)保的方案。

我們的框架還考慮了工藝腔室于減排后的排放（亦稱(chēng)“從大門(mén)到墳墓的碳足跡”）。詳細的研究量化了半導體制造中使用的幾種溫室氣體相對于二氧化碳的全球變暖潛能值（Global Warming Potential, GWP）。

100年時(shí)間跨度里碳氟化合物以及半導體行業(yè)常用的其他溫室氣體相對于二氧化碳的全球變暖潛能值

我們將這些模型結合起來(lái)，對化學(xué)品的使用形成了“從搖籃到墳墓”的全生命周期認識，并以此判斷最有利的機會(huì )來(lái)降低整體環(huán)境影響。我們把自己的分析與客戶(hù)分享，讓他們能夠把這些知識應用到各自的可持續發(fā)展工作中。

“從搖籃到墳墓”的范圍涵蓋了原料化學(xué)品的生產(chǎn)和運輸對全球變暖的影響，以及減排后的晶圓加工排放

小即是大

占地面積是提高晶圓廠(chǎng)可持續性的一個(gè)重要杠桿點(diǎn)，但有時(shí)未被重視。簡(jiǎn)而言之，潔凈室占地面積更小的系統可以更高效地利用高能耗共享資源，如空調、管道和材料。增加給定占地面積的系統吞吐量可以獲得額外的效益。

我們正在針對公司的一些主要產(chǎn)品類(lèi)別進(jìn)行系統設計工作，設計完成后可將加工每單位晶圓的占地面積減少20%。這些改進(jìn)將幫助我們的客戶(hù)實(shí)現其可持續發(fā)展目標，并使今后的每一輪產(chǎn)能擴張都更具生態(tài)效益。

全行業(yè)共同努力

打造一個(gè)更具可持續性的半導體行業(yè)是一項需要全球協(xié)力應對的挑戰。我們的“3個(gè)30”目標所使用的指標將指引應用材料公司做出更明智的腔室、系統和工藝技術(shù)設計決策。

全球經(jīng)濟需要更多的半導體，所以幾乎每家芯片制造商都在籌劃建設新的晶圓廠(chǎng)。從晶圓廠(chǎng)及其支持設備，到應用材料公司價(jià)值鏈上下游的各個(gè)環(huán)節，我們致力于同客戶(hù)和供應商一道推動(dòng)全方位的可持續發(fā)展。掌握了正確的思維，我們這個(gè)行業(yè)必定能夠“實(shí)現更美好的未來(lái)”。

作者簡(jiǎn)介：

Benjamin Gross, Ph.D.

Gross 博士是一位化學(xué)家和系統工程師，就職于應用材料公司可持續發(fā)展卓越設計中心。他為應用材料公司制造系統“3個(gè)30”目標提供了支持，負責監控效率改進(jìn)目標進(jìn)展情況。Gross博士擁有哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位、加州大學(xué)伯克利分校學(xué)士學(xué)位。