将可持续发展纳入“晶圆厂的绩效定义”

　　作者：应用材料公司Benjamin Gross， Ph.D.

　　半导体行业计划在未来几年将大规模扩充产能，这无疑给全行业带来了重大挑战。未来，新的晶圆厂需要生产数量更多、设计更复杂、制造工艺更严苛的芯片，同时又要降低能耗和排放。而好消息是，应用材料公司的工程师和科学家们几年前就已开始着手攻克这一挑战。现在，我们每个季度都在加速并不断取得进展。

　　本文考察了应用材料公司如何努力为芯片制造商开发工艺腔室、系统和软件，借以提升晶圆厂的可持续性。更具可持续性的晶圆厂必然需要采用新一代设备，而这一切的起点就是设计思维的进化与转变。

　　定义“绩效表现”，将可持续性纳入其中

　　改善“绩效表现”是芯片制造业最常提及的目标之一。工程师专注于记分卡标准的最大化，这些标准包括设备吞吐量、制程均匀性和电气特性等。现在，应用材料公司将可持续性也纳入了晶圆厂的绩效表现记分卡，并设计出专注于降低下列指标的系统：

• 　　能源消耗
• 　　化学品使用所产生的环境影响
• 　　占地面积需求，即加工每单位晶圆所需的无尘室面积

　　2018年，应用材料公司创办了“可持续发展卓越设计中心”，以引领半导体行业探索更清洁、更环保的制造方法。利用专利建模工具，我们的专家在原型建造工作还远未开始的设计阶段，就制定了降低工艺设备能耗与排放的策略。通过创建数字模型，我们还能把新的想法应用到现有的产品中。凭借这些能力，我们能够模拟晶圆加工过程中的能源和化学物质用量，并以二氧化碳排放当量为单位来呈现。这样一来，我们可以以真实全面的观点来表现我们的减排措施所产生的效果。

　　2020年，我们进一步提高目标，宣布了针对制造系统的“3个30”目标——到2030年将每个晶圆等值能耗、化学品使用的环境影响以及洁净室面积要求全部降低30%。

　　建模产生洞见

　　除了系统的直接电力需求之外，计算设备能源需求时还要考虑许多因素。例如，很多系统在冷却时使用的冷水都需要在无尘室外产生，并泵送到整个晶圆厂。因此，如果能设计出热效率更高的系统来减少冷水使用需求，并提高冷却器和热交换器的效率，晶圆厂便可实现节能。SEMI组织的S23指南为半导体制造设备中的这种等效能量转换建立了标准。例如，该指南规定，每使用1000升超纯水，就要消耗9.0千瓦时的能源来将水净化到晶圆厂要求的纯度，这就为我们提供了一种手段来量化计算减少水耗所产生的节能效益。长久以来，应用材料公司在这些行业标准的制定工作中很有发言权。事实上，其中一些标准也正是聘用我加入应用材料公司的工程经理所起草的。

　　有些晶圆厂设备数字模型包含了关键组件的等效能源需求，这些模型更全面地呈现了晶圆厂的整体能源状况，并能有力帮助芯片制造商设法有效降低能耗，同时又不影响其他绩效指标。

　　化学影响最小化

　　在半导体加工中更高效地使用化学品是一个值得追求的目标。但节约使用化学品也应有轻重主次之分，而判断这种轻重主次有时并非易事。为帮助晶圆厂解决这个问题，应用材料公司开发了一个用于建模的框架，以根据各种化学品导致的全球变暖效应来模拟我们的系统在使用相应化学品时所产生的环境影响。

　　生命周期清单（Life Cycle Inventory， LCI）数据模拟了材料生产周期（从原材料提取到交付，再到最终使用地点）产生的二氧化碳排放量。我们在产品中经常使用的许多化学品都有LCI数据可供查阅。氦气和氩气等惰性气体尽管并非温室气体，但在生产和运输到晶圆厂的过程中也会产生碳排放，这种排放有时被称为“从摇篮到大门的碳足迹”。例如，来自Sphera的现有LCI数据显示，氦的碳密集度大约是同等体积氩的八倍。这些洞见有助于我们的工程师在工艺开发过程中构想出更为绿色环保的方案。

　　我们的框架还考虑了工艺腔室于减排后的排放（亦称“从大门到坟墓的碳足迹”）。详细的研究量化了半导体制造中使用的几种温室气体相对于二氧化碳的全球变暖潜能值（Global Warming Potential， GWP）。

　　100年时间跨度里碳氟化合物以及半导体行业常用的其他温室气体相对于二氧化碳的全球变暖潜能值

　　我们将这些模型结合起来，对化学品的使用形成了“从摇篮到坟墓”的全生命周期认识，并以此判断最有利的机会来降低整体环境影响。我们把自己的分析与客户分享，让他们能够把这些知识应用到各自的可持续发展工作中。

　　“从摇篮到坟墓”的范围涵盖了原料化学品的生产和运输对全球变暖的影响，以及减排后的晶圆加工排放

　　小即是大

　　占地面积是提高晶圆厂可持续性的一个重要杠杆点，但有时未被重视。简而言之，洁净室占地面积更小的系统可以更高效地利用高能耗共享资源，如空调、管道和材料。增加给定占地面积的系统吞吐量可以获得额外的效益。

　　我们正在针对公司的一些主要产品类别进行系统设计工作，设计完成后可将加工每单位晶圆的占地面积减少20%。这些改进将帮助我们的客户实现其可持续发展目标，并使今后的每一轮产能扩张都更具生态效益。

　　全行业共同努力

　　打造一个更具可持续性的半导体行业是一项需要全球协力应对的挑战。我们的“3个30”目标所使用的指标将指引应用材料公司做出更明智的腔室、系统和工艺技术设计决策。

　　全球经济需要更多的半导体，所以几乎每家芯片制造商都在筹划建设新的晶圆厂。从晶圆厂及其支持设备，到应用材料公司价值链上下游的各个环节，我们致力于同客户和供应商一道推动全方位的可持续发展。掌握了正确的思维，我们这个行业必定能够“实现更美好的未来”。

　　作者简介：

　　
Benjamin Gross， Ph.D.

　　Gross 博士是一位化学家和系统工程师，就职于应用材料公司可持续发展卓越设计中心。他为应用材料公司制造系统“3个30”目标提供了支持，负责监控效率改进目标进展情况。Gross博士拥有哥伦比亚大学博士学位、加州大学伯克利分校学士学位。