Tiden er inde: Bæredygtig halvlederproduktion
I denne artikel forbereder forskere og politiske ledere fra hele verden sig på COP 26 (oktober 2022), som er den 26. konference mellem parterne i FN’s rammekonvention om klimaændringer (UNFCCC) i Glasgow i Skotland. COP26 er parternes 5-års (plus et års forsinkelse for Covid) gennemgangsmøde, hvor de opdaterer deres planer om at begrænse den menneskeskabte globale opvarmning.
De fleste diskussioner fokuserer på udledningen af drivhusgasser (GHG). Tendensen inden for halvlederproduktion viser, at udledningen stiger, især sammenlignet med den generelle fremstillingsindustri.
Drivhusgasemissioner: Generelt vs. halvlederproduktion
Illustration 1: Drivhusgasemissionerne fra halvlederproduktionen stiger, mens emissionerne fra mere traditionelle producenter falder.
Læs mere i den seneste artikel
Mange halvledervirksomheder er godt på vej mod at tackle udledningen, og branchen spiller fortsat en førende rolle i den globale indsats for at reducere udledningen af drivhusgasser.
Parisaftalen
Det sidste store møde, COP21, blev afholdt i Paris i 2015 og resulterede i Parisaftalen, hvor parterne blev enige om at arbejde sammen om at begrænse opvarmningen til mindre end 2 °C (helst mindre end 1,5 °C) over den førindustrielle globale gennemsnitstemperatur. Hver af de 196 underskrivere af Parisaftalen indsendte et nationalt bestemt bidrag (NDC), der definerede de skridt, de forpligtede sig til at tage for at nå det overordnede mål. Det er disse NDC'er, de vil gennemgå og opdatere på COP26.
En af de væsentligste udviklinger i de foregående år var uden tvivl USA’s udtræden af aftalen kort efter underskrivelsen og senest dens tilbagevenden. IPCC og AR6 UNFCCC’s arbejde er baseret på analysen og støtten fra det mellemstatslige panel om klimaforandringer, en international gruppe af klimaforskere og klimaforandringseksperter. IPCC udsender også regelmæssige vurderingsrapporter (AR), hvoraf den seneste, AR6, blev offentliggjort i august 2021.
Rapporten var bemærkelsesværdig for den næsten fuldstændige konsensus, den opnåede med sin faste konklusion om, at klimaforandringer er reelle, målbare og menneskeskabte. Rapporten indeholder detaljerede forudsigelser og maler et trist billede af de forandringer, der næsten helt sikkert vil ske, hvis mennesker ikke begrænser deres klimaforandrende aktiviteter.
De vigtigste konklusioner, der er anført i rapportens resumé for beslutningstagere, omfatter
- Det er entydigt, at menneskelig indflydelse har opvarmet atmosfæren, havet og jorden. Der er sket udbredte og hurtige ændringer i atmosfæren, havet, kryosfæren og biosfæren.
- Omfanget af de seneste ændringer på tværs af klimasystemet som helhed og den nuværende tilstand for mange aspekter af klimasystemet er uden fortilfælde i mange århundreder til mange tusinde år.
- Menneskeskabte klimaforandringer påvirker allerede mange vejr- og klimaekstremer i alle regioner i verden. Evidens for observerede ændringer i ekstremer, såsom hedebølger, kraftig nedbør, tørke, og tropiske cykloner, og navnlig deres tilskrivelse til menneskelig påvirkning, er styrket siden AR5.
- Forbedret viden om klimaprocesser, paleoklimaevidens og klimasystemets reaktion på stigende strålepåvirkning giver det bedste estimat af en ligevægtsklimafølsomhed på 3 °C med et snævrere område sammenlignet med AR5, den tidligere rapport udgivet i 2014. Rapporten fortsætter med at beskrive 5 scenarier, der sandsynligvis skyldes forskellige niveauer af global opvarmning, og som viser stigende alvorlige påvirkninger for højere niveauer af opvarmning.
Begrænsning af drivhusgasser
De fleste diskussioner om måder at begrænse den globale opvarmning på fokuserer på at reducere og i sidste ende eliminere udledningen af drivhusgasser (GHG), som er den underliggende årsag til den globale opvarmning.
Der er stigende enighed om, at der er behov for en form for kulstofprissætning, som vil lægge økonomisk pres på udstederne ved at tvinge dem til at betale de omkostninger, som alle pådrager sig for deres forringelse af et fælles miljø. På nuværende tidspunkt kæmper de politiske beslutningstagere med kun at etablere de grundlæggende begreber og definitioner, der er nødvendige for at få et sådant program til at fungere.
Drivhusgasser er gasser, der absorberer infrarød (IR) stråling, som udsendes fra jordens overflade, når den opvarmes af solen, og derved opfanger varme og hæver atmosfærens temperatur. Kuldioxid er den primære drivhusgas, men der er mange andre. Forskellige gasser kan absorbere IR-stråling med forskellig effektivitet og kan forblive i atmosfæren i forskellige tider.
Forskere bruger globalt opvarmningspotentiale (GWP) til at sammenligne den opvarmning, der forårsages af forskellige gasser over en bestemt periode. CO2 har pr. definition et GWP på 1. GWP'er for andre gasser, der almindeligvis anvendes i halvlederindustrien, er meget højere: CH4 – 28, N2 O – 265, CF4 – 6.630, NF3 – 16.100, SF6 – 23.500. Kuldioxidækvivalent (CO2 e) er et andet mål, der bruges til at sammenligne gasser. CO2 e angives normalt efter vægt og er den mængde CO2, der ville forårsage samme mængde opvarmning som den pågældende gas. CO2 e beregnes ved at gange vægten af den pågældende gas med dens GWP.
Drivhusgasprotokollen (GHGP) opstiller standardiserede rammer for måling og styring af drivhusgasemissioner, hvilket er en nødvendig forudsætning for enhver kulstofprissætning eller anden kontrolmekanisme. GHGP definerer tre omfang af emissioner, afhængigt af hvem der ejer disse emissioner, og hvilket kontrolniveau de har på hvert trin.
- Scope 1 – Direkte drivhusgasemissioner fra aktiviteter, der ejes eller kontrolleres af det rapporterende selskab (kedler, køretøjer, procesgasser).
- Scope 2 – Andres indirekte drivhusgasemissioner fra produktion af købt eller erhvervet elektricitet, damp, opvarmning eller køling, der forbruges af det rapporterende selskab
- Scope 3 – Alle indirekte udledninger (ikke omfattet af scope 2), der forekommer i det rapporterende selskabs værdikæde, herunder både opstrøms (fra leverandører) og nedstrøms udledninger (transport, distribution, opbevaring).
En særlig IPCC-rapport, der blev udgivet i 2018, konkluderede, at landene skal bringe kuldioxidudledningerne til "netto-nul" inden 2050 for at holde den globale opvarmning inden for 1,5 °C af niveauet før industrien. Der er ufuldstændig enighed om, hvilke gasser der skal indgå i nettonuldefinitionen. Det har skabt uklarhed og gjort det muligt for lande og organisationer at definere nettonul i henhold til deres egne kriterier. I september 2020 udviklede CDP (Carbon Disclosure Project) metoder på vegne af Science Based Targets Initiative (SBTi) til at fastsætte og vurdere nettonulmål baseret på robust klimavidenskab.
Andre begreber, som f.eks. "kulstofneutral", bruges også til at beskrive drivhusgasemissioner. Forskelle mellem definitioner er problematiske. For eksempel omfatter Kinas definition af "kulstofneutral" kun selve CO2, mens EU har vedtaget "klimaneutral", som omfatter alle drivhusgasser. Andre metoder til nul- og neutrale vurderinger findes, og tvetydighedsproblemet er endnu ikke helt løst. CDP definerer klart nettonulmål, der omfatter GHGP scope 1, 2 og 3-emissioner og er i overensstemmelse med 1,5 °C videnskabeligt baserede mål.
Halvlederproduktion
Halvlederproduktion er en mindre bidragsyder til udledningen af drivhusgasser. I USA stod den for eksempel i 2015 for 0,18 % af de samlede drivhusgasemissioner (GHG) fra industrielle kilder og kun 0,063 % af alle drivhusgasemissionskilder [1]. Trods sit relativt lille bidrag har halvlederindustrien spillet en førende rolle i koordineringen af globale tiltag for at reducere drivhusgasemissionerne.
Scope 1: Direkte emissioner – PFC'er, en succeshistorie
Historisk set har flygtige perfluorcarbonforbindelser (PFC) spillet en vigtig rolle i fremstillingen af halvledere som en kilde til reaktive fluoratomer, der bruges til at fjerne materiale i ætsnings- og kammerrensningsprocesser. De er stabile og har en tendens til at have en lang levetid i atmosfæren, hvilket gør dem til potente drivhusgasser med højt opvarmningspotentiale.
I 1999, ganske tidligt i historien om den globale opvarmning, forpligtede halvlederproducenter sig til at reducere PFC-emissionerne med mindst 10 % under baseline for hver region i løbet af de næste 10 år. I 2010 havde de opnået en reduktion på 32 %, hvilket var langt over det oprindelige mål. På det tidspunkt forpligtede de sig igen til yderligere reduktioner med det formål at opnå en normaliseret emissionsrate (NER – kilogram CO2 e pr. cm2 silicium) 30 % lavere end baseline for 2010.
I 2020 havde de opnået en reduktion på 22,9 % på trods af stadigt mere komplekse produkter med flere lag og avancerede ætseprocesser, der bruger nye gasser. WSC arbejder nu på at fastsætte et nyt 10-årsmål for reduktion af PFC, der vil estimere emissionerne ved hjælp af de nyeste 2019-metoder fra IPCC. (FIGUR 1). PFC-historien er et glimrende eksempel på de udfordringer, man støder på i søgningen efter løsninger på komplekse miljøproblemer.
Succesen med at reducere PFC-emissioner havde to hovedkomponenter: Skiftet til ikke-PFC NF3 til mange kammerrengøringsapplikationer og indførelsen af reduktionsteknologier, der kunne ødelægge uforbrugte PFC-gasser, der forlod proceskammeret. PFC'er kan ødelægges af en plasma- eller brændstofbaseret brænder. Plasma har den fordel, at der ikke tilsættes kulstofemissioner fra det brændende brændstof. I praksis er valget af teknologi dog ofte drevet af de relative omkostninger og tilgængeligheden af el i forhold til brændselsgas.
Selv når elektricitet er tilgængelig og omkostningseffektiv, skal kilden til denne elektricitet, dvs. kul eller vedvarende energi, også tages i betragtning i beregningen af nettonuludledning af kulstof i scope 2. Løsningen kompliceres yderligere af brænderens design. Selvom NF3 i sig selv ikke indeholder kulstof, kan forbrænding i åben ild af kulbrintebrændstof danne PFC'er.
Problemet stammer fra de store temperaturvariationer over en åben flamme, og løsningen ligger i en specialdesignet brænder, der kaldes en indadfyret forbrændingsenhed, som opretholder en mere ensartet temperatur i de kritiske områder og i vid udstrækning adskiller det kulstofholdige brændsel fra procesgasserne.
Scope 2: Indirekte udledninger – El indkøbt fra eksterne generatorer
Udbredelsen af elektroniske teknologier og den eksponentielle vækst, de har vist i løbet af de seneste årtier, kan let føre til, at man konkluderer, at elektronikken snart vil forbruge mere strøm, end verden kan producere.
Sandheden er noget mindre alarmerende, men stadig vigtig nok til, at den ikke skal ignoreres. I 2015 stod informations- og kommunikationsteknologi (IKT) for ca. 5 % af det globale energibehov. I 2030 kan IKT udgøre så meget som 20 % af den globale efterspørgsel, og selv de mest optimistiske prognoser forudser, at den vil vokse til 7 %.
Den energi, der forbruges af elektroniske teknologier, kan opdeles i to grupper: energi, der bruges til fremstilling af enhederne, hvoraf næsten alt i øjeblikket købes fra tredjepartsleverandører, og energi, der bruges til at drive enhederne. Den første af disse er inkluderet i Scope 2 af GHGP, den anden i Scope 3. Interessant nok og noget i modsætning til dommedagsprognosen om, at computere snart vil bruge al den strøm, verden kan producere, er konklusionen i en nylig analyse, der viser, at Scope 2-strøm, der bruges til at fremstille enheder, langt overstiger
Scope 3: Den strøm, der bruges til at betjene dem
Halvlederproducenter har længe været følsomme over for de store strømkrav i deres fremstillingsprocesser, hvis ikke ud fra et miljømæssigt perspektiv, så ud fra et omkostningsmæssigt perspektiv. De fleste estimater anfører, at andelen af energi, der bruges af procesudstyr, er lige under halvdelen af det samlede energiforbrug i en fabrik. Omkring halvdelen af dette bruges af de pumper, der bruges til at opretholde de vakuumforhold, der kræves til mange processer.
Pumpeproducenter har løbende forbedret deres produkters energieffektivitet siden industriens begyndelse. Nye mekanismer, højere akselhastigheder, inverterteknologi og nye materialer har alle bidraget. Meget af den lavthængende frugt blev plukket for længe siden, men der er stadig områder, hvor der er mulighed for yderligere forbedringer.
En af de mest lovende er implementeringen af tomgangsdrift, sommetider kaldet grøn tilstand, hvor pumpen sættes i en laveffekttilstand, når den proces, den betjener, er i tomgang. Den største udfordring er den tætte koordinering, der kræves mellem procesudstyret i fabrikken og pumperne i SubFab.
Der findes allerede teknologier, der understøtter, at koordinering og en del af modstanden mod implementeringen kan tilskrives operatørernes modvilje mod at ændre ethvert aspekt af en produktionsproces med højt udbytte og store mængder. Grøn drift kan på kort sigt give reduktioner i drivhusgasemissioner uden at kræve grundlæggende ændringer i den igangværende produktion.
Desværre har andre processer, der kommer online nu på avancerede noder, potentiale til at øge strømforbruget betydeligt, blandt andet EUV-litografi, der bruger ca. 10 gange så meget strøm som konventionel 193 nm-immersionslitografi. Der er opvejende faktorer, som f.eks. en reduktion i antallet af behandlingstrin. Alligevel anslåede en IMEC-analyse [4] en stigning på 3,46 i strømforbruget og en stigning på 2,5 gange i drivhusgasemissionerne pr. wafer fra 28 nm-knuden til 2 nm-knuden.
Den første producent, der implementerede EUV-litografi i højvolumenproduktion, et stort støberi, så sit normaliserede energiforbrug (KWH pr. 8-tommers ækvivalent wafermaskelag) stige med mere end 25 % til 12,5 KWH i 2019 efter at have ligget under 10 KWH i flere år.
Mens tendensen inden for halvlederproduktion tydeligvis er et stigende strømforbrug (FIGUR 3), er løsningen lige så klar. Energiforbruget skal skifte til vedvarende energikilder.
Det er en løsning, som ikke går tabt hos større producenter. I 2020 underskrev det samme støberi verdens største købsaftale om vedvarende energi, en 20-årig aftale om at købe al energien fra en 920 megawatt havmøllepark, der opføres i nærheden, og forpligtede sig til at bruge 100 % vedvarende energi inden 2050. [6]. Den største amerikanske IDM har forpligtet sig til 100 % vedvarende energi inden 2030. Andre store aktører har taget lignende forpligtelser, men djævlen ligger som altid i detaljerne.
Scope 3: Opstrøms/nedstrøms
Tildeling af scope bliver lidt mere udfordrende for scope 3 – det afhænger af, hvem der tæller. For en producent er de drivhusgasser, der udledes for at generere den strøm, der forbruges af en bruger i et datacenter, nedstrøms, scope 3. For datacentret er GHG indirekte udledninger fra indkøbt el, scope 2, og produktionsudledningerne er upstream, scope 3.
Uanset omfanget ligger den ultimative løsning på brugsemissioner i omstillingen til vedvarende energikilder. Nogle af de største brugere af computerteknologi er langt foran deres produktionskontrahenter i den omstilling. Google og Facebook begyndte at købe vedvarende energi i 2013.
Selvom det samlede energiforbrug i datacentre er steget siden da, er kulstofemissionerne fra det driftsmæssige energiforbrug faldet. En anden faktor i reduktionen af emissioner har været den dramatiske stigning i beregningsmæssig energieffektivitet i branchens historie. Efterhånden som transistorerne blev mindre, hurtigere og mere energieffektive, steg antallet af instruktioner, der blev udført pr. watt. Denne tendens er accelereret i de seneste år, da efterspørgslen efter større kapacitet og længere batterilevetid i mobile enheder har lagt yderligere pres på at forbedre både ydeevne og energieffektivitet.
Halvlederenheders langt største indvirkning på bæredygtigheden er deres bidrag til energieffektiviteten i hele økonomien.
Halvledere – den grundlæggende muliggørende teknologi i moderne elektronik – udgør det teknologiske grundlag for løsninger, der fremmer bæredygtighed og energieffektivitetsgevinster i stort set alle sektorer af økonomien. Halvledere øger energieffektiviteten og reducerer udledningen af drivhusgasser inden for transport, produktion, sundhedspleje, opvarmning og køling og andre vigtige områder af økonomien.
Fra næsten ethvert perspektiv, miljømæssigt, økonomisk eller samfundsmæssigt, opvejer fordelene ved avancerede elektroniske teknologier langt omkostningerne.
COP26
IPCC’s evidensbaserede konklusioner er entydige: Mennesker forårsager opvarmning af miljøet. Dens forudsigelser er dystre, og omkostningerne ved inaktivitet, både menneskelige og økonomiske, overstiger langt omkostningerne ved afbødning. Selvom halvlederindustrien i dag ikke er blandt de største udledere af drivhusgasser, er vores udledninger betydelige og vokser hurtigt.
Der findes foranstaltninger, der kan give kortsigtede reduktioner i drivhusgasemissioner fra halvlederproduktionsprocessen, herunder veldesignet PFC-reduktion og drift af vakuumpumper i grøn tilstand. Den langt mest kritiske forandring er et skift til vedvarende energikilder i hele branchen og i hele forsyningskæden. Med USA’s tilbagevenden til Parisaftalen omfatter parternes konference igen alle de store økonomiske magter. Vi skal kræve koordineret ledelse og økonomiske forpligtelser fra vores nationale ledere og fortsætte arbejdet på alle niveauer, både lokalt og globalt, for at reducere udledningen af drivhusgasser.
DR. CZERNIAK er Environmental Solutions Business Development Manager hos Edwards Vacuum, hvor han i løbet af sin lange karriere tidligere har haft en række lederstillinger. Han er også gæsteprofessor i industriel kemi ved Bristol University og repræsentant for halvlederindustrien i IPCC, hvor han deltog som reviewer af den seneste vurderingsrapport (AR6).
REFERENCER
- Halvlederindustrien fortsætter indsatsen mod klimaforandringer, David Isaacs, VP Governmental Affairs, SIA Blog, Onsdag den 7. juni 2017 kl. 15.17 https:// www.semiconductors.org/semiconductorindustry-to-continue-action-on-climatechange/
- Fælleserklæring fra det 25. møde i World Semiconductor Council http://www. semiconductorcouncil.org/wp-content/ uploads/2021/08/FINAL-25th-WSC-JointStatement_0602.pdf
- Chasing Carbon: The Elusive Environmental Footprint of Computing, Udit Gupta, et al, IEEE International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA 2021) https://ugupta.com/files/ ChasingCarbon_HPCA2021.pdf
- Det miljømæssige fodaftryk af logiske CMOS-teknologier – En DTCO-baseret analyse, IMEC https://www.IMEC-int.com/ en/articles/environmental-footprint-logiccmos-technologies
- Chipindustrien har et problem med sit enorme kulstofaftryk, Bloomberg Green, Alan Crawford, Ian King, og Debby Wu, 8. april 2021, kl. 17.01 EDT https://www. bloomberg.com/news/articles/2021-04-08/ the-chip-industry-has-a-problem-withits-giant-carbon-footprint
- Computerchipindustrien har en snavset klimahemmelighed, The Gaurdian, Pádraig Belton, lørdag den 18. september 2021 kl. 08.00 EDT https:// www.theguardian.com/environment/2021/ sep/18/semiconductor-silicon-chipscarbon-footprint-climate