Nyt on aika: Kestävä puolijohteiden valmistus
Tätä artikkelia kirjoitettaessa tutkijat ja poliittiset johtajat eri puolilta maailmaa valmistautuvat COP 26 -kokoukseen (lokakuu 2022), joka on lyhenne YK:n ilmastonmuutosta koskevan puitesopimuksen (UNFCCC) 26. osapuolikonferenssista Skotlannissa Glasgow'ssa. COP26 on osapuolten 5-vuotinen (ja koronan osalta vuoden myöhästyminen) arviointikokous, jossa osapuolet päivittävät suunnitelmiaan ihmisen aiheuttaman ilmaston lämpenemisen rajoittamiseksi.
Suurin osa keskustelusta keskittyy kasvihuonekaasupäästöihin (GHG). Puolijohteiden valmistuksen trendi osoittaa, että päästöt kasvavat erityisesti yleiseen valmistusteollisuuteen verrattuna.
Kasvihuonekaasupäästöt: yleinen vs. puolijohteiden valmistus
Diagrammi 1. Puolijohteiden valmistuksen kasvihuonekaasupäästöt kasvavat, kun taas perinteisempien valmistajien päästöt laskevat.
Lue lisää uusimmasta artikkelista
Monet puolijohdeyritykset ovat siirtymässä kohti päästöjen torjuntaa, ja alalla on edelleen johtava rooli maailmanlaajuisissa pyrkimyksissä vähentää kasvihuonekaasupäästöjä.
Pariisin sopimus
Viimeisin suuri kokous, COP21, pidettiin Pariisissa vuonna 2015, ja sen tuloksena syntyi Pariisin sopimus, jossa osapuolet sopivat yhteistyöstä lämpenemisen rajoittamiseksi alle 2 °C:een (mieluiten alle 1,5 °C:een) yli esiteollisen globaalin keskilämpötilan. Jokainen Pariisin sopimuksen 196 allekirjoittajasta toimitti kansallisesti määritellyn panoksen (NDC), jossa määriteltiin toimenpiteet, joihin he sitoutuivat saavuttamaan yleisen tavoitteen. Nämä NDC:t tarkistetaan ja päivitetään COP26-kokouksessa.
Yhdysvaltojen ero sopimuksesta pian sen allekirjoittamisen jälkeen ja viime aikoina sen paluu ovat olleet merkittävimpiä kehityskulkuja. IPCC ja AR6 UNFCCC:n työ perustuu ilmastonmuutosta käsittelevän hallituksen välisen paneelin (Intergovernmental Panel on Climate Change) analyysiin ja tukeen, joka on kansainvälinen ilmastotutkijoiden ja ilmastonmuutoksen asiantuntijoiden ryhmä. IPCC julkaisee myös säännöllisiä arviointiraportteja (AR), joista uusin, AR6, julkaistiin elokuussa 2021.
Raportissa saavutettiin lähes täydellinen yksimielisyys siitä, että ilmastonmuutos on todellinen, mitattavissa oleva ja ihmisen aiheuttama. Raportti sisältää yksityiskohtaisia ennusteita ja luo karun kuvan muutoksista, joita lähes varmasti tapahtuu, jos ihmiset eivät rajoita ilmastonmuutokseen liittyviä toimiaan.
Raportin yhteenvedossa päättäjille lueteltuja keskeisiä johtopäätöksiä ovat
- On selvää, että ihmisen vaikutus on lämmittänyt ilmakehää, merta ja maata. Ilmakehässä, meressä, kryosfäärissä ja biosfäärissä on tapahtunut laajoja ja nopeita muutoksia.
- Viimeaikaisten muutosten laajuus koko ilmastojärjestelmässä ja monien ilmastojärjestelmän osa-alueiden nykytila ovat ennennäkemättömiä vuosisatojen ja tuhansien vuosien aikana.
- Ihmisen aiheuttama ilmastonmuutos vaikuttaa jo moniin sää- ja ilmastoääripäihin kaikilla alueilla ympäri maailmaa. Todisteita havaituista äärimmäisyyksien muutoksista, kuten lämpöaallot, runsas sademäärä, kuivuus, ja trooppiset pyörremyrskyt, ja erityisesti niiden aiheuttaminen ihmisen vaikutuksesta, on vahvistunut AR5:n jälkeen.
- Parempi tietämys ilmastoprosesseista, paleoilmastotodisteista ja ilmastojärjestelmän reagoinnista lisääntyvään säteilypakotukseen antaa parhaan arvion tasapainon ilmastoherkkyydestä 3 °C:ssa kapeammalla vaihteluvälillä verrattuna edelliseen vuonna 2014 julkaistuun AR5-raporttiin. Raportissa kuvataan edelleen 5 skenaariota, jotka todennäköisesti johtuvat eri ilmaston lämpenemistasoista ja osoittavat yhä vakavampia vaikutuksia korkeampiin lämpenemistasoihin.
Kasvihuonekaasujen rajoittaminen
Suurin osa keskustelusta tavoista rajoittaa ilmaston lämpenemistä keskittyy kasvihuonekaasupäästöjen (GHG) vähentämiseen ja lopulta poistamiseen, jotka ovat ilmaston lämpenemisen taustalla oleva syy.
Kehittyvässä yksimielisyydessä edellytetään jonkinlaista hiilihinnoittelua, joka kohdistaisi taloudellista painetta liikkeeseenlaskijoihin pakottamalla heidät maksamaan kaikille yhteisen ympäristön heikkenemisestä aiheutuvat kustannukset. Tässä vaiheessa päättäjät kamppailevat vain perustavanlaatuisten käsitteiden ja määritelmien luomiseksi, jotta tällainen ohjelma toimisi.
Kasvihuonekaasut absorboivat infrapunasäteilyä, jota maapallon pinta säteilee auringon lämmittäessä sitä, sitoen lämpöä ja nostaen ilmakehän lämpötilaa. Hiilidioksidi on pääasiallinen kasvihuonekaasu, mutta muitakin on olemassa. Eri kaasut voivat absorboida infrapunasäteilyä eri tehokkuuksilla ja säilyä ilmakehässä eri aikoina.
Tiedemiehet vertaavat eri kaasujen aiheuttamaa lämpenemistä tietyllä ajanjaksolla globaalin lämpenemispotentiaalin (GWP) avulla. CO2:n GWP-arvo on määritelmän mukaan 1. Muiden puolijohdeteollisuudessa yleisesti käytettävien kaasujen GWP-arvot ovat paljon korkeammat: CH4 – 28, N2 O – 265, CF4 – 6 630, NF3 – 16 100, SF6 – 23 500. Hiilidioksidiekvivalentti (CO2 e) on toinen kaasujen vertailuun käytettävä mitta. Yleensä CO2 e ilmoitetaan painon mukaan. Se on CO2:n määrä, joka aiheuttaisi saman verran lämpenemistä kuin kyseinen kaasu. Laske CO2 e kertomalla kyseisen kaasun paino sen GWP-arvolla.
Kasvihuonekaasuprotokolla (GHGP) luo standardoidut puitteet kasvihuonekaasupäästöjen mittaamiseen ja hallintaan, mikä on välttämätön edellytys hiilihinnoittelulle tai muulle valvontamekanismille. GHGP:ssä määritellään kolme päästöaluetta sen mukaan, kuka omistaa kyseiset päästöt ja miten hyvin niitä hallitaan kussakin vaiheessa.
- Scope 1 – Suorat kasvihuonekaasupäästöt raportoivan yhtiön omistamista tai hallitsemista toiminnoista (kattilat, ajoneuvot, prosessikaasut).
- Scope 2 – Muiden osapuolten epäsuorat kasvihuonekaasupäästöt raportoivan yhtiön käyttämän ostetun tai hankitun sähkön, höyryn, lämmityksen tai jäähdytyksen tuotannosta
- Scope 3 – Kaikki epäsuorat päästöt (ei sisälly scope 2:een), joita esiintyy raportoivan yhtiön arvoketjussa, mukaan lukien sekä alkupään (toimittajilta) että loppupään päästöt (kuljetus, jakelu, varastointi).
Vuonna 2018 julkaistussa IPCC:n erityisraportissa todettiin, että maiden on saavutettava hiilidioksidipäästöjen nettonollataso vuoteen 2050 mennessä, jotta ilmaston lämpeneminen pysyisi 1,5 °C:n sisällä teollisuutta edeltävistä tasoista. On epätäydellinen yksimielisyys siitä, mitkä kaasut tulisi sisällyttää nettonollan määritelmään. Tämä on luonut epäselvyyttä ja antanut maille ja organisaatioille mahdollisuuden määritellä nettonollan omien kriteeriensä mukaisesti. CDP (Carbon Disclosure Project) kehitti syyskuussa 2020 Science Based Targets Initiativen (SBTi) puolesta menetelmiä vahvaan ilmastotieteeseen perustuvien nettonollatavoitteiden asettamiseen ja arviointiin.
Myös muita termejä, kuten ”hiilineutraali”, käytetään kuvaamaan kasvihuonekaasupäästöjä. Erot määritelmien välillä ovat ongelmallisia. Esimerkiksi Kiinan määritelmä ”hiilineutraalista” sisältää vain itse CO2:n, kun taas EU on ottanut käyttöön ”ilmastoneutraalin”, joka sisältää kaikki kasvihuonekaasut. Muita menetelmiä nolla- ja neutraaliarviointiin on olemassa, ja epäselvyysongelmaa ei ole vielä täysin ratkaistu. CDP määrittelee selkeästi nettonollatavoitteet, jotka sisältävät kasvihuonekaasupäästöt Scope 1, 2 ja 3 ja ovat linjassa 1,5 °C:n tieteeseen perustuvien tavoitteiden kanssa.
Puolijohteiden valmistus
Puolijohteiden valmistus on vähäinen kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttaja. Esimerkiksi Yhdysvalloissa vuonna 2015 sen osuus teollisuuden kasvihuonekaasupäästöjen kokonaismäärästä oli 0,18 % ja vain 0,063 % kaikista kasvihuonekaasupäästöjen lähteistä [1]. Puolijohdeteollisuudella on suhteellisen pienestä osuudestaan huolimatta ollut johtava rooli maailmanlaajuisten toimien koordinoinnissa kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi.
Scope 1: Suorat päästöt – PFC:t, menestystarina
Historiallisesti haihtuvilla perfluorihiiliyhdisteillä (PFC) on ollut tärkeä rooli puolijohteiden valmistuksessa reaktiivisten fluoriatomien lähteenä, joita käytetään materiaalin poistamiseen etsaus- ja kammion puhdistusprosesseissa. Ne ovat vakaita ja niiden elinikä ilmakehässä on yleensä pitkä, joten ne ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja, joilla on suuri lämmityspotentiaali.
Puolijohteiden valmistajat sitoutuivat vähentämään PFC-päästöjä vähintään 10 % kunkin alueen lähtötason alapuolella seuraavien 10 vuoden aikana vuonna 1999, varsin varhaisessa vaiheessa ilmaston lämpenemisen tiedostamisessa. Vuoteen 2010 mennessä vähennys oli 32 %, mikä oli huomattavasti yli alkuperäisen tavoitteen. Tuolloin ne sitoutuivat edelleen vähentämään päästöjä ja tavoittelemaan normalisoitua päästötasoa (NER – kilogrammaa CO2 e piin cm2:a kohden), joka on 30 % pienempi kuin vuoden 2010 lähtötaso.
Vuoteen 2020 mennessä yritys oli saavuttanut 22,9 %:n vähennyksen huolimatta yhä monimutkaisemmista tuotteista, joissa on enemmän kerroksia, ja edistyneistä etsausprosesseista, joissa käytetään uusia kaasuja. WSC työskentelee nyt uuden PFC-päästöjen vähentämistä koskevan 10 vuoden tavoitteen asettamiseksi. Tavoitteena on arvioida päästöt IPCC:n vuoden 2019 uusimpien menetelmien avulla. (KUVA 1). PFC-tarina on erinomainen esimerkki haasteista, joita on kohdannut ratkaisujen etsimisessä monimutkaisiin ympäristöongelmiin.
PFC-päästöjen vähentämisen onnistumisella oli kaksi pääkomponenttia: siirtyminen PFC-vapaaseen NF3:een monissa kammion puhdistussovelluksissa ja sellaisten puhdistustekniikoiden käyttöönotto, jotka voisivat tuhota prosessikammiosta poistuneet kuluttamattomat PFC-kaasut. PFC-yhdisteet voidaan tuhota plasma- tai polttoainepolttimella. Plasman etuna on, että se ei lisää palavasta polttoaineesta syntyviä hiilidioksidipäästöjä. Käytännössä tekniikan valintaan vaikuttavat kuitenkin usein sähkön suhteelliset kustannukset ja saatavuus verrattuna polttokaasuun.
Vaikka sähköä olisi saatavilla ja se olisi kustannustehokasta, sähkön lähde, eli hiili tai uusiutuva energia, on otettava huomioon myös Scope 2 -päästöjen nettonollalaskennassa. Polttimen rakenne tekee ratkaisusta vielä monimutkaisemman. Vaikka NF3 ei itsessään sisällä hiiltä, sen polttaminen hiilivetypolttoaineen avotulella voi muodostaa PFC-yhdisteitä.
Ongelman taustalla ovat avoliekin suuret lämpötilavaihtelut, ja ratkaisuna on erikoissuunniteltu poltin, joka ylläpitää tasaisempaa lämpötilaa kriittisillä alueilla ja erottaa hiiltä sisältävän polttoaineen suurelta osin prosessikaasuista.
Scope 2: Epäsuorat päästöt – Ulkopuolelta hankittu sähkö
Elektroniikkateknologioiden yleisyys ja niiden eksponentiaalinen kasvu viimeisten vuosikymmenten aikana voisi helposti johtaa siihen johtopäätökseen, että elektroniikka kuluttaa pian enemmän virtaa kuin maailma pystyy tuottamaan.
Totuus on hieman vähemmän hälyttävä, mutta silti niin tärkeä, ettei sitä pidä jättää huomiotta. Vuonna 2015 tieto- ja viestintäteknologian (ICT) osuus maailman energiankulutuksesta oli noin 5 %. Vuoteen 2030 mennessä ICT:n osuus maailman kysynnästä voi olla jopa 20 %, ja optimistisimpienkin ennusteiden mukaan se kasvaa 7 %:iin.
Elektroniikkateknologioiden kuluttaman energian voi jakaa kahteen ämpäriin: laitteiden valmistukseen käytettyyn energiaan, josta lähes kaikki hankitaan tällä hetkellä kolmansilta toimittajilta, ja laitteiden käyttöön käytettyyn energiaan. Ensimmäinen näistä sisältyy GHGP:n Scope 2:een ja toinen Scope 3:een. Mielenkiintoista on se, että tietokoneet käyttävät pian kaiken maailman tuottaman tehon, mikä on hieman vastoin ennustusta. Äskettäin tehdyssä analyysissä todettiin, että laitteiden valmistamiseen käytetty Scope 2 -teho ylittää huomattavasti
Scope 3: niiden käyttöön käytetty teho
Puolijohdevalmistajat ovat jo pitkään olleet herkkiä valmistusprosessiensa suurille tehovaatimuksille, jos ei ympäristönäkökulmasta, niin kustannusnäkökulmasta. Useimpien arvioiden mukaan prosessilaitteiden käyttämän energian osuus on hieman alle puolet tehtaan käyttämästä kokonaisenergiasta. Siitä noin puolet kuluu pumppuihin, joita käytetään monien prosessien vaatimien tyhjiöolosuhteiden ylläpitämiseen.
Pumpunvalmistajat ovat jatkuvasti parantaneet tuotteidensa energiatehokkuutta teollisuuden alkuajoista lähtien. Uudet mekanismit, suuremmat akselinopeudet, tehonmuuttajatekniikka ja uudet materiaalit ovat vaikuttaneet kaikki tähän. Suuri osa matalalla roikkuvista hedelmistä on poimittu jo kauan sitten, mutta joillakin alueilla on vielä parantamisen varaa.
Yksi lupaavimmista on valmiustilan käyttöönotto, jota kutsutaan joskus vihreäksi tilaksi, jossa pumppu asetetaan alhaisen tehon tilaan, kun sitä palveleva prosessi on joutokäynnillä. Suurin haaste on tehtaan prosessilaitteiden ja SubFabin pumppujen välinen tiivis koordinointi.
Tekniikoita on jo olemassa, jotka tukevat sitä, että koordinointi ja osa sen käyttöönoton vastoinkäymisistä johtuvat toimijoiden haluttomuudesta muuttaa mitä tahansa suuren tuoton suuren volyymin tuotantotoiminnon osa-aluetta. Vihreän tilan toiminta voisi vähentää kasvihuonekaasupäästöjä lyhyellä aikavälillä ilman, että jatkuvaan tuotantoon tarvittaisiin perustavanlaatuisia muutoksia.
Valitettavasti muut prosessit, jotka tulevat verkkoon nyt edistyneissä solmuissa, voivat lisätä virrankulutusta merkittävästi, kuten EUV-litografia, joka käyttää noin 10 kertaa enemmän tehoa kuin perinteinen 193 nm:n upotuslitografia. Tasapainottavia tekijöitä ovat esimerkiksi käsittelyvaiheiden määrän väheneminen. IMEC-analyysissa [4] arvioitiin kuitenkin, että energiankulutus kasvoi 3,46 kertaa ja kasvihuonekaasupäästöt kasvoivat 2,5 kertaa levyä kohden siirtyessään 28 nm:n solmusta 2 nm:n solmuun.
Suuri valimo oli ensimmäinen valmistaja, joka otti EUV-litografian käyttöön suuren volyymin tuotannossa. Sen normalisoitu energiankulutus (KWH 8 tuuman vastaavaa wafer mask -kerrosta kohden) kasvoi yli 25 % 12,5 KWH:iin vuonna 2019, kun se oli ollut useita vuosia hieman alle 10 KWH.
Vaikka puolijohteiden valmistuksen suuntaus on selkeästi lisääntyvää energiankulutusta (KUVA 3), ratkaisu on yhtä selkeä. Energiankulutuksen on siirryttävä uusiutuviin lähteisiin.
Se on ratkaisu, jota suuret valmistajat eivät menetä. Vuonna 2020 sama valimo allekirjoitti maailman suurimman uusiutuvan energian ostosopimuksen, 20 vuoden sopimuksen, jossa ostetaan kaikki lähelle rakennettavan 920 megawatin merituulivoimapuiston energia ja sitoudutaan käyttämään 100 % uusiutuvaa energiaa vuoteen 2050 mennessä. [6]. Yhdysvaltojen suurin IDM on sitoutunut 100-prosenttisesti uusiutuvaan energiaan vuoteen 2030 mennessä. Muut suuret toimijat ovat tehneet samanlaisia sitoumuksia, mutta kuten aina piru on yksityiskohdissa.
Laajuus 3: ylä-/alavirta
Scope 3:n osalta laajuuden määrittäminen on hieman haastavampaa – se riippuu siitä, kuka laskee. Valmistajalle palvelinkeskuksen käyttäjän kuluttaman sähkön tuottamisesta aiheutuvat kasvihuonekaasupäästöt ovat alavirran tasolla, Scope 3. Palvelinkeskuksen osalta kasvihuonekaasupäästöt ovat ostetun sähkön epäsuoria päästöjä, Scope 2, ja tuotantopäästöt ovat ylävirran päästöjä, Scope 3.
Laajuudesta riippumatta paras ratkaisu käyttöpäästöihin on siirtyminen uusiutuviin energialähteisiin. Jotkut tietokonetekniikan suurimmista käyttäjistä ovat tässä muutoksessa selvästi edellä valmistavia vastineitaan. Google ja Facebook aloittivat uusiutuvan sähkön ostamisen vuonna 2013.
Vaikka datakeskusten kokonaisenergiankulutus on kasvanut siitä lähtien, toiminnan energiankulutuksen hiilidioksidipäästöt ovat laskeneet. Toinen tekijä päästöjen vähentämisessä on ollut laskennallisen energiatehokkuuden dramaattinen kasvu alan historiassa. Transistorien muuttuessa pienempiksi, nopeammiksi ja energiatehokkaammiksi suoritettujen ohjeiden määrä wattia kohden kasvoi. Tämä trendi on kiihtynyt viime vuosina, kun mobiililaitteiden kapasiteetin ja akun käyttöiän pidentämisen kysyntä on lisännyt painetta sekä suorituskyvyn että energiatehokkuuden parantamiseksi.
Puolijohdelaitteiden suurin vaikutus kestävyyden edistämisessä on niiden vaikutus energiatehokkuuteen koko taloudessa.
Puolijohteet – modernin elektroniikan perustavanlaatuinen mahdollistava teknologia – tarjoavat teknologisen perustan ratkaisuille, jotka edistävät kestävyyttä ja energiatehokkuutta lähes kaikilla talouden aloilla. Puolijohteet lisäävät energiatehokkuutta ja vähentävät kasvihuonekaasupäästöjä kuljetuksessa, valmistuksessa, terveydenhuollossa, lämmityksessä ja jäähdytyksessä sekä muilla talouden tärkeillä alueilla.
Kehittyneiden elektroniikkateknologioiden myöhemmät hyödyt ovat lähes kaikista ympäristöön, talouteen tai yhteiskuntaan liittyvistä näkökulmista huomattavasti kustannuksia suuremmat.
COP26
IPCC:n näyttöön perustuvat johtopäätökset ovat yksiselitteisiä: ihmiset aiheuttavat ympäristön lämpenemistä. Sen ennusteet ovat karuja, ja toimimattomuuden kustannukset, sekä inhimilliset että taloudelliset, ovat paljon suurempia kuin lieventämisen kustannukset. Vaikka puolijohdeteollisuus ei tällä hetkellä ole yksi suurimmista kasvihuonekaasujen päästöistä, päästöt ovat merkittäviä ja kasvavat nopeasti.
Puolijohteiden valmistusprosessin kasvihuonekaasupäästöjä voidaan vähentää lyhyellä aikavälillä toteutettavilla toimenpiteillä, kuten hyvin suunnitellulla PFC-päästöjen vähentämisellä ja vihreän tilan alipainepumppujen käytöllä. Ylivoimaisesti kriittisin muutos on siirtyminen uusiutuviin energialähteisiin koko toimialalla ja koko toimitusketjussa. Kun Yhdysvallat palaa Pariisin sopimukseen, osapuolten konferenssiin kuuluvat jälleen kaikki suuret talousvoimat. Meidän on vaadittava koordinoitua johtajuutta ja taloudellisia sitoumuksia kansallisilta johtajiltamme ja jatkettava työtä kaikilla tasoilla, paikallisesti ja maailmanlaajuisesti, kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi.
DR. CZERNIAK on Edwards Vacuumin Environmental Solutions Business Development Manager, jossa hän on työskennellyt pitkään useissa johtotehtävissä. Hän on myös teollisuuskemian vieraileva professori Bristolin yliopistossa ja puolijohdeteollisuuden edustaja IPCC:ssä, jossa hän toimi äskettäisen arviointiraportin (AR6) tarkastajana.
REFERENSSIT
- Puolijohdeteollisuus jatkaa toimia ilmastonmuutosta vastaan, David Isaacs, VP Government Affairs, SIA Blog, Keskiviikkona 7. kesäkuuta 2017 klo 15.17 https:// www.semiconductors.org/semiconductorindustry-to-continue-action-on-climatechange/
- Maailman puolijohdeneuvoston 25. kokouksen yhteinen lausunto 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
- Logiikan CMOS-teknologioiden ympäristöjalanjälki – DTCO-pohjainen analyysi, IMEC https://www.IMEC-int.com/ en/articles/environmental-footprint-logiccmos-technologies
- Siruteollisuuden jättimäinen hiilijalanjälki on ongelma, Bloomberg Green, Alan Crawford, Ian King, ja Debby Wu, 8.4.2021, 17.01 EDT https://www. bloomberg.com/news/articles/2021-04-08/ siruteollisuuden-valtava-hiilijalanjälki-on-ongelma
- Tietokonesiruteollisuuden likainen ilmastosalaisuus, The Gaurdian, Pádraig Belton, la 18. syyskuuta 2021 08,00 EDT https:// www.theguardian.com/environment/2021/ sep/18/semiconductor-silicon-chipscarbon-footprint-climate