Itt az idő: fenntartható félvezetőgyártás
Ahogy ez a cikk elkészül, a világ minden tájáról érkező tudósok és politikai vezetők felkészülnek a COP 26-ra (2022. október), amely az ENSZ Éghajlatváltozási Keretegyezményének (UNFCCC) 26. Felek Konferenciáját jelenti a skóciai Glasgowban. A COP26 a felek 5 éves (plusz egy éves késleltetés a Covid miatt) felülvizsgálati találkozója, amelyen frissítik terveiket az ember okozta globális felmelegedés korlátozására.
A legtöbb vita az üvegházhatású gázok (ÜHG) kibocsátására összpontosít. A félvezetőgyártás trendje azt mutatja, hogy a kibocsátások növekednek, különösen az általános gyártási iparágakhoz képest.
ÜHG-kibocsátás: általános vs. félvezetőgyártás
1. sz. ábra A félvezetőgyártásból származó ÜHG-kibocsátás növekszik, míg a hagyományosabb gyártók kibocsátása csökken.
Tudjon meg többet a legújabb cikkből
A kibocsátások leküzdésére irányuló erőfeszítések számos félvezetőipari vállalat számára jó úton vannak, és az iparág továbbra is vezető szerepet játszik az ÜHG-kibocsátások csökkentésére irányuló globális erőfeszítésekben.
Párizsi Megállapodás
Az utolsó nagy megbeszélés, a COP21 2015-ben került megrendezésre Párizsban, és eredményeként létrejött a Párizsi Megállapodás, amelyben a felek megállapodtak abban, hogy együttműködnek annak érdekében, hogy a felmelegedést az iparosodás előtti globális átlaghőmérséklethez képest 2 °C-kal (lehetőleg 1,5 °C alatt) korlátozzák. A Párizsi Megállapodás 196 aláírója mindegyike nemzetileg meghatározott hozzájárulást (NDC) nyújtott be, amely meghatározza azokat a lépéseket, amelyeket az általános cél elérése érdekében vállaltak. Ezeket az NDC-ket fogják felülvizsgálni és frissíteni a COP26 alkalmával.
Az elkövetkező évek egyik legjelentősebb fejleménye minden bizonnyal az Egyesült Államok röviddel a megállapodás aláírása utáni kilépése, és a legutóbbi visszatérése volt. IPCC és AR6 Az UNFCCC munkája az Éghajlatváltozási Kormányközi Panel elemzésén és támogatásán alapul, amely klímatudósok és éghajlatváltozási szakértők nemzetközi csoportja. Az IPCC rendszeres értékelési jelentéseket (AR) is kiad, amelyek legutóbbi jelentése, az AR6 2021 augusztusában jelent meg.
A jelentés figyelemre méltó volt azzal kapcsolatban, hogy szinte teljes konszenzust értek el abban a határozott következtetésben, hogy az éghajlatváltozás valódi, mérhető és emberi eredetű. A jelentés részletes előrejelzéseket tartalmaz, és szörnyű képet ad a változásokról, amelyek szinte biztosan bekövetkeznek, ha az emberek nem csökkentik az éghajlatváltozással kapcsolatos tevékenységeiket.
A jelentés politikai döntéshozóknak szóló összefoglalójában felsorolt fő következtetések:
- Egyértelmű, hogy az emberi befolyás felmelegítette a légkört, az óceánokat és a szárazföldet. A légkör, az óceán, a krioszféra és a bioszféra széles körű és gyors változásai történtek.
- Az éghajlati rendszer egészében bekövetkezett közelmúltbeli változások mértéke és az éghajlati rendszer számos aspektusának jelenlegi állapota évszázadok vagy évezredek óta példátlan.
- Az ember okozta éghajlatváltozás már számos időjárási és éghajlati szélsőséget érint világszerte minden régióban. Szélsőséges körülmények, például hőhullámok, erős csapadék, aszályok esetén megfigyelt változások bizonyítékai, és trópusi ciklonok, és különösen azok emberi befolyásra való tulajdonítása, az AR5 óta erősödött.
- Az éghajlati folyamatok, a paleoklíma bizonyítékai és az éghajlati rendszer növekvő sugárzási kényszerre adott válasza jobb becslést ad az egyensúlyi éghajlati érzékenységről 3 °C-kal, szűkebb tartományban, mint az AR5, a 2014-ben kiadott korábbi jelentés. A jelentés továbbra is 5 forgatókönyvet ír le, amelyek valószínűleg a globális felmelegedés különböző szintjeiből származnak, és egyre súlyosabb hatásokat mutatnak a magasabb felmelegedési szintekre.
Üvegházhatású gázok korlátozása
A globális felmelegedés korlátozásának módjairól szóló legtöbb vita a globális felmelegedés mögött álló üvegházhatású gázok (ÜHG) kibocsátásának csökkentésére és végső soron megszüntetésére összpontosít.
Fejlődő egyetértés van abban, hogy a szén-dioxid árképzésének valamilyen formájára van szükség, ami gazdasági nyomást gyakorolna a kibocsátókra azáltal, hogy arra kényszerítené őket, hogy megfizessék a közös környezet romlása miatt felmerülő költségeket. Jelenleg a politikai döntéshozók csak azért küzdenek, hogy megállapítsák az ilyen program működéséhez szükséges alapvető fogalmakat és meghatározásokat.
Az ÜHG-gázok elnyelik az infravörös (IR) sugárzást, amelyet a Föld felszínéről bocsátanak ki, amikor a nap felmelegszik, így megtartják a hőt és megemelik a légkör hőmérsékletét. A szén-dioxid a fő üvegházhatású gáz, bár számos más is létezik. Különböző gázok különböző hatékonysággal nyelhetik el az infravörös sugárzást, és különböző ideig maradhatnak a légkörben.
A kutatók a globális felmelegedési potenciált (GWP) használják a különböző gázok által okozott felmelegedés összehasonlítására egy meghatározott idő alatt. A CO2 meghatározás szerint 1-es GWP értékkel rendelkezik. A félvezetőiparban gyakran használt egyéb gázok GWP-értéke sokkal magasabb: CH4 - 28, N2 O - 265, CF4 - 6,630, NF3 - 16,100, SF6 - 23,500. A szén-dioxid-egyenérték (CO2 e) egy másik, a gázok összehasonlítására használt mértékegység. Általában a CO2 e a CO2 mennyisége, amely ugyanolyan mértékű felmelegedést okozna, mint a kérdéses gáz. A CO2 e kiszámításához szorozza meg az adott gáz tömegét a GWP értékével.
Az üvegházhatású gázokról szóló protokoll (GHGP) szabványosított keretrendszereket hoz létre az ÜHG-kibocsátások mérésére és kezelésére, ami minden szén-dioxid-árképzés vagy egyéb ellenőrzési mechanizmus szükséges előzménye. A GHGP három kibocsátási területet határoz meg, attól függően, hogy ki rendelkezik ezekkel a kibocsátásokkal, és milyen szintű ellenőrzésük van az egyes szakaszokban.
- 1. alkalmazási kör - Közvetlen ÜHG-kibocsátás a bejelentő vállalat tulajdonában lévő vagy általa ellenőrzött műveletekből (kazánok, járművek, folyamatgázok).
- 2. alkalmazási kör - Mások általi közvetett ÜHG-kibocsátás a bejelentő vállalat által felhasznált vásárolt vagy beszerzett villamos energia, gőz, fűtés vagy hűtés előállításából
- 3. hatókör - Minden közvetett kibocsátás (nem tartozik a 2. hatókörbe), amely a bejelentő vállalat értékláncában keletkezik, beleértve mind a felfelé (beszállítóktól), mind a lefelé (szállítás, elosztás, tárolás) irányuló kibocsátásokat.
Az IPCC 2018-ban kiadott különleges jelentése arra a következtetésre jutott, hogy az országoknak 2050-re „nettó nullára” kell emelniük a szén-dioxid-kibocsátást, hogy a globális felmelegedés az iparosodás előtti szinthez képest 1,5 °C-on belül maradjon. Nem állapodtak meg teljesen abban, hogy mely gázokat kell belefoglalni a nettó zéró emisszió meghatározásába. Ez kétértelműséget teremtett, és lehetővé tette az országok és a szervezetek számára, hogy saját kritériumaik alapján határozzák meg a nettó nullát. 2020 szeptemberében a CDP (Carbon Disclosure Project, szén-dioxid-kibocsátás közzétételi projekt) a Science Based Targets Initiative (SBTi, Tudományos alapú célkitűzések kezdeményezés) nevében módszereket fejlesztett ki a szilárd éghajlattudományon alapuló nettó nulla-kibocsátási célok meghatározására és értékelésére.
Az ÜHG-kibocsátás leírására más kifejezéseket is használnak, például a „karbonsemlegességet”. A definíciók közötti különbségek problémásak. Például Kína „karbonsemleges” definíciója csak magát a CO2-t foglalja magában, míg az EU „klímasemleges”-t fogadott el, amely magában foglalja az összes ÜHG-t. Más módszerek is léteznek a nulla és semleges értékelésekhez, és a kétértelműség problémája még nem oldódott meg teljesen. A CDP egyértelműen meghatározza a nettó nulla kibocsátási célokat, amelyek magukban foglalják az 1., 2. és 3. GHGP-terület kibocsátásait, és összhangban vannak az 1,5 °C-os tudományos alapú célokkal.
Félvezetőgyártás
A félvezetőgyártás kis mértékben járul hozzá az ÜHG-kibocsátáshoz. Például az Egyesült Államokban 2015-ben az ipari forrásokból származó teljes üvegházhatású gáz (ÜHG) kibocsátás 0,18%-át és az összes ÜHG-kibocsátási forrás mindössze 0,063%-át teszi ki [1]. A félvezetőipar viszonylag kis mértékű hozzájárulása ellenére vezető szerepet játszott az ÜHG-kibocsátás csökkentésére irányuló globális intézkedések koordinálásában.
1. alkalmazási kör: Közvetlen kibocsátások - PFC-k, sikertörténet
Korábban az illékony perfluor-szén-dioxid (PFC) vegyületek fontos szerepet játszottak a félvezetőgyártásban, mint reaktív fluoratomok forrása, amelyeket a maratási és kamratisztítási folyamatok során az anyag eltávolítására használnak. Stabilak, és hajlamosak hosszú élettartamra a légkörben, ezért erős üvegházhatású gázok, nagy felmelegedési potenciállal.
1999-ben, a globális felmelegedés tudatosságának korai szakaszában, a félvezetőgyártók elkötelezték magukat amellett, hogy a következő 10 évben legalább 10%-kal csökkentsék a PFC-kibocsátást az egyes régiók kiindulási értékei alatt. 2010-re 32%-os csökkenést értek el, messze túlszárnyalva az eredeti célt. Abban az időben újból elkötelezték magukat a további csökkentések mellett, és a 2010-es kiindulási értékhez képest 30%-kal alacsonyabb normalizált kibocsátási arányt céloztak meg (NER - kilogramm CO2 e szilícium cm2-enként).
2020-ra 22,9%-os csökkenést értek el az egyre összetettebb, több réteggel rendelkező termékek és az új gázokat használó fejlett maratási folyamatok ellenére. A WSC most egy új 10 éves PFC-csökkentési cél kidolgozásán dolgozik, amely a kibocsátásokat az IPCC legújabb 2019-es módszereivel fogja becsülni. (1. ÁBRA). A PFC története kiváló példát mutat az összetett környezeti problémák megoldásainak megtalálása során felmerülő kihívásokra.
A PFC-kibocsátások csökkentésének sikere két fő összetevőből állt: a nem-PFC NF3-ra való áttérés számos kamratisztítási alkalmazásban, valamint a folyamatkamrából kilépő, fel nem használt PFC-gázok elpusztítására alkalmas kezelési technológiák alkalmazása. A PFC-k tönkretehetők plazma- vagy üzemanyag-alapú égetővel. A plazma előnye, hogy nem ad hozzá az égő üzemanyagból származó szén-dioxid-kibocsátást. A gyakorlatban azonban a technológia választását gyakran az elektromos energia és az üzemanyag-gáz relatív költsége és rendelkezésre állása határozza meg.
Még akkor is, ha az elektromos energia rendelkezésre áll és költséghatékony, az energiaforrást, azaz a szént vagy a megújuló energiát is figyelembe kell venni a nettó nulla szén-dioxid-kibocsátás 2. alkalmazási körének számításakor. A megoldást tovább bonyolítja az égő kialakítása. Bár maga az NF3 nem tartalmaz szénet, a szénhidrogén üzemanyag nyílt lángjában történő égetés PFC-ket okozhat.
A probléma a nyílt láng széles hőmérséklet-ingadozásaiból ered, és a megoldás egy speciálisan kialakított, befelé tüzelt égetőben rejlik, amely egyenletesebb hőmérsékletet tart fenn a kritikus területeken, és nagymértékben elválasztja a széntartalmú üzemanyagot a folyamatgázoktól.
2. alkalmazási kör: Közvetett kibocsátások - Helyszínen kívüli generátorokból vásárolt energia
Az elektronikai technológiák elterjedtsége és az elmúlt évtizedekben tapasztalt exponenciális növekedés könnyen arra a következtetésre vezethet, hogy az elektronika hamarosan több energiát fogyaszt, mint amennyit a világ termelni tud.
Az igazság valamivel kevésbé riasztó, de mégis elég fontos ahhoz, hogy ne hagyják figyelmen kívül. 2015-ben az információs és kommunikációs technológia (IKT) a globális energiaigény mintegy 5%-át tette ki. 2030-ra az IKT a globális kereslet akár 20%-át is elérheti, és még a legoptimistabb előrejelzések szerint is 7%-ra növekszik.
Az elektronikai technológiák által felhasznált energia két kanálra osztható: az eszközök gyártásához felhasznált energia, amely jelenleg szinte mindegyikét harmadik féltől vásárolják, és az eszközök működtetéséhez felhasznált energia. Ezek közül az első a GHGP 2. alkalmazási körébe tartozik, a második a 3. alkalmazási körébe. Érdekes módon, és valamivel ellentétben azzal a holtnapi előrejelzéssel, hogy a számítógépek hamarosan felhasználják a világ által termelt összes energiát, egy nemrégiben készült elemzésből következtetés született, amely azt mutatja, hogy a 2. hatókörbe tartozó eszközök gyártásához felhasznált energia messze meghaladja a
3. alkalmazási terület: Az üzemeltetésükhöz használt energia
A félvezetőgyártók már régóta érzékenyek a gyártási folyamataik nagy teljesítményigényeire, ha nem környezetvédelmi szempontból, akkor a költségek szempontjából. A legtöbb becslés szerint a technológiai berendezések által felhasznált energia aránya a gyár teljes energiafelhasználásának csaknem fele. Ennek körülbelül a felét a számos folyamat működéséhez szükséges vákuumszint fenntartására használt szivattyúk használják.
A szivattyúgyártók az iparág korai szakasza óta folyamatosan javították termékeik energiahatékonyságát. Az új mechanizmusok, a nagyobb tengelyfordulatszámok, a teljesítményátalakító technológia és az új anyagok mind hozzájárultak. Az alacsonyan lógó gyümölcsök nagy részét már régen szedték, de vannak olyan területek, ahol további fejlesztésre van szükség.
Az egyik legígéretesebb az üresjárati üzemmód megvalósítása, amelyet néha zöld üzemmódnak is neveznek, amelyben a szivattyú kis teljesítményű állapotba kerül, amikor a kiszolgált folyamat alapjáraton van. A legnagyobb kihívás a gyárban lévő technológiai berendezések és a szubgyárban lévő szivattyúk közötti szoros koordináció.
Már léteznek olyan technológiák, amelyek támogatják ezt a koordinációt, és a megvalósítással szembeni ellenállás némelyikét a kezelők hajlandóságának kell tulajdonítani, hogy megváltoztassák a nagy hozamú, nagy mennyiségű gyártási művelet bármely aspektusát. A zöld üzemmódú műveletek rövid távon csökkenthetik az ÜHG-kibocsátást anélkül, hogy alapvető változásokra lenne szükség a folyamatban lévő termelésben.
Sajnos a fejlett csomópontokon jelenleg online elérhető egyéb folyamatok jelentősen növelhetik az energiafogyasztást, köztük az EUV litográfia, amely körülbelül 10-szer annyi energiát használ, mint a hagyományos 193 nm-es merülő litográfia. Vannak kiegyenlítő tényezők, például a megmunkálási lépések számának csökkentése. Mégis, egy IMEC elemzés [4] becslése szerint az energiafogyasztás 3,46-szoros növekedése és az üvegházhatásúgáz-kibocsátás 2,5-szeres növekedése lapkánként a 28 nm-es csomópontról a 2 nm-es csomópontra.
Az EUV litográfiát elsőként a nagy volumenű gyártásban alkalmazó gyártó, egy nagy öntöde, a normál energiafogyasztását (8 hüvelykes egyenértékű lapkamaszkrétegenkénti KWH) több mint 25%-kal, 2019-ben 12,5 KWH-ra növelte, miután néhány évig 10 KWH alatt lebegett.
Bár a félvezetőgyártásban egyértelműen a növekvő energiafogyasztás trendje (3. ÁBRA), a megoldás ugyanolyan egyértelmű. Az energiafogyasztásnak megújuló forrásokra kell váltania.
Ez egy olyan megoldás, amelyet a nagy gyártók nem veszítenek el. 2020-ban ugyanez az öntöde aláírta a világ legnagyobb megújulóenergia-beszerzési megállapodását, egy 20 éves megállapodást, amelynek keretében a közelben épülő 920 megawattos tengeri szélfarmból vásárolják meg az összes energiát, és 2050-re elkötelezték magukat a 100%-ban megújuló energia felhasználása mellett. [6]. Az Egyesült Államok legnagyobb IDM vállalata 2030-ra 100%-ban megújuló energiára kötelezettséget vállalt. Más jelentős szereplők is hasonló kötelezettségvállalásokat vállaltak, de mint mindig, az ördög a részletekben rejlik.
3. alkalmazási terület: Upstream/Downstream
A 3. hatókörhöz való hozzárendelés egy kicsit kihívást jelent - attól függ, hogy ki számít. Egy gyártó esetében a felhasználó által az adatközpontban felhasznált energia előállításához kibocsátott ÜHG a 3. alkalmazási körbe tartozó lefelé irányuló folyamat. Az adatközpont esetében az ÜHG-kibocsátás a vásárolt energia közvetett kibocsátása, 2. alkalmazási kör, a gyártás során keletkező kibocsátás pedig a 3. alkalmazási kör.
Az alkalmazási területtől függetlenül a használatból származó kibocsátások végső megoldása a megújuló energiaforrásokra való átállás. A számítógépes technológia néhány legnagyobb felhasználója jóval előbbre jut, mint a gyártással foglalkozó társai. A Google és a Facebook 2013-ban kezdte meg a megújuló energia beszerzését.
Bár az adatközpontok teljes energiafogyasztása azóta nőtt, a működési energiafogyasztásból származó szén-dioxid-kibocsátás csökkent. A kibocsátáscsökkentés másik tényezője a számított energiahatékonyság drámai növekedése az iparág történetében. Ahogy a tranzisztorok kisebbek, gyorsabbak és energiahatékonyabbak lettek, nőtt a wattonként végrehajtott parancsok száma. Ez a trend az elmúlt években felgyorsult, mivel a nagyobb kapacitásra és a mobileszközök hosszabb akkumulátor-élettartamára irányuló igény további nyomást gyakorolt a teljesítmény és az energiahatékonyság javítására.
A félvezető eszközöknek messze a legnagyobb hatása van a fenntarthatóság ösztönzésében, mivel hozzájárulnak az energiahatékonysághoz a gazdaság egészében.
A félvezetők - a modern elektronika alapvető lehetővé tevő technológiája - technológiai alapot biztosítanak a fenntarthatóságot és az energiahatékonyságot növelő megoldásokhoz a gazdaság gyakorlatilag minden ágazatában. A félvezetők növelik az energiahatékonyságot és csökkentik az ÜHG-kibocsátást a közlekedés, a gyártás, az egészségügy, a fűtés és hűtés, valamint a gazdaság más fontos területein.
Szinte minden szempontból, környezeti, gazdasági vagy társadalmi szempontból, a fejlett elektronikai technológiák további előnyei messze felülmúlják a költségeket.
COP26
Az IPCC bizonyítékokon alapuló következtetései egyértelműek: az emberek felmelegítik a környezetet. Az előrejelzései szörnyűek, és a tétlenség költségei, emberi és gazdasági szempontból, messze meghaladják a mérséklés költségeit. Bár a félvezetőipar ma nem tartozik az üvegházhatású gázok legnagyobb kibocsátói közé, kibocsátásaink jelentősek és gyorsan növekednek.
Léteznek olyan intézkedések, amelyek rövid távon csökkenthetik a félvezetőgyártási folyamatból származó ÜHG-kibocsátást, beleértve a jól megtervezett PFC-csökkentést és a zöld üzemmódú vákuumszivattyú-üzemeltetést. Szóval a legkritikusabb változás a megújuló energiaforrásokra való átállás az iparágban és az ellátási láncban. Az Egyesült Államok Párizsi Megállapodáshoz való visszatérésével a felek konferenciája ismét magában foglalja az összes nagy gazdasági erőt. Nemzeti vezetőinktől összehangolt vezetést és pénzügyi kötelezettségvállalásokat kell követelnünk, és továbbra is minden szinten, a helyitől a globálisig, dolgoznunk kell az ÜHG-kibocsátás csökkentésén.
DR. CZERNIAK az Edwards Vacuum környezetvédelmi megoldások üzletfejlesztési vezetője, aki hosszú karrierje során korábban számos vezetői pozíciót töltött be. A Bristol Egyetem kémiai ipari vendégprofesszora és az IPCC félvezetőipar képviselője is volt, amelyben részt vett a legutóbbi értékelési jelentés (AR6) felülvizsgálójaként.
Referenciaértékek
- David Isaacs, a félvezetőipar kormányzati ügyekért felelős alelnöke, SIA Blog, 2017. június 7., szerda, 15:17 https:// www.semiconductors.org/semiconductorindustry-to-continue-action-on-climatechange/
- A Félvezetőipari Világtanács 25. ülésének közös nyilatkozata 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 és munkatársai, IEEE Nemzetközi Szimpózium a nagy teljesítményű számítógép-architektúráról (HPCA 2021) https://ugupta.com/files/ ChasingCarbon_HPCA2021.pdf
- A logikai CMOS technológiák környezeti lábnyoma - DTCO-alapú elemzés, IMEC https://www.IMEC-int.com/ en/articles/environmental-footprint-logiccmos-technologies
- A chipiparnak problémája van a hatalmas szénlábnyomával, Bloomberg Green, Alan Crawford, Ian King, és Debby Wu, 2021. április 8., 17:01 EDT https://www. bloomberg.com/news/articles/2021-04-08/ the-chip-industry-has-a-problem-withi-giant-carbon-footprint
- A számítógépchip-ipar piszkos éghajlati titkot rejt, The Gaurdian, Pádraig Belton, 2021. szeptember 18., 08:00 EDT https:// www.theguardian.com/environment/2021/ sep/18/semiconductor-silicon-chipscarbon-footprint-climate