Masa Adalah Sekarang: Pengeluaran Semikonduktor Lestari

Secara sejarah, sebatian perfluorokarbon (PFC) yang tidak stabil telah memainkan peranan penting dalam pembuatan semikonduktor sebagai sumber atom fluorin reaktif yang digunakan untuk mengeluarkan bahan dalam proses pengukiran dan pembersihan ruang. Mereka stabil dan cenderung mempunyai jangka hayat yang panjang di dalam atmosfera, menjadikannya gas rumah kaca yang berkuasa dengan potensi pemanasan yang tinggi.

Pada tahun 1999, agak awal dalam sejarah kesedaran pemanasan global, pengeluar semikonduktor berkomitmen untuk mengurangkan emisi PFC sekurang-kurangnya 10% di bawah tahap asas untuk setiap kawasan dalam tempoh 10 tahun akan datang. Menjelang tahun 2010, mereka telah mencapai pengurangan sebanyak 32%, jauh melebihi sasaran asal. Pada waktu itu, mereka berkomitmen semula untuk pengurangan selanjutnya, menyasarkan kadar emisi normal (NER – kilogram CO2 e per cm2 silikon) yang 30% lebih rendah daripada garis dasar 2010.

Menjelang tahun 2020, mereka telah mencapai pengurangan sebanyak 22,9%, walaupun produk yang semakin kompleks dengan lebih banyak lapisan, dan proses etching yang maju yang menggunakan gas-gas baru. WSC kini sedang berusaha untuk menetapkan sasaran pengurangan PFC selama 10 tahun yang baru yang akan menganggarkan emisi menggunakan metodologi terkini 2019 daripada IPCC. (GAMBAR 1). Kisah PFC memberikan contoh yang sangat baik tentang cabaran yang dihadapi dalam mencari penyelesaian kepada masalah alam sekitar yang kompleks.

Kejayaan dalam mengurangkan emisi PFC mempunyai dua komponen utama: peralihan kepada NF3 bukan PFC untuk banyak aplikasi pembersihan ruang dan penerimaan teknologi pengurangan yang dapat memusnahkan gas PFC yang tidak digunakan yang keluar dari ruang proses. PFC boleh dimusnahkan oleh pembakar plasma atau berasaskan bahan bakar. Plasma mempunyai kelebihan kerana tidak menambah emisi karbon daripada pembakaran bahan bakar. Namun, dalam praktiknya, pilihan teknologi sering dipengaruhi oleh kos relatif dan ketersediaan tenaga elektrik berbanding gas bahan bakar.

Walaupun tenaga elektrik tersedia dan kosnya berpatutan, sumber tenaga tersebut, iaitu, arang batu atau tenaga boleh diperbaharui, juga perlu dipertimbangkan dalam pengiraan karbon net-sifar Skop 2. Penyelesaian menjadi lebih rumit disebabkan oleh reka bentuk pembakar. Walaupun NF3 sendiri tidak mengandungi karbon, membakarnya dalam nyalaan terbuka bahan bakar hidrokarbon boleh menghasilkan PFC.

Masalah ini berpunca daripada variasi suhu yang luas di sekitar api terbuka, dan penyelesaiannya terletak pada pembakar yang direka khas, dikenali sebagai pembakar yang membakar ke dalam, yang mengekalkan suhu yang lebih seragam di kawasan kritikal dan sebahagian besarnya memisahkan bahan bakar yang mengandungi karbon daripada gas proses.

Pengeluar semikonduktor telah lama peka terhadap permintaan kuasa yang besar dalam proses pembuatan mereka, jika bukan dari perspektif alam sekitar, maka dari sudut pandang kos. Kebanyakan anggaran menunjukkan bahawa bahagian tenaga yang digunakan oleh peralatan proses adalah hampir separuh daripada jumlah yang digunakan oleh sebuah Fab. Daripada jumlah itu, kira-kira separuh digunakan oleh pam yang digunakan untuk mengekalkan keadaan vakum yang diperlukan bagi banyak proses untuk beroperasi.

Pengeluar pam telah terus meningkatkan kecekapan tenaga produk mereka sejak awal penubuhan industri ini. Mekanisme baru, kelajuan poros yang lebih tinggi, teknologi penukar kuasa dan bahan baru semuanya telah menyumbang. Sebahagian besar hasil yang mudah telah dipetik sejak lama, tetapi masih ada beberapa bidang di mana penambahbaikan lanjut adalah mungkin.

Salah satu yang paling menjanjikan adalah pelaksanaan operasi mod menganggur, yang kadang-kadang dipanggil mod hijau, di mana pam diletakkan dalam keadaan kuasa rendah apabila proses yang dilayaninya tidak aktif. Cabaran terbesar adalah koordinasi rapat yang diperlukan antara peralatan proses di fab dan pam di SubFab.

Teknologi sudah ada untuk menyokong koordinasi itu dan sebahagian daripada penolakan terhadap pelaksanaannya mesti dikaitkan dengan keengganan pengendali untuk mengubah sebarang aspek operasi pembuatan berkapasiti tinggi dan hasil tinggi. Operasi mod hijau dapat memberikan pengurangan jangka pendek dalam emisi GHG tanpa memerlukan perubahan asas kepada pengeluaran yang sedang berjalan.

Malangnya, proses lain yang kini sedang diperkenalkan di nod maju berpotensi untuk meningkatkan penggunaan kuasa dengan ketara, antaranya adalah litografi EUV yang menggunakan kira-kira 10X lebih banyak kuasa berbanding litografi rendaman konvensional 193nm. Terdapat faktor-faktor yang mengimbangi, seperti pengurangan dalam bilangan langkah pemprosesan. Namun, analisis IMEC [4] menganggarkan peningkatan penggunaan tenaga sebanyak 3,46 dan peningkatan emisi GHG sebanyak 2.5X bagi setiap wafer apabila beralih dari node 28nm ke node 2nm.

Pengeluar pertama yang melaksanakan litografi EUV dalam pengeluaran bervolume tinggi, sebuah kilang utama, menyaksikan penggunaan tenaga normalnya (KWH bagi lapisan topeng wafer setara 8 inci) meningkat lebih daripada 25%, kepada 12.5KWH pada tahun 2019 setelah berada di bawah 10KWH selama beberapa tahun.

Walaupun trend dalam pembuatan semikonduktor jelas menunjukkan peningkatan penggunaan tenaga (GAMBAR 3), penyelesaiannya juga jelas. Penggunaan tenaga mesti beralih kepada sumber yang boleh diperbaharui.

Ia adalah penyelesaian yang tidak terlepas pandang oleh pengeluar utama. Pada tahun 2020, kilang yang sama menandatangani perjanjian pembelian tenaga boleh diperbaharui terbesar di dunia, iaitu perjanjian selama 20 tahun untuk membeli semua tenaga dari ladang angin luar pesisir berkapasiti 920 megawatt yang sedang dibina berdekatan, dan berkomitmen untuk menggunakan 100% tenaga boleh diperbaharui menjelang tahun 2050. [6] IDM terbesar di AS telah berkomitmen untuk menggunakan 100% tenaga boleh diperbaharui menjelang 2030. Pemain utama lain juga telah membuat komitmen serupa, walau bagaimanapun, seperti biasa, butirannya adalah yang paling penting.

Kesimpulan berdasarkan bukti daripada IPCC adalah jelas: manusia menyebabkan persekitaran menjadi lebih panas. Ramalan ini adalah suram, dan kos tidak bertindak, baik dari segi manusia mahupun ekonomi, jauh melebihi kos mitigasi. Walaupun industri semikonduktor bukanlah antara pengeluar gas rumah hijau terbesar hari ini, pelepasan kami adalah signifikan dan berkembang dengan pesat.

Terdapat langkah-langkah yang boleh memberikan pengurangan jangka pendek dalam emisi GHG dari proses pembuatan semikonduktor, termasuk pengurangan PFC yang direka dengan baik dan operasi pam vakum mod hijau. Perubahan yang paling kritikal adalah peralihan kepada sumber tenaga boleh diperbaharui di seluruh industri dan sepanjang rantaian bekalan. Dengan kembalinya Amerika Syarikat ke Perjanjian Paris, persidangan pihak sekali lagi melibatkan semua kuasa ekonomi utama. Kita mesti menuntut kepimpinan yang terkoordinasi dan komitmen kewangan daripada pemimpin negara kita dan terus bekerja di semua peringkat, dari tempatan hingga global, untuk mengurangkan pelepasan GHG.

DR. CZERNIAK adalah Pengurus Pembangunan Perniagaan Penyelesaian Alam Sekitar di Edwards Vacuum, di mana sepanjang kerjaya yang panjang, beliau telah berkhidmat dalam beberapa jawatan kepimpinan. Beliau juga merupakan profesor industri pelawat dalam bidang kimia di Universiti Bristol dan wakil industri semikonduktor kepada IPCC, di mana beliau mengambil bahagian sebagai penilai dalam laporan penilaian terkini (AR6).