Nu är det dags: Hållbar halvledartillverkning
När denna artikel skrivs förbereder sig forskare och politiska ledare från hela världen för COP 26 (oktober 2022), en förkortning av den 26:e konferensen mellan parterna i FN:s ramkonvention om klimatförändringar (UNFCCC) i Glasgow, Skottland. COP26 är parternas femårsmöte (plus ett års fördröjning för covid), där de uppdaterar sina planer för att begränsa den mänskligt orsakade globala uppvärmningen.
De flesta diskussioner fokuserar på utsläpp av växthusgaser (GHG). Trenden inom halvledartillverkning visar att utsläppen ökar, särskilt jämfört med allmän tillverkningsindustri.
Växthusgasutsläpp: Allmänt jämfört med halvledartillverkning
Illustration 1: Utsläppen av växthusgaser från halvledartillverkning ökar medan utsläppen från mer traditionella tillverkare minskar.
Läs mer i den senaste artikeln
Övergången mot att ta itu med utsläppen är på god väg för många halvledarföretag och branschen fortsätter att spela en ledande roll i det globala arbetet med att minska utsläppen av växthusgaser.
Parisavtalet
Det senaste stora mötet, COP21, hölls i Paris 2015 och resulterade i Parisavtalet, där parterna kom överens om att arbeta tillsammans för att begränsa uppvärmningen till mindre än 2 °C (helst mindre än 1,5 °C) över den globala genomsnittstemperaturen före industrin. Var och en av de 196 undertecknarna av Parisavtalet lämnade in ett nationellt bestämt bidrag (NDC) som definierade de steg de förbundit sig att vidta för att uppnå det övergripande målet. Det är dessa NDC:er som kommer att granskas och uppdateras på COP26.
En av de viktigaste utvecklingarna under de senaste åren var USA:s utträde ur avtalet strax efter undertecknandet och dess återkomst. IPCC och AR6 UNFCCC:s arbete baseras på analysen och stödet från den mellanstatliga panelen för klimatförändringar, en internationell grupp klimatforskare och experter på klimatförändringar. IPCC utfärdar även regelbundna utvärderingsrapporter (AR), varav den senaste, AR6, släpptes i augusti 2021.
Rapporten var anmärkningsvärd för den nästan fullständiga konsensus den nådde i sin fasta slutsats att klimatförändringen är verklig, mätbar och orsakad av människan. Rapporten innehåller detaljerade förutsägelser och målar en dyster bild av förändringar som nästan säkert kommer att inträffa om människan inte begränsar sina klimatförändrande aktiviteter.
Viktiga slutsatser som listas i rapportens sammanfattning för beslutsfattare är
- Det är entydigt att mänsklig påverkan har värmt upp atmosfären, havet och land. Det har skett omfattande och snabba förändringar i atmosfären, havet, kryosfären och biosfären.
- Omfattningen av de senaste förändringarna i klimatsystemet som helhet och nuläget för många aspekter av klimatsystemet är oöverträffad under många århundraden till många tusen år.
- Mänskligt orsakade klimatförändringar påverkar redan många väder- och klimatextremer i alla regioner över hela världen. Bevis på observerade förändringar i extremer, såsom värmeböljor, kraftig nederbörd, torka, och tropiska cykloner, och i synnerhet deras tillskrivning till mänsklig påverkan, har stärkts sedan AR5.
- Förbättrad kunskap om klimatprocesser, paleoklimatevidens och klimatsystemets svar på ökande strålningstvång ger en bästa uppskattning av klimatkänsligheten för avjämning på 3 °C med ett snävare intervall jämfört med AR5, den tidigare rapporten som publicerades 2014. Rapporten fortsätter att beskriva 5 scenarier som sannolikt kommer att uppstå på grund av olika nivåer av global uppvärmning, vilket visar på allt allvarligare effekter för högre nivåer av uppvärmning.
Begränsning av växthusgaser
De flesta diskussioner om sätt att begränsa den globala uppvärmningen fokuserar på att minska och så småningom eliminera utsläppen av växthusgaser (GHG) som är den underliggande orsaken till den globala uppvärmningen.
Det råder enighet om att någon form av koldioxidprissättning krävs, vilket skulle utöva ekonomiskt tryck på emittenterna genom att tvinga dem att betala den kostnad som alla ådrar sig för deras försämring av en gemensam miljö. I nuläget kämpar beslutsfattarna med att bara fastställa de grundläggande begrepp och definitioner som behövs för att ett sådant program ska fungera.
Växthusgaser är gaser som absorberar infraröd strålning (IR) som avges från jordens yta när den värms upp av solen, vilket fångar upp värme och höjer atmosfärens temperatur. Koldioxid är den främsta växthusgasen, men det finns många andra. Olika gaser kan absorbera IR-strålning med olika effektivitet och kan kvarstå i atmosfären under olika tider.
Forskare använder global uppvärmningspotential (GWP) för att jämföra den uppvärmning som orsakas av olika gaser under en viss tidsperiod. CO2 har per definition ett GWP-värde på 1. GWP-värdena för andra gaser som ofta används inom halvledarindustrin är mycket högre: CH4 – 28, N2 O – 265, CF4 – 6 630, NF3 – 16 100, SF6 – 23 500. Koldioxidekvivalent (CO2 e) är ett annat mått som används för att jämföra gaser. CO2 e anges vanligtvis i vikt och är den mängd CO2 som skulle orsaka samma mängd uppvärmning som den aktuella gasen. För att beräkna CO2 e multiplicerar du vikten på den aktuella gasen med dess GWP.
Växthusgasprotokollet (GHGP) upprättar standardiserade ramverk för att mäta och hantera utsläpp av växthusgaser, en nödvändig förutsättning för någon koldioxidprissättning eller annan kontrollmekanism. GHGP definierar tre omfattningar av utsläpp, beroende på vem som äger dessa utsläpp och vilken nivå av kontroll de har i varje steg.
- Omfattning 1 – Direkta utsläpp av växthusgaser från verksamheter som ägs eller kontrolleras av det rapporterande företaget (pannor, fordon, processgaser).
- Scope 2 – Indirekta utsläpp av växthusgaser från andras produktion av inköpt eller förvärvad el, ånga, värme eller kyla som förbrukas av det rapporterande företaget
- Scope 3 – Alla indirekta utsläpp (ingår inte i scope 2) som uppstår i det rapporterande företagets värdekedja, inklusive både uppströms (från leverantörer) och nedströms utsläpp (transport, distribution, lagring).
En särskild IPCC-rapport som publicerades 2018 kom fram till att länderna måste nå ”netto-noll” koldioxidutsläpp senast 2050 för att hålla den globala uppvärmningen inom 1,5 °C jämfört med föreindustriella nivåer. Det råder ofullständig överenskommelse om vilka gaser som ska ingå i nettonolldefinitionen. Detta har skapat oklarheter och gjort det möjligt för länder och organisationer att definiera nettonoll enligt sina egna kriterier. I september 2020 utvecklade CDP (Carbon Disclosure Project) metoder för Science Based Targets Initiative (SBTi) för att sätta upp och bedöma nettonollutsläppsmål baserade på robust klimatvetenskap.
Andra termer, som ”koldioxidneutral”, används också för att beskriva växthusgasutsläpp. Skillnader mellan definitionerna är problematiska. Till exempel omfattar Kinas definition av ”koldioxidneutral” endast själva CO2, medan EU har antagit ”klimatneutral”, vilket inkluderar alla växthusgaser. Andra metoder för noll- och neutralbedömningar finns, och tvetydighetsproblematiken är ännu inte helt löst. CDP definierar tydligt nettonollutsläppsmål som inkluderar växthusgasutsläpp i omfattning 1, 2 och 3 och är i linje med vetenskapligt baserade mål på 1,5 °C.
Halvledartillverkning
Halvledartillverkning är en mindre bidragande faktor till växthusgasutsläppen. I USA stod den till exempel 2015 för 0,18 % av de totala utsläppen av växthusgaser (GHG) från industriella källor och endast 0,063 % av alla utsläppskällor av växthusgaser [1]. Trots sitt relativt små bidrag har halvledarindustrin spelat en ledande roll i att samordna globala åtgärder för att minska utsläppen av växthusgaser.
Scope 1: Direkta utsläpp – PFC, en framgångssaga
Historiskt sett har flyktiga perfluorkarbonföreningar (PFC) spelat en viktig roll vid tillverkning av halvledare som en källa till reaktiva fluoratomer som används för att avlägsna material i etsnings- och kammarrengöringsprocesser. De är stabila och tenderar att ha lång livslängd i atmosfären, vilket gör dem till potenta växthusgaser med hög uppvärmningspotential.
1999, ganska tidigt i den globala uppvärmningens historia, åtog sig halvledartillverkare att minska PFC-utsläppen med minst 10 % under baslinjen för varje region under de kommande 10 åren. År 2010 hade de uppnått en minskning på 32 %, vilket var långt över det ursprungliga målet. Vid den tidpunkten åtog man sig att minska utsläppen ytterligare och siktade på en normaliserad utsläppsnivå (NER – kilogram CO2 e per cm2 kisel) som var 30 % lägre än 2010 års baslinje.
År 2020 hade de uppnått en minskning på 22,9 %, trots allt mer komplexa produkter med fler lager och avancerade etsningsprocesser som använder nya gaser. WSC arbetar nu med att fastställa ett nytt 10-årsmål för minskning av PFC som kommer att uppskatta utsläppen med hjälp av de senaste 2019-metoderna från IPCC. (FIGUR 1). PFC-berättelsen är ett utmärkt exempel på de utmaningar man stöter på i sökandet efter lösningar på komplexa miljöproblem.
Framgången med att minska PFC-utsläppen hade två huvudkomponenter: övergången till icke-PFC NF3 för många kammarrengöringstillämpningar och antagandet av reduktionstekniker som kunde förstöra oanvända PFC-gaser som lämnade processkammaren. PFC kan förstöras av en plasma- eller bränslebaserad brännare. Plasma har fördelen att det inte tillförs koldioxidutsläpp från det brinnande bränslet. I praktiken drivs dock valet av teknik ofta av den relativa kostnaden och tillgängligheten för elkraft jämfört med bränslegas.
Även när elkraft är tillgänglig och kostnadseffektiv måste källan till den kraften, dvs. kol eller förnybar energi, också beaktas i beräkningen av nettonoll koldioxid i Scope 2. Lösningen kompliceras ytterligare av brännarens utformning. Även om NF3 i sig inte innehåller något kol, kan förbränning i öppen låga av kolvätebränsle skapa PFC.
Problemet uppstår i de stora temperaturvariationerna över en öppen låga och lösningen ligger i en specialkonstruerad brännare, en så kallad inåteldad förbränningskammare, som upprätthåller en jämnare temperatur i de kritiska områdena och till stor del separerar det kolhaltiga bränslet från processgaserna.
Scope 2: Indirekta utsläpp – El köpt från externa generatorer
Den allmänt förekommande elektroniska tekniken och den exponentiella tillväxt som den har uppvisat under de senaste decennierna kan lätt leda till att man drar slutsatsen att elektronik snart kommer att förbruka mer kraft än världen kan producera.
Sanningen är något mindre alarmerande men ändå tillräckligt viktig för att inte ignoreras. Under 2015 stod informations- och kommunikationsteknik (IKT) för cirka 5 % av den globala energiefterfrågan. År 2030 kan IKT stå för så mycket som 20 % av den globala efterfrågan, och även de mest optimistiska prognoserna förutspår att den kommer att växa till 7 %.
Energi som förbrukas av elektronisk teknik kan delas upp i två hinkar: energi som används för att tillverka enheterna, varav nästan all energi för närvarande köps in från tredjepartsleverantörer, och energi som används för att driva enheterna. Den första av dessa ingår i Scope 2 av GHGP, den andra i Scope 3. Intressant nog, och något i motsats till domedagsprognosen att datorer snart kommer att använda all kraft som världen kan producera, är slutsatsen i en nyligen genomförd analys som visar att Scope 2-kraft som används för att tillverka enheter långt överstiger
Omfattning 3: Den kraft som används för att driva dem
Halvledartillverkare har länge varit känsliga för de stora effektkraven i sina tillverkningsprocesser, om inte ur ett miljöperspektiv, så ur ett kostnadsperspektiv. De flesta uppskattningar visar att andelen energi som används av processutrustning är knappt hälften av den totala energi som används av en fabrik. Ungefär hälften av detta används av de pumpar som används för att upprätthålla de vakuumförhållanden som krävs för att många processer ska fungera.
Pumptillverkare har kontinuerligt förbättrat energieffektiviteten för sina produkter sedan branschens början. Nya mekanismer, högre axelhastigheter, inverterteknik och nya material har bidragit till detta. Mycket av den lågt hängande frukten skördades för länge sedan, men det finns fortfarande områden där ytterligare förbättringar är möjliga.
En av de mest lovande är implementeringen av tomgångsläge, ibland kallat grönt läge, där pumpen försätts i ett lågeffektläge när processen den betjänar är tomgång. Den största utmaningen är den nära samordning som krävs mellan processutrustningen i fabriken och pumparna i SubFab.
Tekniker finns redan för att stödja att samordning och en del av motståndet mot dess implementering måste tillskrivas operatörernas motvillighet att ändra någon aspekt av en högavkastande högvolymstillverkning. Verksamheten i grönt läge skulle kunna ge kortsiktiga minskningar av växthusgasutsläppen utan att det krävs grundläggande förändringar i den pågående produktionen.
Tyvärr har andra processer som kommer online nu på avancerade noder potential att öka strömförbrukningen avsevärt, bland annat EUV-litografi som använder cirka 10 gånger så mycket ström som konventionell 193 nm dopplitografi. Det finns uppvägande faktorer, till exempel en minskning av antalet bearbetningssteg. Ändå uppskattade en IMEC-analys [4] en 3,46-faldig ökning av energiförbrukningen och en 2,5-faldig ökning av växthusgasutsläppen per platta när man gick från 28nm-noden till 2nm-noden.
Den första tillverkaren som implementerade EUV-litografi i högvolymsproduktion, ett stort gjuteri, såg sin normaliserade energiförbrukning (KWH per 8-tums motsvarande wafermasklager) öka med mer än 25 %, till 12,5 KWH 2019 efter att ha legat strax under 10 KWH i flera år.
Även om trenden inom halvledartillverkning tydligt är en ökande strömförbrukning (FIGUR 3) är lösningen lika tydlig. Energiförbrukningen måste övergå till förnybara källor.
Det är en lösning som inte går förlorad hos större tillverkare. 2020 tecknade samma gjuteri världens största köpeavtal för förnybar energi, ett 20-årigt avtal om att köpa all energi från en 920 megawatt stor havsbaserad vindkraftpark som byggs i närheten, och åtog sig att använda 100 % förnybar energi senast 2050. [6]. USA:s största IDM har satsat på 100 % förnybar energi till 2030. Andra stora aktörer har gjort liknande åtaganden, men som alltid ligger djävulen i detaljerna.
Omfattning 3: Uppströms/nedströms
Tilldelningen av omfattning blir lite mer utmanande för omfattning 3 – det beror på vem som räknar. För en tillverkare är de växthusgaser som släpps ut för att generera den el som en användare förbrukar i ett datacenter nedströms, Scope 3. För datacentret är växthusgasutsläppen indirekta utsläpp från köpt el, Scope 2, och tillverkningsutsläppen är uppströms, Scope 3.
Oavsett omfattning ligger den ultimata lösningen för användningsutsläpp i övergången till förnybara energikällor. Några av de största användarna av datateknik ligger långt före sina tillverkningskollegor i den omställningen. Google och Facebook började köpa förnybar el 2013.
Även om den totala energiförbrukningen i datacenter har ökat sedan dess har koldioxidutsläppen från den operativa energiförbrukningen minskat. En annan faktor i minskningen av utsläppen har varit den dramatiska ökningen av den beräkningsmässiga energieffektiviteten över branschens historia. I takt med att transistorerna blev mindre, snabbare och mer energieffektiva ökade antalet instruktioner som utfördes per watt. Denna trend har accelererat de senaste åren i takt med att efterfrågan på mer kapacitet och längre batterilivslängd i mobila enheter har lagt ytterligare tryck på att förbättra både prestanda och energieffektivitet.
Halvledarenheternas överlägset största inverkan på hållbarheten är deras bidrag till energieffektiviteten i hela ekonomin.
Halvledare – den grundläggande möjliggörande tekniken i modern elektronik – utgör den tekniska grunden för lösningar som främjar hållbarhet och energieffektivitet i praktiskt taget alla sektorer av ekonomin. Halvledare ökar energieffektiviteten och minskar utsläppen av växthusgaser inom transport, tillverkning, hälso- och sjukvård, uppvärmning och kylning och andra viktiga områden i ekonomin.
Ur nästan alla perspektiv, miljömässigt, ekonomiskt eller socialt, överväger fördelarna med avancerad elektronisk teknik långt kostnaderna.
COP26
IPCC:s evidensbaserade slutsatser är entydiga: människor orsakar uppvärmning av miljön. Dess förutsägelser är svåra, och kostnaderna för inaktivitet, både mänskliga och ekonomiska, överstiger långt kostnaderna för begränsning. Även om halvledarindustrin idag inte är en av de största utsläpparna av växthusgaser är våra utsläpp betydande och ökar snabbt.
Det finns åtgärder som kan ge kortsiktiga minskningar av växthusgasutsläppen från halvledartillverkningsprocessen, inklusive väldesignad PFC-reduktion och drift av vakuumpumpar i grönt läge. Den överlägset mest kritiska förändringen är en övergång till förnybara energikällor i hela branschen och i hela leveranskedjan. I och med USA:s återkomst till Parisavtalet inkluderar parternas konferens återigen alla större ekonomiska makter. Vi måste kräva samordnat ledarskap och ekonomiska åtaganden från våra nationella ledare och fortsätta att arbeta på alla nivåer, lokalt till globalt, för att minska utsläppen av växthusgaser.
DR CZERNIAK är Environmental Solutions Business Development Manager på Edwards Vacuum, där han under sin långa karriär tidigare har innehaft ett antal ledande befattningar. Han är även besökande professor i industrikemi vid Bristols universitet och representant för halvledarindustrin vid IPCC, där han deltog som granskare av den senaste utvärderingsrapporten (AR6).
REFERENSERNA
- Halvledarindustrin fortsätter att agera på klimatförändringarna, David Isaacs, VP Governmental Affairs, SIA Blog, Onsdag 7 juni 2017, 15:17 https:// www.semiconductors.org/semiconductorindustry-to-continue-action-on-climatechange/
- Gemensamt uttalande från det 25:e mötet 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
- Miljöavtrycket från logiska CMOS-tekniker – En DTCO-baserad analys, IMEC https://www.IMEC-int.com/ en/articles/environmental-footprint-logiccmos-technologies
- Chipindustrin har problem med sitt enorma koldioxidavtryck, Bloomberg Green, Alan Crawford, Ian King, och Debby Wu, 8 april 2021, 17:01 EDT https://www. bloomberg.com/news/articles/2021-04-08/ the-chip-industry-has-a-problem-withits-giant-carbon-footprint
- Datorchipindustrin har en smutsig klimathemlighet, The Gaurdian, Pádraig Belton, Sat 18 Sep 2021 08,00 EDT https:// www.theguardian.com/environment/2021/ sep/18/semiconductor-silicon-chipscarbon-footprint-climate