時機正好：永續半導體製造
本文著筆之時，來自全球各地的科學家與政治領袖正為 COP 26 (2022 年 10 月) 進行準備。COP 26 全名為 26th Conference of Parties (COP) to the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)，即第 26 屆聯合國氣候變遷大會，於蘇格蘭格拉斯哥舉辦。COP26 是締約方第 5 年的檢討會議 (加上因 COVID-19 延期一年)，於會中更新關於限制人為全球暖化的計畫。
大部分的討論皆著眼於溫室氣體 (GHG) 的排放。半導體製造業的趨勢顯示排放量正在增加，尤其是與一般製造業相比。
GHG 排放量：一般與半導體製造
圖 1. 半導體製造的 GHG 排放量正在增加，而較傳統的製造業排放量則正在減少。
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許多半導體公司早已著手處理排放問題，此業界也持續在全球致力減少 GHG 排放的行動中扮演著領導者的角色。
巴黎協定
前次的重大會議 COP21 係於 2015 年在巴黎舉辦，促成了《巴黎協定》，締約各方皆同意協力將暖化幅度限制在高於工業時代前的全球平均溫度之 2°C 以內 (最好少於 1.5°C)。巴黎協定總共 196 個締約方各自提出了一份「國家自定貢獻」(NDC)，定義各自為達到整體目標而承諾採取之步驟。在 COP26 即是檢討和更新這些 NDC。
而在兩次會議之間最重大的發展，無疑就是美國在簽署協定後不久即脫離，以及在不久前回歸協定。IPCC 和 AR6 UNFCCC (聯合國氣候變遷綱要公約) 的工作，係依據 IPCC (政府間氣候變化專門委員會) 的分析與支援為基礎；IPCC 是由氣候科學家與氣候變遷專家所組成的跨國工作小組。另外，IPCC 還會定期發表 AR (評估報告)，而最新一期 AR6 是在 2021 年 8 月發表。
該報告的重要性來自於其達成幾乎一致共識的堅實結論，肯定氣候變遷確實存在、可測量且係人為造成。該報告包含詳細的預測，提出了人類若不減少氣候變遷相關活動，未來將無可避免的種種悲慘變化。
報告摘要中向政策制定者提出之重大結論包括
- 人類的影響已明確地緩化大氣層、海洋及陸地。在大氣層、海洋、冰凍圈及生物圈已發生大範圍且快速的變化。
- 近年以來整體氣候系統的變遷規模，以及氣候系統諸多層面的現況，在過去數世紀以至於數千年間皆前所未見。
- 人類引發的氣候變遷已在全球每一區域影響許多天氣與極端氣候。已觀察到的極端變化證據，如熱浪、暴雨、乾旱和熱帶氣旋，以及特別是其人類影響之歸因，自 AR5 以來皆已增強。
- 透過進一步瞭解氣候過程、古氣候證據及氣候系統對於輻射強迫提高的反應，可得平衡氣候敏感度最佳估計值為 3°C，範圍較前次 2014 年發表的 AR5 還窄。報告中還描述了 5 個不同程度的全球暖化所可能造成的後果，顯示暖化程度越高，其衝擊就越嚴重。
限制溫室氣體
對於限制全球暖化的討論，大多著眼於減少以並最終避免溫室氣體 (GHG) 的排放，也就是全球暖化背後的成因。
目前逐漸形成的共識中，認為需要某種形式的碳定價，強迫排放者支付因其劣化共同享有之環境所生成本，藉此向排放者施加經濟壓力。現階段，政策制定者仍難以確立運作此等計畫所需的基本概念和定義。
GHG 是從地表排放、會吸收紅外線 (IR) 輻射的氣體，當受到陽光加熱時，會保持熱能並提高大氣溫度。二氧化碳是主要溫室氣體，但此外亦有其他多種氣體。不同的氣體吸收紅外線輻射的效率不同，停留在大氣當中的時間也不一樣。
科學家使用全球暖化潛勢 (GWP) 來比較指定時間內由不同氣體造成的暖化。依定義，CO2 的 GWP 為 1。半導體產業常用的其他氣體 GWP 則高出許多：CH4 - 28、N2O - 265、CF4 - 6,630、NF3 - 16,100、SF6 - 23,500。二氧化碳當量 (CO2 e) 是另一個用於比較氣體的測量值。通常 CO2 e 以重量標示，代表會與指定氣體達到相同暖化程度的 CO2 量。計算 CO2 e 的方式是將指定氣體的重量乘以該氣體的 GWP。
溫室氣體盤查議定書 (GHGP) 訂定了標準化的架構以測量和管理 GHG 排放，這是進行任何碳定價或其他控管機制的先行條件。GHGP 定義了三個排放範疇，依排放量的擁有者及其在各個階段所擁有的控制程度而定。
- 範疇 1 — 申報公司所擁有或控制之營運的直接 GHG 排放 (鍋爐、車輛、製程氣體)。
- 範疇 2 — 申報公司購買或取得並消費之電力、蒸氣、加熱或冷卻之生產中由他者產生的間接 GHG 排放
- 範疇 3 — 申報公司價值鏈內發生的所有 (未含於範疇 2 的) 間接排放，包括上游 (供應商) 及下游 (運輸、分銷、倉儲)。
根據 IPCC 於 2018 年發表的特別報告結論，各國須於 2050 年前將二氧化碳排放量「淨零」，才能將全球化控制在工業時代前的 1.5°C 內範圍。淨零定義中應包含哪些氣體，目前無完整共識。這造成模糊，讓各國和組織機構依自己的條件定義淨零。在 2020 年 9 月，CDP (碳揭露計畫) 為科學基礎減量目標倡議 (SBTi) 開發了一套方法，依可靠的氣候科學來設定和評估淨零目標。
其他詞彙如「碳中和」，也用於描述 GHG 排放量，但不同定義之間的差異卻造成問題。例如，中國的「碳中和」定義僅包含 CO2 本身，而歐盟則採用「氣候中和」，其中包含所有的 GHG。另外尚有其他評估淨零與中和的方法，但其中的歧異問題卻未完全解決。CDP 明確定義了包含 GHGP 範疇 1、2 和 3 排放的淨零目標，且符合有科學根據的 1.5°C 目標。
半導體製造
半導體製造佔 GHG 排放量的少部分。例如，2015 年在美國佔工業來源溫室氣體 (GHG) 總排放量的 0.18%，且僅佔全 GHG 排放來源的 0.063% [1]。雖然半導體產業的排放量相對少，卻扮演了領導者的角色，協調全球行動降低 GHG 排放量。
範疇 1：直接排放 — PFC 的成功故事
歷史上，揮發性全氟化碳 (PFC) 化合物在半導體製造扮演重要角色，提供了蝕刻與腔體清洗時去除物料所需的活性氟原子。由於其穩定且在大氣中的存活期偏長的特性，因此也成為強力的溫室氣體，具高暖化潛力。
在 1999 年，全球暖化意識的初期，半導體製造商即已致力於減少 PFC 排放量，要在之後 10 年內將排放量降至低於各地區基準值至少 10%。到 2010 年，他們已實現 32% 的減少，遠超過最初目標。當時，他們更再度投入進一步的減少，訂定了比 2010 年基準更低 30% 的標準化排放率 (NER：每 cm2 矽晶的 CO2 e 公斤數)。
到 2020 年，他們已實現 22.9% 的減少，即便經歷了產品層數增加的複雜化，以及使用新氣體的先進蝕刻製程。WSC 現正致力訂定新的 10 年 PFC 減少目標，其中將利用 2019 年 IPCC 的最新方法來估算排放量 (圖 1)。PFC 是一個絕佳的案例，顯示在複雜的環境問題中尋求解決方法之時，會遭遇的各種挑戰。
減少 PFC 排放量的成功有兩大要因：在多種腔體清洗應用中改用非 PFC 的 NF3，以及導入減排技術，將洩出製程腔體的未消耗 PFC 氣體破壞。PFC 可使用電漿或燃料燃燒器破壞。電漿的優勢在於不因燃燒燃料而增加碳排放。但在實務上，選用何種技術常仍視電力和燃料的相對成本與可取得性而定。
即使有電力可用且相對符合成本效益，電力來源 (即煤或再生能源) 仍須納入淨零碳排範疇 2 的計算。不但如此，計算還會因燃燒器的設計而更複雜。NF3 本身雖不含碳，但在使用碳氫化合物燃料的明火燃燒下，仍會產生 PFC。
此問題源自於明火不同位置的溫度差異大，而解決辦法則是使用特別設計的燃燒器，稱為內燃式燃燒器，能在關鍵區域維持較一致的溫度，並將大部分含碳燃料從製程氣體分開。
範疇 2：間接排放 — 向非現場發電廠購買的電力
電子技術的普及，以及過去數十年間呈等比級數的成長，很容易就會使人認為，不久後電子產品的用電量將超越全世界可能的發電量。
事實上並非如此，但其重要性仍然不容忽視。在 2015 年，資通科技 (ICT) 佔全球約 5% 的能源需求。而到 2030 年，ICT 可能佔高達 20% 的全球需求，即使是最樂觀的預測也估計將成長至 7%。
電子科技所消耗的能源可分為兩部分：用於製造裝置的能源，這目前幾乎全部是向第三方供應商購買；以及用於操作這些裝置的能源。前者包含於 GHGP 範疇 2，後者則屬範疇 3。有趣的是，且和認為電腦不久後將消耗全世界能產生所有電力的末日預言相反，最近的一份分析結論指出，用於製造裝置的範疇 2 電力遠遠超越
用於操作裝置的範疇 3 電力。
半導體製造商長久以來一直對於其製程所需的大量電力非常敏感，即使非因環境考量，也還有成本觀點。大多數估算結果中，晶圓廠製程設備所消耗的能源略低於其總量的一半。而其中又約一半是用於許多製程運作所必須，維持真空條件的泵浦。
泵浦的製造商也自產業初期即持續改善產品的能源效率。新的機制、更高軸轉速度、變頻器技術和新的材料都有所幫助。較簡單的地方大多在多年前就已經改善，但仍有些地方還能再做進一步的改善。
其中最具潛力的一項，就是導入閒置運作模式，有時亦稱為節能模式，在其所服務製程處於閒置時，將泵浦置於低功耗狀態。最大的挑戰是晶圓廠中的製程設備必須與子晶圓廠中的泵浦間密切協調。
目前已有技術能支援此協調，而在導入中遭遇的部分阻力，則來自廠商不願對於高良率高產能製程做任何改變的心態。節能運作模式能提供近程的 GHG 排放量減少，而無需對現行製程做本質上的改變。
可惜的是，目前在先進節點即將上線的其他製程卻可能會大幅提高用電量；其中包括 EUV 微影，用電量約達傳統 193nm 浸潤式微影的 10 倍之多。其中有其他緩和要素，例如減少製程步驟。但根據 IMEC 分析 [4]，從 28nm 節點提升到 2nm 節點的過程當中，估計每片晶圓的用電量提升 3.46 倍，而 GHG 排放量提升 2.5 倍。
第一家在高產量製程中導入 EUV 微影的一家晶圓製造大廠，發現原本維持多年在稍低於 10KWH 的標準化用電量 (KWH/8 吋晶圓光罩層當量)，於 2019 年增加超過 25%，達到 12.5KWH。
雖然半導體製造趨勢明顯將提升用電量 (圖 3)，但解決方法也同樣明確。用電必須改用再生的來源。
主要製造商都知道這個答案。在 2020 年，前述的製造廠簽下全世界最大的再生能源購買合約，在 20 年中購買附近建造中的 920 百萬瓦離岸風力發電場的全部發電量，並決定於 2050 年前改用 100% 再生能源 [6]。美國最大的 IDM 也決定將於 2030 年前改用 100% 再生能源。其他主要廠商也已做出類似決定，只是一如往常，魔鬼藏在細節裡。
範疇 3：上游/下游
範疇 3 的指定變得比較困難，因為是看誰在做計算。對於製造商而言，提供資料中心使用者用電的發電 GHG 排放是屬於範疇 3 下游。對於資料中心而言，此 GHG 是購買的電力產生的間接排放，屬於範疇 2，然後製造過程中的排放則是範疇 3 上游。
無論範疇，用電排放的最終解答還是在於改用再生能源。在這方面，一些最大規模的運算技術使用者早已改用，領先製造業許久。Google 和 Facebook 在 2013 年即開始購買再生能源。
雖然其後整體資料中心用電提高，營運用電的碳排放量卻減少。另一個減少排放量的要因，就是業界多年來的運算用電能源效率大幅提升。當電晶體越小、越快、越節能，每瓦電力所能執行的指令就隨之增加。近年更因行動裝置對於更大容量和更長電池續航力的需求，產生同時改善效能與能源效率的額外壓力，而使此趨勢更加速發展。
目前半導體裝置在促進永續發展的最大影響，就是在整個經濟體每一個層面對於節能所做出的貢獻。
半導體是現代電子產品的基礎技術，為經濟體中幾乎每一個產業提供了改進永續性與節能所需的技術基礎。半導體能為運輸、製造、醫療、加熱與冷卻以及其他各大經濟領域，提升能源效率並減少 GHG 排放量。
無論從環境、經濟或社會等任何觀點來看，先進的電子技術所帶來的下游效益皆遠高於其成本。
COP26
IPCC 以證據為基礎的結論無庸置疑：人類造成了環境暖化。其預測的情境嚴重，而若不作為，對於人類和經濟的後果，將遠遠超過緩解的成本。半導體產業目前雖非溫室氣體排放的大宗，但我們的排放量可觀且正快速成長。
目前有措施可以在短期減少半導體製程的 GHG 排放量，包括設計良好的 PFC 減排和節能模式真空泵浦運作。但目前最關鍵的改變，仍是業界及供應鏈全面改用再生能源。如今美國回歸巴黎協定，締約成員再次包含了所有重要經濟體。我們必須堅定要求各國領袖彼此協調，並投入資金，從地方到全球的所有層面持續努力，降低 GHG 排放量。
CZERNIAK 博士是愛德華真空的環境解決方案業務開發經理，擁有多年以來擔任多種領導職位的經歷。他同時也是布里斯托大學的化學客座產業教授，並在 IPCC 擔任半導體產業代表，曾於最近的評估報告 (AR6) 擔任審查員。
參考文獻
- Semiconductor Industry to Continue Action on Climate Change (半導體產業繼續為氣候變遷採取行動)，David Isaacs，政府事務副總裁，SIA 部落格，2017 年 6 月 7 日星期三 15:17，https:// www.semiconductors.org/semiconductorindustry-to-continue-action-on-climatechange/
- Joint Statement of the 25th Meeting of the World Semiconductor Council (第 25 屆世界半導體理事會共同聲明) http://www. semiconductorcouncil.org/wp-content/ uploads/2021/08/FINAL-25th-WSC-JointStatement_0602.pdf
- Chasing Carbon: The Elusive Environmental Footprint of Computing (追跡碳排：運算難以捉摸的環境足跡)，Udit Gupta 等人，IEEE 高效能電腦架構國際研討會 (HPCA 2021) https://ugupta.com/files/ ChasingCarbon_HPCA2021.pdf
- The environmental footprint of logic CMOS technologies - A DTCO-based analysis (邏輯 CMOS 技術的環境足跡 — 以 DTCO 為基礎的分析)，IMEC https://www.imec-int.com/ en/articles/environmental-footprint-logiccmos-technologies
- The Chip Industry Has a Problem With Its Giant Carbon Footprint (晶片產業的巨大碳足跡是一大問題)，Bloomberg Green，Alan Crawford、Ian King 和 Debby Wu，2021 年 4 月 8 日 17:01 EDT https://www. bloomberg.com/news/articles/2021-04-08/ the-chip-industry-has-a-problem-withits-giant-carbon-footprint
- The computer chip industry has a dirty climate secret (電腦晶片產業有個骯髒的氣候秘密)，The Gaurdian，Pádraig Belton，2021 年 9 月 18 日 星期六 08.00 EDT https:// www.theguardian.com/environment/2021/ sep/18/semiconductor-silicon-chipscarbon-footprint-climate