半導(dǎo)體行業(yè)計劃在未來幾年將大規(guī)模擴充產(chǎn)能，這無疑給全行業(yè)帶來了重大挑戰(zhàn)。未來，新的晶圓廠需要生產(chǎn)數(shù)量更多、設(shè)計更復(fù)雜、制造工藝更嚴(yán)苛的芯片，同時又要降低能耗和排放。而好消息是，應(yīng)用材料公司的工程師和科學(xué)家們幾年前就已開始著手攻克這一挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，我們每個季度都在加速并不斷取得進展。

本文考察了應(yīng)用材料公司如何努力為芯片制造商開發(fā)工藝腔室、系統(tǒng)和軟件，借以提升晶圓廠的可持續(xù)性。更具可持續(xù)性的晶圓廠必然需要采用新一代設(shè)備，而這一切的起點就是設(shè)計思維的進化與轉(zhuǎn)變。

定義“績效表現(xiàn)”，將可持續(xù)性納入其中

改善“績效表現(xiàn)”是芯片制造業(yè)最常提及的目標(biāo)之一。工程師專注于記分卡標(biāo)準(zhǔn)的最大化，這些標(biāo)準(zhǔn)包括設(shè)備吞吐量、制程均勻性和電氣特性等。現(xiàn)在，應(yīng)用材料公司將可持續(xù)性也納入了晶圓廠的績效表現(xiàn)記分卡，并設(shè)計出專注于降低下列指標(biāo)的系統(tǒng)：

?能源消耗

?化學(xué)品使用所產(chǎn)生的環(huán)境影響

?占地面積需求，即加工每單位晶圓所需的無塵室面積

2018年，應(yīng)用材料公司創(chuàng)辦了“可持續(xù)發(fā)展卓越設(shè)計中心”，以引領(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)探索更清潔、更環(huán)保的制造方法。利用專利建模工具，我們的專家在原型建造工作還遠未開始的設(shè)計階段，就制定了降低工藝設(shè)備能耗與排放的策略。通過創(chuàng)建數(shù)字模型，我們還能把新的想法應(yīng)用到現(xiàn)有的產(chǎn)品中。憑借這些能力，我們能夠模擬晶圓加工過程中的能源和化學(xué)物質(zhì)用量，并以二氧化碳排放當(dāng)量為單位來呈現(xiàn)。這樣一來，我們可以以真實全面的觀點來表現(xiàn)我們的減排措施所產(chǎn)生的效果。

2020年，我們進一步提高目標(biāo)，宣布了針對制造系統(tǒng)的“3個30”目標(biāo)——到2030年將每個晶圓等值能耗、化學(xué)品使用的環(huán)境影響以及潔凈室面積要求全部降低30%。

建模產(chǎn)生洞見

除了系統(tǒng)的直接電力需求之外，計算設(shè)備能源需求時還要考慮許多因素。例如，很多系統(tǒng)在冷卻時使用的冷水都需要在無塵室外產(chǎn)生，并泵送到整個晶圓廠。因此，如果能設(shè)計出熱效率更高的系統(tǒng)來減少冷水使用需求，并提高冷卻器和熱交換器的效率，晶圓廠便可實現(xiàn)節(jié)能。SEMI組織的S23指南為半導(dǎo)體制造設(shè)備中的這種等效能量轉(zhuǎn)換建立了標(biāo)準(zhǔn)。例如，該指南規(guī)定，每使用1000升超純水，就要消耗9.0千瓦時的能源來將水凈化到晶圓廠要求的純度，這就為我們提供了一種手段來量化計算減少水耗所產(chǎn)生的節(jié)能效益。長久以來，應(yīng)用材料公司在這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作中很有發(fā)言權(quán)。事實上，其中一些標(biāo)準(zhǔn)也正是聘用我加入應(yīng)用材料公司的工程經(jīng)理所起草的。

有些晶圓廠設(shè)備數(shù)字模型包含了關(guān)鍵組件的等效能源需求，這些模型更全面地呈現(xiàn)了晶圓廠的整體能源狀況，并能有力幫助芯片制造商設(shè)法有效降低能耗，同時又不影響其他績效指標(biāo)。

化學(xué)影響最小化

在半導(dǎo)體加工中更高效地使用化學(xué)品是一個值得追求的目標(biāo)。但節(jié)約使用化學(xué)品也應(yīng)有輕重主次之分，而判斷這種輕重主次有時并非易事。為幫助晶圓廠解決這個問題，應(yīng)用材料公司開發(fā)了一個用于建模的框架，以根據(jù)各種化學(xué)品導(dǎo)致的全球變暖效應(yīng)來模擬我們的系統(tǒng)在使用相應(yīng)化學(xué)品時所產(chǎn)生的環(huán)境影響。

生命周期清單（Life Cycle Inventory, LCI）數(shù)據(jù)模擬了材料生產(chǎn)周期（從原材料提取到交付，再到最終使用地點）產(chǎn)生的二氧化碳排放量。我們在產(chǎn)品中經(jīng)常使用的許多化學(xué)品都有LCI數(shù)據(jù)可供查閱。氦氣和氬氣等惰性氣體盡管并非溫室氣體，但在生產(chǎn)和運輸?shù)骄A廠的過程中也會產(chǎn)生碳排放，這種排放有時被稱為“從搖籃到大門的碳足跡”。例如，來自Sphera的現(xiàn)有LCI數(shù)據(jù)顯示，氦的碳密集度大約是同等體積氬的八倍。這些洞見有助于我們的工程師在工藝開發(fā)過程中構(gòu)想出更為綠色環(huán)保的方案。

我們的框架還考慮了工藝腔室于減排后的排放（亦稱“從大門到墳?zāi)沟奶甲阚E”）。詳細的研究量化了半導(dǎo)體制造中使用的幾種溫室氣體相對于二氧化碳的全球變暖潛能值（Global Warming Potential, GWP）。

100年時間跨度里碳氟化合物以及半導(dǎo)體行業(yè)常用的其他溫室氣體相對于二氧化碳的全球變暖潛能值

我們將這些模型結(jié)合起來，對化學(xué)品的使用形成了“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜芷谡J(rèn)識，并以此判斷最有利的機會來降低整體環(huán)境影響。我們把自己的分析與客戶分享，讓他們能夠把這些知識應(yīng)用到各自的可持續(xù)發(fā)展工作中。

“從搖籃到墳?zāi)埂钡姆秶w了原料化學(xué)品的生產(chǎn)和運輸對全球變暖的影響，以及減排后的晶圓加工排放

小即是大

占地面積是提高晶圓廠可持續(xù)性的一個重要杠桿點，但有時未被重視。簡而言之，潔凈室占地面積更小的系統(tǒng)可以更高效地利用高能耗共享資源，如空調(diào)、管道和材料。增加給定占地面積的系統(tǒng)吞吐量可以獲得額外的效益。

我們正在針對公司的一些主要產(chǎn)品類別進行系統(tǒng)設(shè)計工作，設(shè)計完成后可將加工每單位晶圓的占地面積減少20%。這些改進將幫助我們的客戶實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，并使今后的每一輪產(chǎn)能擴張都更具生態(tài)效益。

全行業(yè)共同努力

打造一個更具可持續(xù)性的半導(dǎo)體行業(yè)是一項需要全球協(xié)力應(yīng)對的挑戰(zhàn)。我們的“3個30”目標(biāo)所使用的指標(biāo)將指引應(yīng)用材料公司做出更明智的腔室、系統(tǒng)和工藝技術(shù)設(shè)計決策。

全球經(jīng)濟需要更多的半導(dǎo)體，所以幾乎每家芯片制造商都在籌劃建設(shè)新的晶圓廠。從晶圓廠及其支持設(shè)備，到應(yīng)用材料公司價值鏈上下游的各個環(huán)節(jié)，我們致力于同客戶和供應(yīng)商一道推動全方位的可持續(xù)發(fā)展。掌握了正確的思維，我們這個行業(yè)必定能夠“實現(xiàn)更美好的未來”。

作者簡介：

Benjamin Gross, Ph.D.

Gross 博士是一位化學(xué)家和系統(tǒng)工程師，就職于應(yīng)用材料公司可持續(xù)發(fā)展卓越設(shè)計中心。他為應(yīng)用材料公司制造系統(tǒng)“3個30”目標(biāo)提供了支持，負責(zé)監(jiān)控效率改進目標(biāo)進展情況。Gross博士擁有哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位、加州大學(xué)伯克利分校學(xué)士學(xué)位。