为晶圆厂绩效的定义增添可持续性

最初由应用材料公司发布

作者：本杰明·格罗斯博士

半导体行业面临着重大挑战，因为它计划在未来几年进行大规模产能扩张。新的晶圆厂将需要生产更多数量日益复杂的芯片，并采用更严格的工艺制造，同时使用更少的电力并产生更少的排放。幸运的是，应用材料公司的工程师和科学家几年前就报名参加了这一挑战，并且我们每个季度都取得了更多进展。

这是关于如何以新方式构思和装备晶圆厂以促进可持续发展行业的一系列博客文章中的第二篇。在上一篇文章中，我的同事检查了位于生产车间下方（称为副晶圆厂）区域的支持设备，并解释了应用材料公司的 iSystem™ 如何为台积电等芯片制造商提高效率、减少排放和降低能耗。

这篇文章考察了 Applied 致力于通过我们为芯片制造商开发的工艺室、系统和软件来推动晶圆厂的可持续发展。更可持续的晶圆厂将需要新一代设备，而这一切都始于这些系统设计方式的转变。

定义“绩效”以纳入可持续性

提高“性能”是芯片制造领域最常表达的目标之一。工程师专注于最大化记分卡标准，包括工具吞吐量、工艺均匀性和电气特性等。应用材料公司现在将可持续发展纳入其绩效记分卡，并设计系统，重点关注最大限度地减少：

能源消耗， 化学品使用对环境的影响，以及 占地面积强度，或处理每单位晶圆所需的洁净室空间量

2018 年，应用材料公司创建了可持续发展卓越设计中心，帮助引领半导体行业寻找更清洁、更环保的制造方式克方法。使用专有的建模工具，我们的专家在设计阶段（在切割第一块金属以构建原型之前）制定工艺设备的功耗和减排策略。创建数字模型还可以将新想法应用于该领域现有的产品。借助这些功能，我们可以根据等效二氧化碳排放量对晶圆加工中的能源和化学品使用进行建模，从而能够全面了解我们减排工作的影响。

2020 年，我们加大了赌注，宣布了针对制造系统的“3 by 30”计划。以每片晶圆为基础，应用材料公司的目标是到 2030 年将等效能源消耗、化学品使用的环境影响和洁净室面积要求减少 30%。

建模产生洞察力

计算设备能源需求不仅包括系统的直接电力需求，还包括许多因素。例如，许多系统需要用洁净室外产生并泵送至整个晶圆厂的冷冻水进行冷却。这意味着可以通过设计热效率更高的系统来减少对冷冻水的需求以及提高冷却器和热交换器的效率来节省能源。 SEMI 组织的 S23 指南为半导体制造设备中的此类等效能量转换制定了标准。例如，指南规定，每使用 1,000 升超纯水需要消耗 9.0 kWh 的能源，才能将水净化至工厂规格，这为我们提供了一种方法来量化减少用水量所节省的能源。应用材料公司长期以来一直在制定这些行业标准方面拥有发言权。事实上，其中一些是由将我招聘到应用材料公司的工程经理起草的。

晶圆厂设备的数字模型包含关键部件的等效能源需求，可提供更全面的能源需求视图晶圆厂的景观，对于帮助芯片制造商确定如何有效降低能源消耗而不影响其他性能指标非常有价值。

最大限度地减少化学影响

在半导体加工中更有效地使用化学品是一个值得追求的目标，但决定一种化学品是否比另一种化学品更重要并不总是那么简单。为了帮助解决这个问题，应用材料公司开发了一个框架，用于模拟我们系统中化学品的使用与该化学品对全球变暖的贡献之间的影响。

生命周期清单 (LCI) 数据对材料生产周期（从原材料提取到交付到最终使用地点）产生的二氧化碳排放进行建模，适用于我们产品常用的许多化学品。即使是氦气和氩气等非温室气体的惰性气体，在其生产和运输到晶圆厂的过程中也会产生碳排放——有时被称为“从摇篮到大门”脚印。例如，Sphera 提供的 LCI 数据显示，氦气的碳强度大约是同等体积氩气的八倍。这些见解帮助我们的工程师在工艺开发过程中构思出更环保的配方。

我们的框架还考虑了处理室减排后的排放（或“从大门到坟墓”的足迹）。详细研究量化了半导体制造中使用的几种温室气体相对于二氧化碳的全球变暖潜势 (GWP)（见图 1）。

图 1：碳氟化合物和整个半导体行业常用的其他温室气体的 100 年全球变暖潜力（相对于二氧化碳的质量）。

我们将这些模型结合起来，形成了我们对化学品使用从摇篮到坟墓的看法（见图 2），并帮助确定减少总体环境影响的最佳机会。我们与客户分享我们的分析rs，以便他们可以将这些知识应用到自己的可持续发展工作中。

图 2：从摇篮到坟墓的信封反映了输入化学品的生产和运输以及晶圆加工排放减少后对全球变暖的影响。

小就是大

占地面积是提高晶圆厂可持续性的一个重要杠杆点，但有时却被低估了。简而言之，洁净室占地面积较小的系统可以更有效地利用共享的耗能资源，例如空调、管道和材料。通过增加给定占用空间的系统的吞吐量可以获得额外的收益。

我们正在为一些主要产品类别进行系统设计，可以将每处理单位晶圆的占地面积减少 20%。这些改进反过来将帮助我们的客户实现他们自己的可持续发展目标，使每一波新的产能扩张浪潮更具生态效率。

需要一个行业

创建更加可持续的半导体行业是一项全球性的合作挑战，我们的 3 by 30 计划中使用的指标将指导应用材料公司为我们的腔室、系统和工艺技术做出更好的设计决策。 

全球经济需要更多的半导体，几乎每个芯片制造商都在筹划新的晶圆厂。  我们致力于与客户和供应商合作，推动晶圆厂、晶圆厂下方以及应用材料公司整个价值链上下游的可持续发展。凭借正确的心态，作为一个行业，我们真的可以让“Makepossible®”创造更美好的未来。

查看我们最新的可持续发展报告，详细了解我们的努力。

应用材料公司 晶圆厂系统 纳斯达克股票代码：AMAT 半导体