半导体污染悖论！-先进光半导体

　　最近，由于比利时政府提高了过氟化物的环保排放标准，占全球产能80%的冷却剂制造工厂3M被责令“无期限关闭”。半导体生产造成的环境污染与全球低碳的目标一直有冲突，而这次的无期限关闭只是半导体生产与环保冲突的一个极端缩影。

　　高科技，高污染?

　　半导体工业是能源、水、化学品和原材料的资源密集型产业。在制造过程中，会产生不同种类的排放物，包括像二氧化碳和含氟化合物这类的温室气体。半导体繁复的制程导致了半导体制造工业的特殊性,其生产线所产生的废弃物如不妥善处理,将对外围自然环境造成难以挽回的负面影响。

　　随着全球对硅芯片的旺盛需求，从智能手机、平板、新能源汽车与智能家具等各种产品中都需要硅芯片。但现在的半导体行业出现了一个悖论：全球环保目标需要依靠半导体实现，但芯片本身的制造却造成了环境污染。

　　巨大的耗电量

　　芯片制造业是一个巨大的资源消耗型行业，芯片制造工艺繁多，从硅片制造、芯片设计、晶圆制造再到封装测试，前前后后所需进行的工艺程序不下上千步，其中，不少制造工序对用电量都有巨大的需求。

　　根据台积电发表的《台积公司2020年度气候相关财务揭露报告》，2020年，台积电的用电量为169亿度，比2019年增长了18%，超过整个台北市的用电量。而中国台湾全年的用电量为2710亿度，相当于台积电一家就消耗了中国台湾近6%的电力。预计到2022年，这个数字将上升至7.2%。

　　而中国台湾明确在2025年前弃核，其发电的选择只剩下煤电和气电，在2030年减少20%的碳排放、2050年减排50%的目标下，中国台湾电力公司建设煤电机组也被民众投诉污染。

　　吞水巨兽

　　半导体产品在制造过程中需要依赖大量的水源，尤其是半导体制造要使用超纯水(Ultrapurewater)，而制作超纯水的过程要使用几倍的自来水，用水量相当惊人。

　　半导体生产到底需要多少水?数据显示，在产能在4万片每月的200mm晶圆厂中，一天用水量约为8000到10000吨，其中70%是用来生成超纯水。但是到16nm，7nm工艺，同样产能为4万片的12英寸晶圆厂，每天用水量大概是20000吨。

　　台积电新竹、中部、南部三个厂区每日用水量分别为5.7万吨、5.4万吨和8.2万吨。尽管台积电已实现86%的废水回收利用率，平均每升水可重复利用3-4次，但仍然消耗巨大。2020年台积电消耗了约7000万吨水，2021年中国台湾又遭遇了半个世纪以来最严重的干旱。为了保住“用水大户”半导体产业，中国台湾采取多种措施，如抽取地下水、休耕停灌大量农田等，自此台积电的用水问题成为了一个有争议的话题——芯片制造商与农民争夺水资源。

　　废弃物排放

　　在美国，英特尔位于亚利桑那州奥科蒂洛的700英亩园区在去年前三个月产生了近15000吨废物，其中约60%是危险的。它还消耗了9.27亿加仑淡水，足以填满大约1400个奥林匹克游泳池，并使用了5.61亿千瓦时的能源。

　　哈佛研究员UditGupta和合著者在2020年的一篇论文中写道，“芯片制造占电子设备碳排放的大部分，而不是能源消耗或硬件使用。”

　　不同企业推出不同环保措施

　　近年来，包括美国、日本、韩国、中国等国家和地区相继公布实现碳中和的时间，欧盟和美国的目标都是到2030年实现净零碳排放，到2050年实现净零排放。

　　随着半导体行业的发展，其碳足迹也会随之增长。可再生能源的更大可用性正在帮助芯片制造商减少碳足迹。

　　英特尔承诺到2030年从可再生能源中获取100%的能源，2017年，英特尔设立了新的环保目标——到2025年，其全球用水实现100%回收再利用，并在目前取得一定进展。

　　英特尔正在稳步推进实现2020年温室气体排放目标——到2020年，温室气体排放量比2010年降低10%。英特尔的直接温室气体排放强度比2010年下降了20%。

　　台积电承诺到2050年从可再生能源中获取100%的能源。台积电在中国台湾50多年来最严重干旱时期做出来承诺，设定了废物管理策略与目标——到2030年每片12英寸等效晶圆掩模层外包单位废弃物处理量≤0.5公斤，即40万吨/年。

　　台积电成立ESG指导委员会，由董事长刘德音领衔，多部门高管在内，负责长期可持续发展规划。该委员会成立于2020年，并誓言该公司将在2050年之前实现碳中和——即在全球运营中采用100%可再生能源。

　　SK海力士将运用生命周期评估系统(LifeCycleAssessment,简称LCA),评估和改善产品在其整个生命周期内的耗水量和环境影响。2021年，SK海力士将争取从一些老旧废水处理设备处理排放的废水整合到更先进的综合废水处理设备，改善排放水的质量。

　　目前,SK海力士将法定标准中主要水质指标——生化需氧量(BiochemicalOxygenDemand,简称BOD)控制在国家标准的10%以内(国家标准30mg/、公司标准2.4mg/),并仍在继续加大投入和维护力度。

　　全球知名的功率半导体企业英飞凌更在2020年率先承诺实现碳中和，并制定“有约束力的减排目标”：到2025年将二氧化碳排放量较2019年降低70%，到2030年实现碳中和。

　　在碳中和政策下，半导体应该如何发展?

　　中国半导体行业协会副理事长、集成电路分会理事长叶甜春表示:“目前中国制造业全球规模最大，作为世界工厂，大量能源被消耗，每个环节都有加强资源管理的空间。”

　　我国接连发布了两份与“双碳”相关的文件，指明了未来绿色低碳发展方向，即二氧化碳排放力争于2030年达到峰值，并努力争取2060年实现碳中和。这一目标需要包括半导体企业在内的所有行业共同努力。

　　未来集成电路的生命周期评估

　　减少资源占用可能还会保证业务的连续性--例如，如果涉及到稀缺的材料—也许会给公司带来竞争优势。如今，许多公司依靠诸如生命周期评估(LCA)等方法来评估产品的环境影响，从材料采购到寿命结束。生命周期清单(LifeCycleInventory,LCI)数据模拟了材料生产周期(从原材料提取到交付，再到最终使用地点)产生的二氧化碳排放量。

　　然而，目前的LCA方法还远远不够精确和完整，特别是在集成电路方面。最新公布的关于芯片制造中使用的气态平衡和能量流的信息，针对的是32纳米技术节点--这是2010年代的主流技术。

　　绩效表现，将可持续性纳入其中

　　2018年，应用材料公司创办了“可持续发展卓越设计中心”，以引领半导体行业探索更清洁、更环保的制造方法。通过创建数字模型，能把新的想法应用到现有的产品中。模拟晶圆加工过程中的能源和化学物质用量，并以二氧化碳排放当量为单位来呈现。这样一来，可以以真实全面的观点来表现我们的减排措施所产生的效果。

　　2021年，三星在内部绩效评估中增加了一个可持续性类别，以激励管理层和员工在各个领域全面贯彻可持续性要求。随着我们继续在各个领域推广可持续性实践，我们计划发展并完善可持续性类别项目，以确保评估和薪酬的公平性。

　　第三方可再生能源生产商

　　此外，对于能源来讲，我们不得不提到可再生能源，比如从晶圆厂附近的第三方可再生能源生产商购买电能和利用工厂内部安装的太阳能发电等。以意法半导体在摩洛哥的工厂为例，那里装了很多风力发电机，目前已经能为整个工厂提供50%的电力，而下一个目标是让这个比例提升至90%，此外在摩洛哥厂区停车场上还建有最大的私有太阳能发电设备，确保可再生能源的安全供给，当然必要的时候还是需要从外部采购可再生能源。

　　再用、回收

　　可再生能源不止是水、电，还包括非常重要的垃圾管理策略。垃圾管理策略的基础是减量、再用、回收、消除和处理。事实上，半导体产业是一个生态圈，有时候晶圆厂自己做到了尽量的节能减碳，但是其外部利益相关者在这个问题上的成熟度其实不是均衡分布的，所以需要整个生态系统内的协同合作。

　　生产与节能并重

　　在全球缺芯的浪潮下，芯片行业不但面临极大的制造需求，同时减少碳排放，采用再生能源也十分重要。在《巴黎协议》签署五周年之际，中国向世界宣示了2030年前实现碳达峰，2060年前力争实现碳中和的国家目标。

　　在半导体帮助低碳的同时，我们同样关注半导体制造的过程。不同国家都在努力，关注扩大运营规模的同时减少排放。

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