半導體行業計劃在未來幾年將大規模擴充產能，這無疑給全行業帶來了重大挑戰。未來，新的晶圓廠需要生產數量更多、設計更復雜、制造工藝更嚴苛的芯片，同時又要降低能耗和排放。而好消息是，應用材料公司的工程師和科學家們幾年前就已開始著手攻克這一挑戰。現在，我們每個季度都在加速并不斷取得進展。
本文考察了應用材料公司如何努力為芯片制造商開發工藝腔室、系統和軟件，借以提升晶圓廠的可持續性。更具可持續性的晶圓廠必然需要采用新一代設備，而這一切的起點就是設計思維的進化與轉變。
定義“績效表現”，將可持續性納入其中
改善“績效表現”是芯片制造業最常提及的目標之一。工程師專注于記分卡標準的最大化，這些標準包括設備吞吐量、制程均勻性和電氣特性等。現在，應用材料公司將可持續性也納入了晶圓廠的績效表現記分卡，并設計出專注于降低下列指標的系統：
·能源消耗
·化學品使用所產生的環境影響
·占地面積需求，即加工每單位晶圓所需的無塵室面積
2018年，應用材料公司創辦了“可持續發展卓越設計中心”，以引領半導體行業探索更清潔、更環保的制造方法。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計階段，就制定了降低工藝設備能耗與排放的策略。通過創建數字模型，我們還能把新的想法應用到現有的產品中。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物質用量，并以二氧化碳排放當量為單位來呈現。這樣一來，我們可以以真實全面的觀點來表現我們的減排措施所產生的效果。
2020年，我們進一步提高目標，宣布了針對制造系統的“3個30”目標——到2030年將每個晶圓等值能耗、化學品使用的環境影響以及潔凈室面積要求全部降低30%。
建模產生洞見
除了系統的直接電力需求之外，計算設備能源需求時還要考慮許多因素。例如，很多系統在冷卻時使用的冷水都需要在無塵室外產生，并泵送到整個晶圓廠。因此，如果能設計出熱效率更高的系統來減少冷水使用需求，并提高冷卻器和熱交換器的效率，晶圓廠便可實現節能。SEMI組織的S23指南為半導體制造設備中的這種等效能量轉換建立了標準。例如，該指南規定，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生的節能效益。長久以來，應用材料公司在這些行業標準的制定工作中很有發言權。事實上，其中一些標準也正是聘用我加入應用材料公司的工程經理所起草的。
有些晶圓廠設備數字模型包含了關鍵組件的等效能源需求，這些模型更全面地呈現了晶圓廠的整體能源狀況，并能有力幫助芯片制造商設法有效降低能耗，同時又不影響其他績效指標。
化學影響最小化
在半導體加工中更高效地使用化學品是一個值得追求的目標。但節約使用化學品也應有輕重主次之分，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，應用材料公司開發了一個用于建模的框架，以根據各種化學品導致的全球變暖效應來模擬我們的系統在使用相應化學品時所產生的環境影響。
生命周期清單（Life Cycle Inventory, LCI）數據模擬了材料生產周期（從原材料提取到交付，再到最終使用地點）產生的二氧化碳排放量。我們在產品中經常使用的許多化學品都有LCI數據可供查閱。氦氣和氬氣等惰性氣體盡管并非溫室氣體，但在生產和運輸到晶圓廠的過程中也會產生碳排放，這種排放有時被稱為“從搖籃到大門的碳足跡”。例如，來自Sphera的現有LCI數據顯示，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過程中構想出更為綠色環保的方案。
我們的框架還考慮了工藝腔室于減排后的排放（亦稱“從大門到墳墓的碳足跡”）。詳細的研究量化了半導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體行業常用的其他溫室氣體相對于二氧化碳的全球變暖潛能值
我們將這些模型結合起來，對化學品的使用形成了“從搖籃到墳墓”的全生命周期認識，并以此判斷最有利的機會來降低整體環境影響。我們把自己的分析與客戶分享，讓他們能夠把這些知識應用到各自的可持續發展工作中。
“從搖籃到墳墓”的范圍涵蓋了原料化學品的生產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可以更高效地利用高能耗共享資源，如空調、管道和材料。增加給定占地面積的系統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品類別進行系統設計工作，設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其可持續發展目標，并使今后的每一輪產能擴張都更具生態效益。
全行業共同努力
打造一個更具可持續性的半導體行業是一項需要全球協力應對的挑戰。我們的“3個30”目標所使用的指標將指引應用材料公司做出更明智的腔室、系統和工藝技術設計決策。
全球經濟需要更多的半導體，所以幾乎每家芯片制造商都在籌劃建設新的晶圓廠。從晶圓廠及其支持設備，到應用材料公司價值鏈上下游的各個環節，我們致力于同客戶和供應商一道推動全方位的可持續發展。掌握了正確的思維，我們這個行業必定能夠“實現更美好的未來”。
作者簡介：
Benjamin Gross, Ph.D.
Gross 博士是一位化學家和系統工程師，就職于應用材料公司可持續發展卓越設計中心。他為應用材料公司制造系統“3個30”目標提供了支持，負責監控效率改進目標進展情況。Gross博士擁有哥倫比亞大學博士學位、加州大學伯克利分校學士學位。
