集微咨询：半导体制造业的绿色转型
随着地球暖化的状况日益严重，气候异常的变化也更加频繁。在第26届联合国气候大会(COP26)中，各国与会代表也达成了在2050年前将升温控制在1.5 C的共识，全球都朝着控制温室气体排放、加快建置再生能源、 并开发导入CCUS(碳排放的捕获、再利用、及封存)的负碳技术，进而达成2050年全球净零碳排目标加速前进。与此同时，人们也在省思是否无节制的生产与过度的消费造成了资源耗竭及环境污染，以致对地球产生不可逆的灾害，而强调物质回收再利用的”循环经济”模式也就成为落实永续发展理念的执行方向。
过去半个世纪，由于半导体产业的进步带动了通信技术的高速成长，除了提升人类生活的质量，也对全球经济的发展做出了重大的贡献。但是在制造半导体元件的过程中，也同时消耗了大量的能源与物资，并产生了可观的温室气体和废弃物的排放量。根据Sony Ericsson于2016年针对电子终端产品如Z5智能手机所做的碳足迹研究，在设计、 制造、 配销、 使用的生命周期中，制造部份的半导体生产环节产生了最高的碳排量，每台大约排放33kg的CO2 (如附图):
Source: "Life Cycle Assessment of a Smartphone"
- Ericsson Research &Sony Mobile Communications
作为高科技发展的核心高排碳领域，半导体行业责无旁贷必须导入绿色制造科技以达成节能减碳的目标。值得庆幸的是半导体行业早在1990年代就已由全球半导体联盟组织(World Semiconductor Council)提出永续发展指导原则，并订出产业自主管理规范，着重领域如水资源管理、能源管理、温室气体管理、废弃物管理等。其中成功的范例如制定并执行半导体制造设备节能基准的国际标准(SEMI S23) ，以及于2020年达成全氟碳化物(PFC)类温室气体排放量较2010年减少30%的目标等。
半导体行业近几年的发展受到众多全球宏观因素的冲击，如新冠疫情、地缘政治、物流阻塞、通货膨胀、俄乌战争等。除此之外，也有不少因极端气候所引起的自然灾害，如得州的异常暴风雪、及台湾五十多年未见的干旱缺水等， 不只考验半导体企业的供应链韧性及营运持续计划(Business Continuity Plan)的执行能力，也让半导体企业领导人更加注重控制地球升温这一个全球议题，种种挑战都在敦促业者减少碳足迹。如今许多全球半导体公司也纷纷设立永续长(CSO)职位，负责监督环境、社会、和公司治理(ESG)计划的执行成果，及发布公司年度永续发展报告。以下就分别从能源及资源管理的新发展趋势来说明半导体产业如何进行绿色转型：
能源管理: 采取气候行动
在温室效应受到全球瞩目的今天，温室气体排放议题已成为现代企业的经营成本与风险，半导体企业的减碳压力也因此与日俱增，也演化成为公司经营策略中重要的一环。在全球 ESG趋势及地球升温控制目标明确的大环境下，半导体企业不仅要持续节能及减少温室气体排放，也要同时提高再生能源使用比例。
半导体公司依照国际温室气体盘查议定书（GHG Protocol）中所规定应盘查登录之温室气体有三大范畴类别(如附图):
Source: "GHG Protocol：Technical Guidance for Calculating Emissions"
- World Resources Institute
● 范畴一(scope 1)：主要来自于生产制程或设施之直接排放，半导体厂在晶圆生产中所使用的一些沉积、蚀刻、和机台清洗用的气体即属此类。如包甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6) 、及三氟化氮(NF3)等气体。
● 范畴二(scope 2)：主要来自于能源(电力)利用之间接排放。依照各半导体公司的”电力使用量”乘以”电力系数”（依经济部能源局公告）即可转换成二氧化碳(CO2)的排放当量。而台电109年度之电力排碳系数为0.502公斤CO2e/度。
● 范畴三(scope 3)：主要是非自有之排放源所产生之排放，即所有上下游供应链伙伴所产生的碳排。
以台积电为例，最大排放来源是范畴二(scope 2)的用电; 其次是范畴三(scope 3)供应链的排放。而生产线的直接排碳范畴一(scope 1)占比最小，主要是因为台积电已透过制程优化、使用替代性的低GWP含氟气体、及增加安装尾气处理设备来降低排放，同时台积电也动员供应链上约 700多家厂商，通过全面供应链管理手法来推动到 2030年减少 20%的供应链碳排。此外台积电并要求制程设备商依照SEMI S23标准执行先进机台智慧节能措施。
而在导入绿能方面，台积电 2020 年已购买约 12.3 亿度再生能源凭证，并加入RE100国际倡议行动，承诺在2050年以前达到100%再生能源的使用。若依照其承诺的2050净零碳排路径图(如附图)的架构来分析，若无法完全由节能减排和绿能达到净零，也将会通过购买碳权及导入CCUS负碳技术来完成。
Source: "台积电减碳策略与行动"- 经济日报2022创新论坛「5G科技力，催动ESG永续力」
资源管理: 迈向循环经济
半导体厂资源管理的环境面向涉及企业的资源使用、废弃物管理、及绿色制造技术的发展等内容。近年来半导体产业很多企业都已经落实执行4R (Redesign重新设计、Reduce减量、Reuse再制、Recycle回收)理念。其中Redesign和Reduce 是从源头来减少资源消费，而Reuse和Recycle则是将制程废弃物再利用来达成循环经济的目标。
以水为例，半导体制程使用大量的超纯水来维持元件的洁净度，因而在易缺水的台湾时常引起各界对水供应稳定度的关注，也因此半导体厂不断精进废水回收技术。以台积电为例，就曾获得可持续水管理认证（AWS）的最高白金等级，一滴水可用 3.5 次。而在台积电最新的工厂中，水在最终排放前可循环使用七次。
而其他半导体液态制程物料如有机、无机、及配方化学品等也已经有很多成功案例:
● 现场回收和再利用IPA(异丙醇)溶剂
● 现场回收和再利用TMAH显影液
● 现场回收硫酸再制为硫酸铵原料
● 现场回收CMP研磨浆粒再制为二氧化硅原料
● 现场回收硫酸铜CuSO4电解液中的铜金属再制为PVD 铜靶材
而Redesign和Reduce 的成功案例也不少，都是由源头来通过制程优化和化学品替代，以达到减少资源消费及降低对环境的危害:
● 开发NMP-free清洗制程：通过导入环保化学成分，替代干蚀刻后的NMP清洗步骤。
● 安装机能水系统的稀释湿法制程：通过机能水系统将少量反应气体和高纯水进行混合，来减少湿化学品消耗。
结语
虽然目前不少半导体企业已经朝向节能减碳、及循环经济的发展方向做出不错的成绩，但面对来自多个利益相关方(如政府、投资人、社会大众、客户、及供应商等)日益严格对环境保护的期待与要求，半导体产业还有很大的进步空间。尤其气候变迁与地球环境等议题不仅局限于个别企业ESG领域的经营成果，更攸关人类整体命运。半导体产业在持续引领数字科技发展的同时，落实绿色制造科技的重要性也同样不容忽视。领导厂商如英特尔首席执行长Pat Gelsinger曾表示，优先考虑环境问题，不仅有助于公司实现长期价值，也与投资者、客户、员工等密切相关。 台积电高层也曾公开表示，减碳可为公司营运创造新发展机会、客户会有更多的减碳要求、投资人也会认同台积电是可持续发展的企业。
期待半导体产业致力于实践ESG措施的承诺，成功完成绿色转型的任务，扮演好落实碳中和及循环经济的领头羊角色，为建设更美好、更永续的世界做出更多的贡献！
