半導體綠色智能工廠的升級及實現

摘要：半導體產業積極推動節能減碳，以符合國際淨零碳排目標。半導體廠在範疇一減碳技術的方法包括減少、取代、回收和去除溫室氣體排放。在範疇二則常見透過智慧製造應用方案提高設備能源效率，使用多重感測器搭配智慧預防診斷、即時監控和量測、機聯網、AI運算和遠距服務系統等，增進產能和良率，同時減少平均單片晶圓的能耗量。未來，臺灣設備業者應主動在機台加裝減排和智慧氣體監控系統；建立碳盤查與減碳路徑，制訂短中長期減碳技術策略；取得證書，或是加入綠色製造相關聯盟，確保在半導體綠色供應鏈中不缺席。
Abstract：The semiconductor industry actively promotes energy saving and carbon reduction to meet the international net zero carbon emissions targets. In Scope 1, the carbon reduction technologies for semiconductor fabs include reduction, substitution, recycling, and removal of greenhouse gas emissions. In Scope 2, it is common to improve the energy efficiency of equipment through smart manufacturing applications, use multiple sensors with intelligent preventive diagnosis, real-time monitoring and measurement, machine networking, AI computing and remote service systems, etc., to increase production capacity and yield, while reducing average energy consumption per wafer. In the future, Taiwanese equipment manufacturers should take the initiative to install emission reduction and smart gas monitoring systems on their machines; Establish the carbon footprint verification process and reduction paths, and formulate short, medium and long-term carbon reduction technology strategies. Obtain a certificate or join a green manufacturing-related alliance to ensure that you are not absent in the semiconductor green supply chain.

關鍵詞：半導體設備、智慧製造、綠色製造
Keywords：Semiconductor equipment, Smart manufacturing, Green manufacturing

前言
全球繁忙的經濟活動同時也造成溫室氣體排放，長期下來對全球氣候與環境的巨大影響已經引起政府和企業的重視。所以聯合國氣候大會呼籲各國採取更積極行動來降低溫室氣體排放，期望將全球因溫室氣體增加導致的溫升控制在1.5°C以內。
2021年於英國格拉斯哥(Glasgow)舉辦COP26會議，21,967位締約國代表，14,033間機構代表及3,781位媒體，達成「格拉斯哥氣候協議(Glassgow Climate Pact)」。主要達成全球甲烷氣承諾，2030年相較於2020年降低30%；推動綠色金融，共有450家金融機構，共130兆美元資產，2050年實現淨零；推動交通淨零，2040年車輛零排放，2050年航空碳中和，2030年零碳船舶和燃料商業化。所有締約國必須在2025年繳交2035年減量目標，2030年繳交2040年減量目標。
身為全球和臺灣製造業的領頭羊，半導體產業也盡力推動節能減碳措施，協助達成各國淨零碳排目標。許多跨國公司及大型企業，為達成本身ESG (環境、社會、企業治理)與淨零碳排目標，也會要求相關原物料、零組件、設備等供應鏈廠商，要更積極配合進行淨零碳排。例如台積電(TSMC)就要求數百家設備供應商在2030年前需要將供應給台積電的設備能源效率提高20% [1]。
半導體綠色工廠的實現
根據Gartner數據指出，全球半導體市場2022年將達到6,760億美元，表示在這些高速運算、新興能源產品、高頻通訊、物聯網等產品規格精進之下，半導體設備的需求量能也快速地擴充。根據SEMI預估，全球半導體設備市場已經是規模上千億美元的龐大產業，加上在地緣政治晶片自主、供應鏈強化的過程中，半導體設備已經成為國家戰略物資和高科技發展的競合手段。
然而半導體設備在運作的過程中，其實需要大量的水、電、氣體、化學品供應，對環境造成很大的影響。因此，很早開始，半導體產業就開始著手節能減排的相關約束和措施，尤其在歐洲和美國，歐洲的半導體工業協會(ESIA)統計，從2010年到2020年，歐洲的半導體產值差異不大(2010年為38,054百萬美元; 2020年為37,520百萬美元)，但歐洲半導體工廠的二氧化碳排放當量卻從910,221公噸減少527,351公噸，減少42%。
在半導體領域被廣泛用於隔熱的氟化物，由於其全球暖化潛力值(GWP)是二氧化碳的23,500倍，因此對環境有極大的傷害。六氟化硫(SF6)是「京都議定書」確定的六種溫室氣體之一，歐盟委員會已提議電力行業不再使用氟化溫室氣體。施耐德電機於2022年5月推出不使用SF6的環保型開關設備系列AirSet，改以真空中斷和純空氣絕緣的創新組合，客戶只需過濾環境空氣即可獲得純淨空氣，具備環保、人員操作安全、方便、占地面積小等優點[2]。
而在半導體製造生產過程中，常見的全氟及多氟烷基物質(Per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS)，由於具有難以消除的汙染性，使得3M比利時工廠在2022年4月被當地以違反環保法規而勒令停工。PFAS是分子結構中含有碳氟化學鍵的有機化學物質種類，因為具備防黏、防水、防油與除汙等特性而被廣泛使用。在半導體製程中的光阻劑、蝕刻製程的冷卻劑，以及半導體製造設備中管線與閥門等零組件的表面加工等，也經常使用PFAS作為塗層。隨著2025年起PFAS將被歐盟、美國等政府進行監管，預計將持續衝擊半導體製造業。
環境可持續性迅速成為電子行業的優先事項，整個半導體價值鏈和半導體相關的公司，包括晶片製造商、設備供應商、材料供應商、OSAT和ICT供應商，都更迫切地認知到需要加強協作和碳排資訊的透明度，以減少溫室氣體排放。SEMI可持續發展諮詢委員會(SAC)於2022年成立新的半導體氣候聯盟，透過產業價值鏈同時協作、知識和技術分享、溝通協調、標準計算，加速減少半導體產業碳足跡[3]。
目前碳放量以排放來源分為範疇一、二、三。範疇一是指直接溫室氣體排放：公司直接擁有或控制的排放源所排放的溫室氣體；範疇二是指間接溫室氣體排放，包括公司外購之電力、熱能、蒸氣所排放的溫室氣體；範疇三是指非屬公司擁有，但因為執行該公司業務而間接排放的溫室氣體，例如來自委外業務、員工通勤、價值鏈上下游、廢棄物處理所排放的溫室氣體。
半導體廠內碳排放占比最大宗來自範疇二，平均約占整體碳排放是45%，其中來自於廠務的比例約20%，來自機台設備的比例約25% [4]。因為半導體廠幾乎一天24小時、一週7天、全年無休地運轉，所以用電量是非常可觀的。台積電在2020年用電量約160億度，占全台總用電量的5.9%，而全廠約有62%碳排放量來自範疇二[5]。