麦肯锡：半导体设备制造商的碳排放之路大观察

集微网消息，据麦肯锡报道，过去几年，半导体公司一直专注于解决芯片短缺问题，并将精力集中在增加供应上。但现在需要越来越多的关注客户的当务之急以及地球的健康：需要更多的可持续性。许多终端客户已经要求他们的供应商（包括半导体公司）加大力度减少温室气体（GHG）排放，以实现整个供应链的净零碳排放（见侧栏“半导体公司以雄心勃勃的可持续性承诺应对全球变暖”）。供应商正在考虑这些要求，既要保留业务，也要加入对抗全球变暖的斗争。

为了满足不断增长的需求，半导体产量不断增加，尖端移动、计算和连接应用需要更复杂的芯片设计，因此迫切需要增加可持续性方面的努力。然而，随着产量的增加，排放也会随之增加。尽管主要半导体公司的最新承诺措施比过去的措施更加严格，但该行业未能将排放限制在2016年《巴黎协定》要求的范围内，该协定的目标是将全球气温平均上升幅度限制在比工业化前水平高1.5摄氏度的范围内。

一些半导体公司最近制定了更加雄心勃勃的减排目标，但要实现整个行业的净零排放还需要更全面的行动。本文提供了一个连贯的全行业的路线图，半导体设备制造商可以考虑到2030年实现1.5°C的升温范围，2050年实现净零排放。除了描述企业如何利用现有手段来减少排放，路线图还强调了开发新的或改进的脱碳技术（这是一个漫长的过程）以及增加可再生能源供应的重要性。本文分析建立在麦肯锡的一篇相关文章《半导体业务的可持续性：走向净零生产》的基础上，该文章描述了半导体前端晶片厂的脱碳手段。

一个多方面的排放问题

半导体设备制造商的排放可分为以下几类：

1. 范围1排放直接来自晶圆厂，主要来自具有高全球变暖潜能值（GWP）的工艺气体，用于晶圆蚀刻、反应室清除和其他任务；它们也可能来自具有高全球升温潜能值的传热流体，当晶圆厂在冷却器中使用它们时，这些液体可能会泄漏到大气中。

2. 范围2的排放直接来自购买的电力、蒸汽、加热和冷却设备；主要来源包括生产工具和设施/公用设施。

3. 范围3的排放包括公司价值链中的所有其他间接排放；上游排放是由供应商或其产品产生的排放，而下游排放则与使用含有半导体的产品有关。

通过汇总关键半导体设备制造商的排放数据，可以确定上游范围1、2或3的排放百分比（图1）。研究显示，一家典型半导体晶圆厂范围1的上游排放占35%，而范围2占45%，范围3占20%。然而，根据各种因素，包括可再生能源使用量和工艺气体减排系统的实施程度，这种细分会因晶圆厂而异。

图1

本文的重点是减少半导体设备制造商的范围1和范围2的排放，因为这两个范围的排放占排放量的份额最大，并且直接受半导体晶圆厂控制。

范围1和范围2排放的建模

半导体公司目前采取的措施不足以让整个行业在2030年达到1.5°C的升温范围。事实上，随着半导体产量增加和行业转向预期排放强度更高的先进节点，范围1和范围2的排放可能会显著高于当前水平。为了更清楚地了解增长的程度，麦肯锡创建了三种不同的情景来估计未来的排放量。每个设想的假设如下：

1. 场景1（保守）。所有半导体公司都在继续他们目前的脱碳努力，并没有追求更雄心勃勃的目标或倡议，即使他们已经公开宣布了此类计划。

2. 场景2（乐观）。所有已宣布脱碳目标的公司都兑现了承诺，而没有宣布脱碳目标的公司则照常营业。

3. 情景3（雄心勃勃）。所有公司都针对到2030年实现1.5°C升温范围采取了必要行动。

在保守的情况下，二氧化碳当量（CO2e）将从2020年的9300万吨增加到2030年的1.83亿吨，范围1的排放量将达到7300万吨，范围2的排放量将达到1.1亿吨（图2）。在比较乐观的情况下，一些公司如宣布的那样加快了他们的脱碳步伐，范围1和范围2的排放量增长速度较慢，到2030年将达到1.16亿吨。在这个雄心勃勃的设想中，该年的排放量为5400万吨，低于2020年的记录水平。

图2 帮助半导体行业在2030年达到1.5°C升温范围的潜在路线图

根据麦肯锡的模型，范围1和范围2的二氧化碳排放量在2030年将达到8900万吨，即使公司现在尽可能地使用所有手段（图3）。虽然这是保守情况下预测的1.83亿吨的一半左右，但这仍未达到净零排放所需的5400万吨目标。

图3近期行动

为了在2030年实现半导体行业的净零升温范围，半导体行业将受益于协调工作，即充分应用当前战略，同时开发和采用新技术。要到2050年实现净零排放目标，就需要采取这些措施，这一目标要求行业将范围1和范围2的排放量在2020年的保守设想水平上减少95%。

对于范围1的排放，所有半导体公司都需要加倍兑现其减排承诺。这一目标将要求他们在很大程度上实施现有技术。请考虑以下几点：

1. 工艺气体。半导体晶圆厂可能会安装气体减排系统，平均覆盖90%的工具。必须优化气体化学处理，以降低温室气体的使用量，例如用氟（F2）气体取代三氟化氮（NF3）和四氟化碳（CF4），因为氟气体的全球变暖潜值为零。

2. 传热流体（HTF）。至少70%的传热流体需要更换为低全球变暖潜值选项。半导体晶圆厂还需要减少冷却器泄漏。

3. 燃料消耗。半导体公司需要用清洁燃料替代目前的燃料供应，如氢/生物质。

对于范围2的排放，所有参与者都需要逐年减少每片晶圆的能耗，但他们也可以通过增加可再生能源的比例来实现这一目标。总的来说，该行业需要将其可再生能源的比例提高到比当地电网当前比例高1.4倍的水平。在许多地区，这将需要雄心勃勃和真正具有突破性的方法，例如进口可再生能源或建造可再生能源发电厂。

长期措施

为了在2050年之前走上净零碳排放的道路，每个半导体公司都需要借助于更积极主动和创新的方法，这意味着要加大对脱碳的投资，并表现出试验的意愿。例如，半导体行业可以向其他行业学习，将创新的解决方案引入晶圆厂。如前所述，考虑到开发时间表，公司现在将从研究新的解决方案中受益，一些关键参与者已经这样做了。公司还可以与领先的初创公司和学术实验室合作，开发早期脱碳技术。创新将带来一些风险，因为并非每个想法都能带来真正的解决方案，从而有意义地减少排放。

对于范围1的排放，公司可以继续开发和实施替代气体化学。还可以实施新的减排解决方案，以实现更有效的气体脱除。同时，公司可以探索创新技术，回收和再利用因技术挑战而无法脱除的工艺气体。

对于范围2的排放，企业可以增加可再生能源的使用。为此，该行业需要继续实施创新解决方案以增加供应，例如向供应受限的地区进口能源。

加强合作的好处

要实现净零的路线图，半导体公司和价值链上的其他参与者之间的合作可能至关重要。

例如，在减少范围1的排放时，企业将通过减少晶片厂作业中的工艺气体排放而受益。如果他们与各种专业供应商（气体/材料、设备和减排）合作，改进现有的解决方案并开发创新的解决方案（与更换、减排和再循环相关），那么实现这一目标可能会更容易。公司还可以在价值链上寻找合作机会，以确定未来的天然气/材料需求，并制定共同的路线图来规划未来的发展方向。例如，化学品和工具供应商可以与半导体晶圆厂合作，优化工艺处方，以降低排放。同样，减排工具供应商可以与制造设备供应商、晶圆厂运营商和化学品供应商密切合作，以确保他们满足新的减排要求。

为了减少范围2的排放，公司将从应对可再生能源采购方面的挑战中受益，与当地电力消费者的共同努力将有助于提高可用性。

半导体行业正处于一个特殊时刻：在减排压力急剧增加之际，对产品的需求正飙升至前所未有的高度。虽然一些公司可能会倾向于专注满足客户需求，但全球变暖也要求公司考虑新的工作方式。那些犹豫不决的公司可能会发现，他们与优先考虑可持续性的客户和想要绿色发展的消费者并未达成一致。半导体企业的个人和集体行动都可以帮助整个行业加大可持续发展的努力，并应对1.5°C的挑战。