ESG壓力山大　半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈全力接招

雖然艾司摩爾(ASML)并未公布EUV設(shè)備耗電量數(shù)字，但業(yè)界普遍認(rèn)同，由于EUV光源的能源轉(zhuǎn)換效率只有0.02%上下，導(dǎo)致EUV設(shè)備的耗電量，可達傳統(tǒng)氬氟雷射(ArF)的10倍以上。以250W輸出功率計算，一臺EUV每天就要消耗3萬度電力。

在ESG成為顯學(xué)，半導(dǎo)體業(yè)者不無全力減少碳足跡的今天，面對不得不用的EUV機臺，半導(dǎo)體製造廠只能想方設(shè)法，一方面從設(shè)備軟硬體改良著手，盡可能提高機臺的能源效率，另一方面則是要求相關(guān)材料商承擔(dān)責(zé)任，開發(fā)出耗電量更少的新一代材料。

導(dǎo)入大數(shù)據(jù)分析　EUV能效提升5%

為兼顧製程演進與環(huán)境永續(xù)，臺積電與供應(yīng)商共同投入「新世代機臺節(jié)能行動專案」，其中，耗電量驚人的EUV設(shè)備，自然是需要優(yōu)先改善的重點。

臺積電與供應(yīng)商針對EUV機臺進行的研究發(fā)現(xiàn)，傳送EUV光需要特殊的反射鏡，但每一次傳送都會損失高達3成的能量，以機臺內(nèi)平均10次以上的反射過程來計算，EUV光源產(chǎn)生的光能，最后只剩下不到2% 能傳達到晶圓表面上，進行圖案化製程(圖1)。這無疑是極大的浪費，因為EUV光源為二氧化碳雷射，這種雷射雖可產(chǎn)生波長更短的雷射光，但本身也遠比氬氟光源更為耗電。若其整體效率只有不到2%，對臺積電而言，當(dāng)然是需要最優(yōu)先改善的目標(biāo)。

圖1　在EUV曝光機內(nèi)部，從光源發(fā)出的雷射光，須經(jīng)過多次折射才能抵達晶圓表面，并在這個過程中出現(xiàn)大量損耗

針對EUV設(shè)備節(jié)能議題，臺積電運用大數(shù)據(jù)研析EUV光產(chǎn)生過程的耗能狀況及運作模式，發(fā)現(xiàn)EUV光產(chǎn)生的脈衝與反射鏡面反射效率不佳，是造成設(shè)備耗能的主因后，立即啟動相關(guān)機臺改善措施。并在2020年透過機臺程式的修正，達到EUV光脈衝能量最佳化；同時，重新設(shè)計鏡面反射結(jié)構(gòu)，將反射率提高了3%。

此外，臺積電分析二氧化碳雷射系統(tǒng)放大器的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)利用變動頻率取代固定頻率的運作模式，可進一步強化放大器10%能源使用效率。

透過三管齊下的手法，臺積電成功提升EUV機臺5%能源使用效率，并將這項綠色創(chuàng)新的成果應(yīng)用在3奈米的EUV新機臺。

讓EUV設(shè)備更節(jié)能　材料商接下軍令狀

從設(shè)備軟硬體改造著手，提高機臺的能源效率，還只是EUV設(shè)備節(jié)能故事的一部份而已。從2021年開始，臺積電高層在許多公開場合都不避諱地提到，以后該公司的供應(yīng)商，也必須全力配合臺積電的ESG政策目標(biāo)，一方面協(xié)助臺積電減少碳足跡，另一方面也要減少自身的碳足跡。對于供應(yīng)商，臺積電會進行全面的審計查核，未達標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商，會先積極輔導(dǎo)；但倘若遲遲無法改善，這些供應(yīng)商就可能遭到被撤換的命運。

跟EUV曝光製程息息相關(guān)的光阻材料業(yè)者，大概是各種半導(dǎo)體材料商之中，被臺積電盯得最緊的供應(yīng)商。據(jù)要求匿名的供應(yīng)商表示，在EUV機臺被運用在3奈米製程量產(chǎn)之前，臺積電就已經(jīng)將光阻供應(yīng)商分成優(yōu)等生、一般生與必須「留校察看」的問題學(xué)生三類。優(yōu)等生就是配合態(tài)度最積極，同時具有堅強研發(fā)實力，可以配合臺積電調(diào)整出高敏感度光阻材料配方的供應(yīng)商；其次就是態(tài)度積極，但本身研發(fā)實力不到位，光阻劑敏感度拉不上來的供應(yīng)商。最差的就是配合態(tài)度跟技術(shù)能力都不好的供應(yīng)商。

為何光阻的敏感度會是關(guān)鍵指標(biāo)？該業(yè)者解釋，光阻材料的工作原理是材料被雷射光的光子接觸到之后，材料會產(chǎn)生酸，進一步造成被照射到的區(qū)域變質(zhì)，更容易被清洗掉(圖2)。照射完畢后，搭配清洗製程，就可以在晶圓表面留下想要的圖案。敏感度夠高的光阻材料，只需要少許曝光劑量，就能引發(fā)材料變質(zhì)，進而完成工作；敏感度不好的光阻材料就得多照幾次，才能達到相同的效果。在EUV機臺能源效率不好的情況下，臺積電當(dāng)然會希望曝光次數(shù)越少、劑量越低，才能減少EUV曝光製程的耗電量。

圖2　EUV光阻材料的工作原理圖

所以，臺積電對EUV光阻材料的敏感度，要求是非常嚴(yán)格的。在光阻材料產(chǎn)業(yè)的小圈圈裡，近期一直有傳言指出，某家光阻材料商可能會被臺積電換掉，因為敏感度表現(xiàn)實在太差了，使用該供應(yīng)商的材料不僅增加用電成本，還不利于實現(xiàn)ESG目標(biāo)。

嚴(yán)格來說，有光阻廠商可能因為ESG問題被臺積電換掉，只是一條產(chǎn)業(yè)內(nèi)的八卦消息。但從這個傳言來看，臺積電是十分嚴(yán)肅而認(rèn)真地在看待ESG議題，即便是供應(yīng)商家數(shù)已經(jīng)不多的光阻材料，只要表現(xiàn)不及格，還是有被臺積電踢出供應(yīng)商名單的風(fēng)險存在。

禁用物質(zhì)─材料商的另一個ESG考驗

除了降低碳足跡之外，在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，還有另一個存在已久的挑戰(zhàn)，也就是如何替代掉被禁用的化學(xué)物質(zhì)。而且，隨著新的研究結(jié)果不斷出現(xiàn)，禁用化學(xué)物質(zhì)清單的長度，正越拉越長。

據(jù)相關(guān)業(yè)者指出，在化學(xué)品管制部分，歐盟是最為嚴(yán)格，法規(guī)也跑得最快的主要市場?，F(xiàn)在被歐盟禁用的化學(xué)物質(zhì)，也不全是會對環(huán)境或人體造成立即性威脅的「有毒物質(zhì)」，更多屬于「環(huán)境賀爾蒙」，也就是會在環(huán)境或人體中累積，但需要一段時間才看得出影響的化學(xué)物質(zhì)，也被逐步納入管制清單，在寬限期之后必須全面禁用。

對于禁用物質(zhì)議題，默克中國臺灣半導(dǎo)體事業(yè)處總經(jīng)理暨亞太區(qū)特用氣體執(zhí)行總監(jiān)陳俊成指出，作為歐商，默克集團很早就體認(rèn)到發(fā)展綠色化學(xué)品的重要性，也將綠色化學(xué)列為集團的重點發(fā)展方向。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，默克集團旗下的生命科學(xué)事業(yè)體，就已經(jīng)在2021年宣布與主要半導(dǎo)體材料供應(yīng)商崇越科技合作，藉由提供Cyrene生物安全溶劑及相關(guān)綠色產(chǎn)品，結(jié)合崇越在電子產(chǎn)業(yè)的縝密服務(wù)網(wǎng)路，為電子產(chǎn)業(yè)的綠色製程轉(zhuǎn)型提供一條龍服務(wù)。

作為全球歷史最悠久的化學(xué)與製藥公司，默克深切了解化學(xué)品對環(huán)境的影響，因此投注許多資源在綠色化學(xué)產(chǎn)品的研發(fā)，提供超過1,100種綠色化學(xué)替代產(chǎn)品降低環(huán)境衝擊，并以「永續(xù)」為使命，推出超過600種符合綠色化學(xué)12道原則的環(huán)保替代產(chǎn)品， 提供具備生物再生性、生物可裂解性，低毒性，減少廢棄物，降低能源消耗等友善環(huán)境的另一種選擇。

除了從生命科學(xué)領(lǐng)域引進技術(shù)資源外，陳俊成表示，半導(dǎo)體特用材料跟氣體的有害物質(zhì)替代材料，有其獨特的挑戰(zhàn)存在。因為半導(dǎo)體特用材料對品質(zhì)、性能的要求，通常比其他領(lǐng)域會用到的化學(xué)材料更嚴(yán)格，這使得尋找替代品的難度更高，廠商往往得付出更多成本跟時間，才能在製程中導(dǎo)入替代品。

所以，為落實環(huán)境永續(xù)，材料商、設(shè)備商跟半導(dǎo)體製造商三方緊密合作，超前部署是非常重要的。最有效率的解法是在製程研發(fā)跟材料研發(fā)階段，就把含有禁用物質(zhì)的化學(xué)品排除在外，改用替代品。等到化學(xué)品已經(jīng)被運用在製程上才來修改配方，是不得已的做法。不僅時間壓力大，為適應(yīng)化學(xué)品、材料的新特性而修改原本已經(jīng)穩(wěn)定的製程，也會引入新的不確定性。

正因為在導(dǎo)入替代材料方面，產(chǎn)業(yè)鏈多方合作，超前部署是非常關(guān)鍵的，默克近期又宣布與美光(Micron)聯(lián)手開發(fā)用于半導(dǎo)體製程，能降低全球暖化潛勢(Global Warming Potential, GWP)的氣體解決方案。經(jīng)過一年的持續(xù)合作，美光科技目前正在測試默克研發(fā)部門提供的低GWP替代性蝕刻氣體，以驗證其製程性能，從而取代傳統(tǒng)的高GWP 材料。

超前布署強過補破網(wǎng)　緊密合作方能落實永續(xù)

對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，為落實環(huán)境永續(xù)，達成ESG的KPI要求，改用能耗更低、不含禁用物質(zhì)，對環(huán)境更友善的綠色材料，是必然的趨勢。

在即將到來的SEMICON Taiwan 2022展上，默克集團執(zhí)行董事暨電子科技事業(yè)體執(zhí)行長凱．貝克曼將參與「半導(dǎo)體永續(xù)力國際論壇」，透過視訊與聽眾分享半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的永續(xù)議題。默克的其他技術(shù)專家也會在「半導(dǎo)體先進製程科技論壇」上分享，如何透過對化學(xué)特性的掌握，在維持產(chǎn)品性能的同時，也降低製程中溫室氣體的排放。默克希望藉由這些與中國臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)接觸的機會， 把該集團與美光的合作模式，進一步複製到其他潛在合作伙伴身上。

導(dǎo)入綠色材料已經(jīng)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的共識；以「超前布署」取代「補破網(wǎng)」，更會是未來產(chǎn)業(yè)鏈合作的主流作法。