國內外集成電路制造業PFCs排放量計算方法的對比研究

楊杰雄，楊慶宇，李三良，楊永剛

(中芯國際集成電路制造(上海)有限公司，上海 201203)

集成電路制造行業是信息產業的基礎，也是我國近年來重點發展的行業之一。集成電路制造作為中國制造2025規劃中重點發展的行業，預期在未來幾年內還將得到更大的發展。根據國際半導體設備材料產業協會(SEMI)發布的全球集成電路芯片制造廠的預測，預計在2017年至2020年期間全球將新建62座集成電路芯片制造廠，其中中國就將新增26座集成電路芯片制造廠，約占全球總新增數量的42%[1]。

此外，集成電路制造業作為高科技行業，在其制造過程中也使用到了大量具有極高全球暖化潛勢值的全氟化物(PFCs)，也是PFCs的主要排放源之一[2]。集成電路制造業在集成電路制造過程中會使用到CF4、C2F6、C3F8、C4F8、C4F6、C5F8、CHF3、CH2F2、NF3和SF6等多種PFCs，這些PFCs大部分都很難裂解，在大氣中存活年限長，同時具有很強的紅外光線吸收能力，能吸收大量的地表及低空熱輻射能，全球暖化潛勢值極高[3-5]。因此，在巴黎氣候協定后我國進一步加大溫室氣體減排的大形勢下，如何控制PFCs的排放也是集成電路制造業在大力發展過程中不得不面對及解決的問題，而要解決排放控制問題的一個關鍵前提，就是有效、準確地實施排放量核算，提供準確的PFCs排放數據與信息，以為企業挖掘減排潛力、制定科學的減排目標提供依據[6]。

本文通過比較國內外集成電路制造業PFCs排放量計算方法的異同點，分析其優劣性，以期找出適合我國集成電路制造業PFCs排放量的計算方法，并為未來進一步改進計算方法提出了建議。

1 集成電路制造中全氟化物的產生環節

集成電路制造業在集成電路制造過程中PFCs主要產生于原料及運輸過程、消耗及尾氣處理環節等。

1. 1 原料及運輸過程

集成電路制造所使用到的PFCs通常是以壓縮方式儲存在氣體鋼瓶內，運輸到集成電路制造廠化學品庫房臨時儲存后，轉運到生產車間氣體房的供應柜，再以管線輸送至所需的制程設備，制程使用后再通過尾氣處理設備處理后排入大氣。PFCs在運輸過程中雖然可能發生泄漏的意外，但目前上述過程均在嚴格控制的條件下操作，且設置有流量與泄漏偵測系統，因此生產運輸過程中PFCs泄漏的排放量基本可以忽略不計[7]。

1. 2 消耗及尾氣處理環節

PFCs主要應用于集成電路制造中兩個重要制程：蝕刻工序(Etch)和化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)，其中又以CVD制程為主，比重占全部工藝制程所使用PFCs的70%～90%[8]，其主要用途是作為反應腔室的清潔氣體，在清洗過程中PFCs被解離消耗的百分比只有20%～30%，因此有大量的PFCs排放到廢氣中。另外,在制程中還會有一定的比例轉化為CF2、COF2、HF與F2等副產物排放到廢氣中。

上述制程廢氣基本上會在制程末端通過本地廢氣處理系統做立即處理，再匯集到排氣風管經中央廢氣處理系統后排入大氣。目前集成電路制造業針對PFCs采用的本地廢氣處理系統主要有高溫電熱水洗、燃燒水洗、干式吸附、觸媒氧化裝置和電漿等技術，其對PFCs的去除率一般在90%以上。

2 國內外集成電路制造業全氟化物排放量的計算方法

目前已有多個國家政府和國際組織發布了針對集成電路制造業PFCs排放量的計算方法，主要有：政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)發布的《2006年國家溫室氣體清單指南》中的電子工業章節[9]、世界可持續發展工商理事會(World Business Council for Sustainable Development,WBCSD)與世界資源研究所(World Resource Institute,WRI)聯合開發的《溫室氣體議定書》[10]、美國環境保護署(U.S.Environmental Protection Agency,EPA)發布的《電子工業溫室氣體報告》[11]，以及我國國家發展改革委員會辦公廳2015年發布的《電子設備制造企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》[12]。

2.1 IPCC的《2006年國家溫室氣體清單指南》

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)是由世界氣象組織(World Meteorological Organization,WMO)和聯合國環境署(United Nations Environment Programme,UNEP)在1988年共同建立的政府間機構，主要任務是提供有關氣候變化的科學技術和社會經濟認知狀況以及氣候變化原因、潛在影響和應對策略的綜合評估。該委員會于2005年評審并發布了《2006年國家溫室氣體清單指南》(以下簡稱IPCC的2006年指南)，該指南是目前國際較為通用的溫室氣體排放量計算方法。IPCC的2006年指南第3卷是針對工業過程和產品使用的排放量計算，其中的第6章專門針對電子工業，該章對集成電路制造過程中的PFCs排放量根據數據及參數的收集程度，提出了幾種從粗略估計到精確計算的方法，依次為方法1——缺省法 (Tier 1)、方法2a——特定過程氣體參數法(Tier 2a)、方法2b——特定過程類型參數法(Tier 2b)、方法3——特定過程參數法(Tier 3)。

2.1.1 方法1——缺省法

此方法不需考慮廢氣排放控制技術的使用，主要是通過產量來推算PFCs的排放量，即產品的面積與排放因子的乘積，其具體計算公式為

FCi=EFi·Cu·Cd

(1)

式中：FCi為PFCs氣體i的年排放量(kg)；EFi為氣體i的PFCs排放因子，對集成電路產品一般用每平方米的年排放量來表示(kg/m2)；Cu為年產能利用率(%)；Cd為設計的年產能(m2)。

各種PFCs氣體的排放量之和為PFCs排放的總量。可見，該方法計算過程十分簡單，但未將PFCs制程使用類型納入計算，也未考慮使用排放控制設備處理后的排放消除效果,因此該方法是相對不準確的估算方法，一般不推薦使用，僅當確實無法獲得特定公司數據時采用此方法。

2.1.2 方法2a——特定過程氣體參數法

此方法是根據有關氣體消耗量和排放控制技術的特定參數來計算與生產相關的各類PFCs的排放量，該方法所使用的數據為每種氣體在所有制程中的總使用量，不需要區分每種氣體在不同制程中的具體使用量。其具體計算公式為

Ei=(1-h)·FCi(1-Ui)·(1-ai·di)

(2)

式中：Ei為氣體i的排放量(kg)；FCi為PFCs氣體i的使用量(kg)；h為使用后容器(氣瓶)中剩余的氣體比例(根部)(%)；Ui為氣體i在制程中的使用比例(指經過生產過程中去除或轉換的比例)(%)；ai為氣體i被收集到排放控制設備的比例(%)；di為排放控制設備對氣體i的去除比例(%)。

該方法還要求考慮工藝生產過程中產生的副產物，副產物的排放量計算公式為

BPi,j=(1-h)·Bi,j·FCi·(1-ai·dj)

(3)

式中：BPi,j為第i種原料氣產生的第j種副產物的排放量(kg)；Bi,j為第i種原料氣產生第j種副產物的轉化因子；aj為排放控制設備對第j種副產物的收集比例(%)；dj為排放控制設備對第j種副產物的去除比例(%)；i為原料氣的種類；j為副產物的種類。

公式(3)中副產物的種類主要為CF4、C2F6、CHF3和C3F8，通過對所有PFCs的排放量求和，即得出PFCs的總排放量。

該方法考慮了容器中剩余的氣體比例、制程中的使用比例、收集到排放控制設備的比例、排放控制設備的處理效率、副產物的種類及其在生產過程中的轉化因子、副產物的收集及去除比例等多種因子，因此計算結果較為準確。但該方法并未區分具體的制程類型(蝕刻或化學品氣相沉積)，其每種氣體的因子是采用當前主流制程技術下各制造過程中分別形成的氣體因子的加權平均值，因此如果某些公司的制造技術與當前主流制程技術不一致(如將某種氣體主要用于蝕刻，而其他企業主要在化學品氣相沉積中使用)，則應用此法得出的PFCs排放量結果將會不夠準確。

總的來說，該方法兼顧了結果準確性及計算過程的復雜性，因而成為目前應用最為廣泛的集成電路制造業PFCs排放量的計算方法，包括世界半導體協會、中國臺灣和大陸地區的溫室氣體盤查標準等都直接采用或參照了本計算方法。

2.1.3 方法2b——特定過程類型參數法

此方法分別對不同制程類型的PFCs排放量進行了單獨計算，當能獲得每種制程(蝕刻或化學品氣相沉積)的相關數據時，可使用該方法。其具體計算公式為

Ei=(1-h)·∑[FCip·(1-Ui,p)·

(1-ai,p·di,p)]

(4)

式中：Ei為PFCs氣體i的排放量(kg)；p為制程類型(如蝕刻或化學品氣相沉積反應器腔室清潔)；FCi,p為制程類型p中PFCs氣體i的使用量(kg)；h為使用后容器(氣瓶)中剩余的氣體比例(根部)(%)；Ui,p為制程類型p中氣體i在制程中的使用比例(指經過生產過程中去除或轉換的比例)(%)；ai,p為制程類型p中氣體i的使用比例收集到排放控制設備的比例(%)；di,p為制程類型p中排放控制設備對氣體i的去除比例(如果在制程類型p中使用多類排放控制技術，則這里取多類排放控制技術去除比例的平均值，該平均值需根據PFCs在每類排放控制技術下的使用量，計算每類排放控制技術所對應去除比例的權重，再加權取平均值)(%)。

此外，與方法2a類似，該方法需計算副產物PFCs的排放量，如CF4，C2F6，C3F8(仍需區分制程類型并分別提供轉換因子)，然后通過對各種氣體i及副產物的排放量求和，得出PFCs的總排放量。該方法區分了制程類型之間的差異，一定程度上提高了計算的準確性，但對相關參數的數據收集要求較高。

2.1.4 方法3——特定過程參數法

此方法也使用方法2b的計算公式，但該方法的數據需要具體到每一個制造單元(制程機臺)的PFCs排放量，而不僅僅是方法2b所采用的總的制程類型的PFCs排放量，因此采用此法需要收集每一個機臺PFCs排放量的相關數據，數據收集的人力及成本投入較大，造成該方法的應用局限性較大。

2. 2 WRI的《溫室氣體議定書》

WRI的《溫室氣體協定書》(以下簡稱GHGProtocol)是由美國的非政府組織——世界資源研究所(WRI)與世界可持續發展工商理事會(WBCSD)主持開發，企業界、非政府組織和政府等多方利益相關團體共同制定的溫室氣體核算與報告準則。其中，有專門為半導體行業制定的PFCs排放量的計算方法如下：

Emissions forPFCi=PFCi·(1-h)·

[(1-Ci)·(1-Ai)+Bi(1-ACF4)]

(5)

式中：h為使用后容器中剩余的氣體比例(根部)(%);PFCi為氣體i的采購量(kg)；Ci為氣體i的利用效率(%)；Ai為氣體i的去除效率(%)；Bi為氣體i轉化為CF4的轉換因子；ACF4為副產物CF4的去除效率(%)。

由公式(5)中可以看出，該計算方法與IPCC的2006年指南中方法2a 的計算公式相似，但是副產物僅僅考慮了CF4，而且部分排放系數值略有差異，不過目前兩者正在加強合作，將來有可能采用一致的排放系數值。

另外,GHGProtocol還專門開發了適用于半導體行業的PFCs排放配套計算工具，并公布于其官網上，供免費下載使用，用戶只需按步驟輸入各PFCs的原始采購量和進入本地處理設備的比例，即可自動計算出PFCs的排放量，極大地簡化了企業的計算工作量。

2. 3 EPA的《電子工業溫室氣體報告》

美國環境保護署(EPA)在2013年發布了《電子工業溫室氣體報告》，它所規定的集成電路制造業PFCs排放量的計算公式與 IPCC的2006年指南中方法2b類似，不過各類參數值卻有所不同，它將排放因子不僅按照制程類型分類，還根據目前主要的集成電路晶圓產品尺寸類型(150 mm/200 mm和300/450 mm)進行分類，并采用不同的參數值進行計算，而且每三年會對參數進行更新，因此一定程度上提高了PFCs排放量計算的準確度。

EPA在2010年的排放數據基礎上，分別使用IPCC的2006年指南方法2b和EPA的《電子工業溫室氣體報告》的排放因子參數進行了計算與對比分析，結果表明：200 mm的集成電路制造晶圓廠PFCs的排放量，使用EPA的《電子工業溫室氣體報告》得到的排放因子參數的計算值比使用IPCC的2006年指南中方法2b得到的計算值高出了9%，而300 mm的集成電路制造晶圓廠PFCs排放量的計算值則高出了12%。

2.4 中國的《電子設備制造企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》

我國發展改革委員會在2015年發布了《電子設備制造企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》，其中包含了集成電路制造中PFCs排放量的計算方法，該方法與IPCC的2006年指南中方法2a的計算公式(2)相同，以PFCs制程排放量和生成副產物的排放量的總和為PFCs的排放量。另外，該指南還規定了原料氣消耗量FCi的具體計算公式為

FCi=IBi+Pi-IEi-Si

(6)

式中：FCi為報告期內第i種原料氣的使用量(kg)；IBi為第i種氣體的期初庫存量(kg)；IEi為第i種氣體的期末庫存量(kg)；Pi為報告期內第i種氣體的購入量(kg)；Si為報告期內第i種氣體向外銷售/輸出量(kg)。

公式(6)中具體數據主要根據企業臺賬、統計報表、采購記錄、領料記錄等為依據來確定。此外，原料氣體的利用率、產生副產物的轉化因子主要參考我國臺灣經濟部工業局公布的《溫室氣體盤查工具》，少數因子參考IPCC的2006年指南的推薦值。排放控制設備對原料氣體與副產物的收集率和去除率由設備廠商提供，如果不能提供則參照該指南給出的推薦值(參考臺灣經濟部工業局公布的《溫室氣體盤查工具》)，原料氣體在容器的殘余比例采用固定推薦值10%。

該指南所提供的計算方法主要是結合目前國際上通用的計算方式和我國半導體企業的實際情況制定出的指導方法，排放系數也是參考國際上通用的數值，但并不能真實地反映出我國集成電路制造業PFCs實際的排放情況。

2. 5 幾種計算方法的對比分析

通過前述對集成電路制造業PFCs排放量各種計算方法的介紹，本文從原始數據要求、計算復雜程度、準確度方面對各種計算方法進行了對比分析，詳見表2。

表2 集成電路制造業PFCs排放量計算方法的比較Table 2 Comparison of calculation methods of PFCs emission in semiconductor manufacturing industry

3 結論與建議

溫室氣體排放量的計算是一個復雜的過程，就集成電路制造業PFCs排放量的計算方法而言，當前國內外的各種計算方法雖然看似相似或相通，但其實每種計算方法都有經過設計者分析和權衡之后的獨特性。因此，隨著全球性氣候變化形勢的進一步嚴峻，勢必會推進各國及各國際組織之間加強溫室氣體減排的共同協作，通過不斷研究及持續改進，建立準確度高、受各方認可的PFCs排放量的計算方法。基于此，本文以上述各種計算方法的對比分析為基礎，對我國集成電路制造企業及溫室氣體減排相關政策制定者提出以下建議：

(1) 加強集成電路制造過程中PFCs排放相關數據的收集。我國集成電路制造企業大多處于發展階段，因此基于成本考慮，一般無法對PFCs的排放量進行直接地連續檢測，只能通過適當的計算方法進行估算,但企業應在合適成本控制的基礎上，盡可能詳細監測及記錄各項PFCs排放的相關數據，以提高計算結果的準確性。

(2) 建立PFCs排放量計算因子的基準數據庫。由于我國集成電路制造業起步較晚，相關基準數據的研究比較滯后，所以當前采用的集成電路制造業PFCs排放量計算方法中的各項排放因子直接采用了我國臺灣經濟部工業局和IPCC的2006年指南發布的參照數據，但各國及各地區之間集成電路制造的產品在尺寸、工藝節點、產品類型、產量規模以及尾氣消除設備類型等方面都不相同，因此直接采用其他國家及地區的數據并不能反映我國的真實狀況。而隨著我國集成電路制造業的不斷發展，輔助以PFCs排放量計算相關數據的監測、收集及分析等手段的不斷完善，我國也應逐步建立符合于我國集成電路制造業實際的PFCs排放量計算因子的基準數據庫，以在未來的國際協作中呈現我國的真實排放情況。

(3) 逐步采用更具準確性的計算方法。隨著相關數據的收集及排放因子的完善，我國應逐步采用準確度更高的集成電路制造業PFCs排放量的計算方法。短期內，我國可以考慮由政府部門出臺政策，輔助以對企業的激勵措施，逐步將PFCs排放量的計算方法從IPCC的2006年指南中的方法2a過渡到方法2b。

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