張江集成電路產(chǎn)業(yè)廢酸產(chǎn)量預(yù)測(cè)和處置研究

李 萍

（上海市浦東新區(qū)環(huán)境管理事務(wù)中心 上海 201210）

引言

發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)是中國(guó)科技真正崛起的必經(jīng)之路。“中國(guó)芯”是浦東重點(diǎn)布局的六大硬核產(chǎn)業(yè)之一，《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于支持浦東新區(qū)高水平改革開(kāi)放打造社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)引領(lǐng)區(qū)的意見(jiàn)》（引領(lǐng)區(qū)意見(jiàn)）也對(duì)浦東集成電路產(chǎn)業(yè)提出全力打造集成電路世界級(jí)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)集群的目標(biāo)。作為中國(guó)最完善、最齊全的集設(shè)計(jì)、制造、裝備材料、封裝測(cè)試聯(lián)動(dòng)發(fā)展的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈，浦東新區(qū)張江集成電路產(chǎn)業(yè)匯聚了307 家相關(guān)企業(yè)，云集了一批國(guó)際知名的集成電路企業(yè)，全球芯片設(shè)計(jì)10 強(qiáng)中有6 家在張江設(shè)立了區(qū)域總部、研發(fā)中心[1]。伴隨著集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，集成電路行業(yè)危險(xiǎn)廢棄物處置需求也日益增多。

根據(jù)《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》[2]，張江集成電路產(chǎn)業(yè)主要產(chǎn)生廢酸、廢有機(jī)溶劑等危險(xiǎn)廢物，芯片制造的過(guò)程復(fù)雜，每道工序后均有清洗步驟，需要用到大量的酸，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年張江集成電路制造業(yè)廢酸轉(zhuǎn)移量為1.33 萬(wàn)噸，約占全市廢酸轉(zhuǎn)移量的38%[3]。集成電路行業(yè)廢酸主要以廢硫酸為主，具有腐蝕性、毒性和反應(yīng)性等危險(xiǎn)特性，危害性大并且產(chǎn)量大的廢酸如果不能安全有效利用處置，將會(huì)給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)較大的破壞。此外，為了提高光刻膠去除效果，酸洗過(guò)程一般會(huì)配比加入雙氧水，雙氧水與硫酸反應(yīng)會(huì)生成過(guò)氧硫酸，具有極強(qiáng)的氧化性，同時(shí)產(chǎn)生大量熱，對(duì)外運(yùn)和處理設(shè)施帶來(lái)危害[4]。隨著集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展，廢酸的產(chǎn)量將持續(xù)增長(zhǎng)，既增加了企業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，也給危險(xiǎn)廢物環(huán)境管理部門(mén)帶來(lái)重大挑戰(zhàn)。

研究浦東新區(qū)張江集成電路產(chǎn)業(yè)廢酸的現(xiàn)狀并對(duì)未來(lái)幾年廢酸產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)進(jìn)一步加強(qiáng)浦東新區(qū)廢酸全過(guò)程管理，預(yù)防環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義，也為新區(qū)集成電路產(chǎn)業(yè)布局和廢酸利用處置提供參考依據(jù)。

1 集成電路產(chǎn)業(yè)廢酸來(lái)源

集成電路產(chǎn)業(yè)廢酸主要來(lái)自芯片清洗工序，芯片的清洗是集成電路制造極為重要的環(huán)節(jié)之一，完全清潔的基片表面是實(shí)現(xiàn)高性能處理的第一步，潔凈表面是指不存在粒子、金屬、有機(jī)物及水分等污染物和自然氧化膜，具有原子級(jí)的平整度，以氫為終端的表面[5]。

張江集成電路制造企業(yè)在硅片清洗過(guò)程采用SPM 清洗技術(shù)，清洗液由H2SO4、H2O2和H2O 組成，整個(gè)過(guò)程用到硫酸的量和工藝步驟密切相關(guān)，工藝技術(shù)越先進(jìn)，清洗過(guò)程越復(fù)雜，使用的硫酸量越大。例如隨著40 納米制程以下Single wafer 機(jī)臺(tái)的大量使用，此種機(jī)臺(tái)每一片晶元單獨(dú)進(jìn)機(jī)器，化學(xué)品硫酸或超純水壓力噴到晶元上，而不是如Bench 機(jī)臺(tái)將晶元浸在化學(xué)品中，無(wú)法重復(fù)使用，單片晶圓的每道排酸量從Bench 時(shí)代的0.04-0.06L/片增加到1-1.5L/片，再加上線寬變小，芯片變復(fù)雜導(dǎo)致芯片蝕刻層數(shù)增加，芯片廠排出的廢硫酸量增加了十倍以上[4]。

2 研究對(duì)象數(shù)據(jù)收集

張江集成電路產(chǎn)業(yè)涉及半導(dǎo)體器件專(zhuān)用設(shè)備材料業(yè)、集成電路設(shè)計(jì)業(yè)、集成電路制造業(yè)和封裝測(cè)試4 個(gè)行業(yè)33 家企業(yè)，除了集成電路制造業(yè)危險(xiǎn)廢物廢酸產(chǎn)量較大，其他行業(yè)廢酸產(chǎn)量均較小，本次研究集中在張江集成電路制造企業(yè)，分析7 家集成電路制造企業(yè)2016 年-2020 年廢酸產(chǎn)量變化趨勢(shì)，具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。表中所有數(shù)據(jù)均來(lái)源于上海市危險(xiǎn)廢物管理信息系統(tǒng)[3]。

表1 張江集成電路制造業(yè)企業(yè)2016-2020年廢酸產(chǎn)量（噸）

從表1 可以看出，除2019 年受全球半導(dǎo)體貿(mào)易趨勢(shì)影響，張江集成電路制造企業(yè)廢酸產(chǎn)量略有下降外，2016 年-2020 年張江集成電路制造業(yè)企業(yè)廢酸產(chǎn)量總體呈上升趨勢(shì)，至2020 年，張江集成電路制造業(yè)廢酸產(chǎn)量已達(dá)2.26 萬(wàn)噸，較2019 年廢酸產(chǎn)量增長(zhǎng)了70%。

廢酸產(chǎn)量大幅增加除了企業(yè)自身規(guī)模增長(zhǎng)因素外，與國(guó)家對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)布局密不可分，2家新建集成電路產(chǎn)廢企業(yè)分別在2018 年、2019 年開(kāi)始投產(chǎn)，2020 年逐步穩(wěn)定增長(zhǎng)。

3 廢酸數(shù)據(jù)建模與預(yù)測(cè)

張江集成電路制造企業(yè)2016-2020 年廢酸產(chǎn)量按年度分析，總體呈上升趨勢(shì)，進(jìn)一步對(duì)幾家企業(yè)2016 年-2020 年這5 年來(lái)每個(gè)月的廢酸產(chǎn)量進(jìn)行深入分析，結(jié)合月度廢酸數(shù)據(jù)進(jìn)行建模并預(yù)測(cè)未來(lái)5年張江集成電路制造業(yè)廢酸的產(chǎn)量。張江集成電路制造業(yè)企業(yè)2016 年1 月到2020 年12 月廢酸產(chǎn)量相關(guān)數(shù)據(jù)如圖1。圖中所有企業(yè)廢酸產(chǎn)生量等相關(guān)數(shù)據(jù)均來(lái)源于上海市危險(xiǎn)廢物管理信息系統(tǒng)。

圖1 2016年-2020年張江集成電路制造業(yè)廢酸產(chǎn)量月度變化圖

從圖1 可以看出，張江集成電路制造業(yè)2016-2019 年廢酸的產(chǎn)量隨月度增長(zhǎng)的趨勢(shì)較為平緩，2020 年幾家企業(yè)廢酸的產(chǎn)量增長(zhǎng)非常明顯，而且這種趨勢(shì)并非隨時(shí)間因子單一的線性增長(zhǎng)，結(jié)合集成電路制造業(yè)廢酸產(chǎn)量與芯片尺寸、工藝步驟等因素密切相關(guān)，本文選用廣義線性模型（GLM）對(duì)未來(lái)幾年（2021-2024 年）張江集成電路制造業(yè)廢酸產(chǎn)量進(jìn)行數(shù)據(jù)建模預(yù)測(cè)。

廣義線性模型是線性回歸模型的一種擴(kuò)展，線性回歸和邏輯回歸都是GLM 的特殊形式，使用簡(jiǎn)單應(yīng)用較廣泛。通過(guò)選擇特定的關(guān)聯(lián)函數(shù)和密度函數(shù)，就可以使用R 語(yǔ)音或者Python 語(yǔ)言的GLM 工具包進(jìn)行擬合計(jì)算，得到需要估計(jì)的參數(shù)解，并且可以作為預(yù)測(cè)模型使用。這里我們選用伽馬分布的GLM 模型，得到的模型擬合結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 模型擬合結(jié)果圖

從圖2 可以看出，采用的模型擬合數(shù)據(jù)誤差相對(duì)較小，說(shuō)明廣義線性模型（GLM）能夠較好的符合數(shù)據(jù)精度和預(yù)測(cè)要求。

通過(guò)模型預(yù)測(cè)得出未來(lái)幾年（2021-2024 年）張江集成電路制造業(yè)廢酸產(chǎn)量，詳見(jiàn)圖3。

圖3 2021年1月-2024年12月張江集成電路制造業(yè)廢酸產(chǎn)量預(yù)測(cè)圖

從圖3 可以看出，2024 年張江集成電路制造業(yè)廢酸HW34 產(chǎn)量將達(dá)到15 萬(wàn)噸。

4 廢酸資源化再利用

通過(guò)GLM 數(shù)據(jù)建模預(yù)測(cè)到未來(lái)幾年（2021-2024 年）張江集成電路制造業(yè)廢酸產(chǎn)量將大幅度增長(zhǎng)，為了應(yīng)對(duì)未來(lái)集成電路產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能持續(xù)增長(zhǎng)所導(dǎo)致的廢酸利用處置能力不足等問(wèn)題，需要進(jìn)一步的研究集成電路產(chǎn)業(yè)廢酸再利用處置的模式和管理的方式。

4.1 連云港市廢酸定向再利用

江蘇省連云港市以化工企業(yè)產(chǎn)生的廢酸為試點(diǎn)對(duì)象，開(kāi)展化工廢酸的定向再利用，建立廢酸產(chǎn)生單位與再利用單位的定向管理模式，減少危險(xiǎn)廢物委外處置利用的壓力，降低產(chǎn)廢企業(yè)的處置成本，同時(shí)降低綜合利用企業(yè)的生產(chǎn)成本[6]。

4.2 上海市廢酸定向再利用

針對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)廢酸性質(zhì)相對(duì)單一的特點(diǎn)，上海市也采用廢酸定向再利用的方式，目前張江集成電路制造企業(yè)產(chǎn)生的廢硫酸作為澎博公司鈦白粉的生產(chǎn)原料進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向管理，資源再利用。

張江集成電路制造業(yè)2020 年廢酸的利用處置方式主要以R6、R15 為主，主要利用途徑和利用量如表2。

表2 張江集成電路制造業(yè)2020年廢酸處置主要去向

從表2 可以看出，2020 年張江集成電路制造業(yè)再循環(huán)利用的廢酸量達(dá)21000 余噸，占張江集成電路制造業(yè)2020 年廢酸產(chǎn)量的90%以上，其中上海澎博鈦白粉有限公司點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向利用的廢硫酸量約為12000 噸，占張江集成電路制造業(yè)2020 年廢酸產(chǎn)量的一半以上，約有7000 余噸廢酸最終進(jìn)入上海天漢環(huán)境資源有限公司處理。

結(jié)語(yǔ)

（1）隨著我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展，未來(lái)幾年（2021-2024 年）上海市集成電路產(chǎn)業(yè)危險(xiǎn)廢物廢酸的產(chǎn)量將急劇增加，將給區(qū)域危險(xiǎn)廢物利用處置帶來(lái)較大壓力。鑒于集成電路產(chǎn)業(yè)廢酸性質(zhì)相對(duì)單一，濃度≥60%等特點(diǎn)，建議在危險(xiǎn)廢物廢酸處置過(guò)程中盡量采用再循環(huán)資源化利用的方式，將行業(yè)產(chǎn)生的廢酸統(tǒng)一作為下游處置單位的生產(chǎn)原料，從而降低行業(yè)企業(yè)廢酸的處置成本，實(shí)現(xiàn)廢酸減量化、資源化、無(wú)害化。

（2）建議區(qū)域危險(xiǎn)廢物管理部門(mén)對(duì)轄區(qū)集成電路產(chǎn)業(yè)廢酸進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)管，集成電路制造企業(yè)可單獨(dú)設(shè)立廢酸產(chǎn)生、收集、貯存、轉(zhuǎn)移內(nèi)部管理臺(tái)賬，采用廢酸儲(chǔ)罐高液位報(bào)警、視頻監(jiān)控、去除廢酸中氧化性雜質(zhì)（H2O2）等方式進(jìn)一步防止廢酸儲(chǔ)罐貯存安全和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程泄露風(fēng)險(xiǎn)，危險(xiǎn)廢物監(jiān)管部門(mén)對(duì)行業(yè)廢酸轉(zhuǎn)移、利用進(jìn)行跟蹤監(jiān)管，確保廢酸利用處置全過(guò)程環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)可控。