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關於半導體晶圓廠節能與環保的一些趨勢與思考
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在9月26日的2017中國積體電路產業發展研討會暨第十二屆中國積體電路製造年會上,工信部電子資訊司積體電路處處長任愛光提出中國半導體積體電路產業發展中的環保問題需要新突破。這標示管理層在經過光伏行業大躍進後對中國半導體積體電路產業的發展提出了新的要求和思路。

投資成本不斷攀升
晶圓廠投入成本可以從兩個方面來衡量。首先是建設投資,通常晶圓廠的建設成本以億元美金計。比如英特爾的大連廠耗資為25億美金。三星更是計畫投入150億美金作為三星西安半導體工廠的二期投資;其次晶圓廠的運作成本極高。一個半導體晶圓廠從誕生之日起幾十年,一天24小時,一年三百六十五天不間斷運轉,始終是耗能和環保問題大戶。耗能和環保兮兮相關,也是同一個問題。

全球Foundry排名第一的台積電在2016年用電量為88.53億度。Global Foundry在紐約的 Fab 8需要214兆瓦電力,每日用水量350萬加侖。

半導體晶片生產中的苛刻要求使得廠房和設備必須用不間斷的高能耗來滿足一致性和持續性。比如在生產過程中需要對工藝溫度進行穩定的精准控制。特別是在刻蝕工序,溫度上下浮動0.1?C可能造成良率的偏差。由於晶圓生產中大部分工序不可逆,極易出現批量報廢事故。

2016年,西安市的高壓變電站故障,導致西安的三星晶片廠的電源供應閃斷,持續數秒,造成大面積生產中斷,設備緊急停機,在生產線中流水的晶圓報廢,產品市值損失過億美元。如果能降低生產能耗,廠務供電系統的壓力就會隨之降低,一旦類似供電故障發生,廠務UPS系統回應恢復的可能性能大幅增加。

晶圓廠不應只關心制程
隨著晶片尺寸不斷縮小以及對產能的不斷提升,溫控及真空輔助設備在晶片生產中的作用被越來越重視。傳統的控溫方式通過採用壓縮機製冷的製冷機將設定溫度的冷卻液送入工藝腔體,以達到控溫效果。製冷機和真空泵等輔助設備通常擺放在高潔淨無塵室的樓下,佔用相當於生產潔淨室相當面積或更大的空間。

英特爾投資25億美元建設的大連晶片廠的潔淨廠房面積為 1.5 萬平方米。台積電8寸Fab5的無塵室面積為1萬平方米。如何有效的提高無塵室直接生產用面積在Fab總面積的比重直接影響到throughput(產能)和Cost of Ownership (成本)。

在美國的半導體晶圓廠開始應用半導體直接製冷技術進行控溫。基於玻爾西原理的半導體製冷通過集成半導體熱電晶片對冷卻液直接控溫。經過二十年的不斷開發提高,半導體直冷控溫技術已在美國半導體晶片廠廣泛應用,又在新加坡臺灣歐洲的半導體晶片廠的改良提升過程中起到大幅節能(減少相關工序80%電耗)以及增加工廠有效生產空間的效果。
 
通過集成半導體熱電晶片對冷卻液直接控溫的方式,與傳統製冷相比的最大特點是壓縮機被取消。Fab不再需要使用對大氣環境有損害的氟利昂冷媒,不再有壓縮機運行的噪音,不再需要對壓縮機進行常規保養。使得製冷真正達到工業化綠色生產的要求,Fab更容易達到環保評估的標準。

集成半導體熱電晶片的製冷機的體積和傳統壓縮機類設備相比,由於取消了壓縮機及相應的內部複雜管路,體積可以縮小到1/8乃至1/10。使得製冷機可以方便的安裝在主機台周邊或高架地板下。第一次在行業中提出了 POU (Point-of-Use)的理念。據此工廠的有效生產空間可以大幅提升,可以幫助新Fab多出近30%的空間用於生產,這對於寸土寸金的Fab的應用成本有極大改善。
 
由於體積的減小,半導體直冷機可以安裝在盡可能靠近主機台的位置,不再需要數十米長的管道配置,簡化了廠務的安排,減少了生產空間需求。由此帶來的另一個優點是降低了對昂貴的專用冷卻液(數百美元/加侖)的需要,用量可以減少到傳統方式的20%。

冷卻液用量的減少帶來的是顯著的節能效果。採用這種技術的製冷機的用電量是傳統製冷機的10%到30%。Fab設備正常全年不間斷運作,一台半導體製冷機通常兩年左右僅本身節約的電費就可以抵消chiller本身的成本。傳統製冷方式多用的電量不僅直接增加了運營成本,從能量守恆的角度進一步分析,傳統製冷方式產生的額外70%左右的無效熱量更需要廠務系統的空調及冷卻水系統去消耗電能承擔處理,這些被浪費的能量最終將被排放到環境中!

對生產和應用效率的影響
回到設備本身對應用及生產工程部門的影響。首先沒有壓縮機需要維護,減低了Fab人力物力的需求。由於可以靠近主機台安裝,可以方便的採用供液段或回液段的溫控方式,製冷機可以更穩定快捷的溫度回應,工藝工程師有更多的溫度應用視窗進行選擇,最大程度減小生產中的溫度漂移。恰當設置的回液段溫控方式可以説明工藝工程師定位最佳良率的溫控點。
 
與上述節能型製冷機對應,行業中還出現了微型真空泵,異曲同工的大幅縮小了真空設備的體積。使得Fab生產的附屬設備有可能將無塵室的高架地板下的空間有效的應用起來,從而把原有的配套設備空間轉化為直接生產空間。未來這樣的組合使用很可能建設出有效生產面積占大比重的新廠務結構,運營成本和產能結構大幅改善,

由於半導體製冷晶片本身的特性,目前半導體製冷技術已足以覆蓋蝕刻領域80%到90%以上的工序,傳統壓縮機製冷在少數超低溫大功率的應用中,還保有一定優勢。隨著大功率半導體製冷技術的進一步開發,這一比率還在提升中。

基於半導體製冷技術的冷卻系統的超小結構還使得作為半導體生產主要工藝之一的刻蝕設備有可能把製冷系統集成到主機台中,這不但可以幫助刻蝕機台更容易完成系統的工藝調試,還將進一步從根本上簡化Fab的廠務配置,終端使用者的總體Cost Of Ownership可以降低,這樣的機台在應用上的優越性靈活性和傳統機台相比又有提高。

在中國大陸的Fab方興未艾的建設時,臺灣半導體行業已經在環保和能耗的主題上投入了相當的研究,並開始廣泛應用到實際生產。在規劃建設階段就把環保和能耗的持續開發納入系統考量可以説明新興半導體晶片廠在生產環節上提升起跑點,提高在未來產業中的競爭生存能力。
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