国内外集成电路制造业PFCs排放量计算方法的对比研究

杨杰雄，杨庆宇，李三良，杨永刚

(中芯国际集成电路制造(上海)有限公司，上海 201203)

集成电路制造行业是信息产业的基础，也是我国近年来重点发展的行业之一。集成电路制造作为中国制造2025规划中重点发展的行业，预期在未来几年内还将得到更大的发展。根据国际半导体设备材料产业协会(SEMI)发布的全球集成电路芯片制造厂的预测，预计在2017年至2020年期间全球将新建62座集成电路芯片制造厂，其中中国就将新增26座集成电路芯片制造厂，约占全球总新增数量的42%[1]。

此外，集成电路制造业作为高科技行业，在其制造过程中也使用到了大量具有极高全球暖化潜势值的全氟化物(PFCs)，也是PFCs的主要排放源之一[2]。集成电路制造业在集成电路制造过程中会使用到CF4、C2F6、C3F8、C4F8、C4F6、C5F8、CHF3、CH2F2、NF3和SF6等多种PFCs，这些PFCs大部分都很难裂解，在大气中存活年限长，同时具有很强的红外光线吸收能力，能吸收大量的地表及低空热辐射能，全球暖化潜势值极高[3-5]。因此，在巴黎气候协定后我国进一步加大温室气体减排的大形势下，如何控制PFCs的排放也是集成电路制造业在大力发展过程中不得不面对及解决的问题，而要解决排放控制问题的一个关键前提，就是有效、准确地实施排放量核算，提供准确的PFCs排放数据与信息，以为企业挖掘减排潜力、制定科学的减排目标提供依据[6]。

本文通过比较国内外集成电路制造业PFCs排放量计算方法的异同点，分析其优劣性，以期找出适合我国集成电路制造业PFCs排放量的计算方法，并为未来进一步改进计算方法提出了建议。

1 集成电路制造中全氟化物的产生环节

集成电路制造业在集成电路制造过程中PFCs主要产生于原料及运输过程、消耗及尾气处理环节等。

1. 1 原料及运输过程

集成电路制造所使用到的PFCs通常是以压缩方式储存在气体钢瓶内，运输到集成电路制造厂化学品库房临时储存后，转运到生产车间气体房的供应柜，再以管线输送至所需的制程设备，制程使用后再通过尾气处理设备处理后排入大气。PFCs在运输过程中虽然可能发生泄漏的意外，但目前上述过程均在严格控制的条件下操作，且设置有流量与泄漏侦测系统，因此生产运输过程中PFCs泄漏的排放量基本可以忽略不计[7]。

1. 2 消耗及尾气处理环节

PFCs主要应用于集成电路制造中两个重要制程：蚀刻工序(Etch)和化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)，其中又以CVD制程为主，比重占全部工艺制程所使用PFCs的70%～90%[8]，其主要用途是作为反应腔室的清洁气体，在清洗过程中PFCs被解离消耗的百分比只有20%～30%，因此有大量的PFCs排放到废气中。另外,在制程中还会有一定的比例转化为CF2、COF2、HF与F2等副产物排放到废气中。

上述制程废气基本上会在制程末端通过本地废气处理系统做立即处理，再汇集到排气风管经中央废气处理系统后排入大气。目前集成电路制造业针对PFCs采用的本地废气处理系统主要有高温电热水洗、燃烧水洗、干式吸附、触媒氧化装置和电浆等技术，其对PFCs的去除率一般在90%以上。

2 国内外集成电路制造业全氟化物排放量的计算方法

目前已有多个国家政府和国际组织发布了针对集成电路制造业PFCs排放量的计算方法，主要有：政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)发布的《2006年国家温室气体清单指南》中的电子工业章节[9]、世界可持续发展工商理事会(World Business Council for Sustainable Development,WBCSD)与世界资源研究所(World Resource Institute,WRI)联合开发的《温室气体议定书》[10]、美国环境保护署(U.S.Environmental Protection Agency,EPA)发布的《电子工业温室气体报告》[11]，以及我国国家发展改革委员会办公厅2015年发布的《电子设备制造企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》[12]。

2.1 IPCC的《2006年国家温室气体清单指南》

政府间气候变化专门委员会(IPCC)是由世界气象组织(World Meteorological Organization,WMO)和联合国环境署(United Nations Environment Programme,UNEP)在1988年共同建立的政府间机构，主要任务是提供有关气候变化的科学技术和社会经济认知状况以及气候变化原因、潜在影响和应对策略的综合评估。该委员会于2005年评审并发布了《2006年国家温室气体清单指南》(以下简称IPCC的2006年指南)，该指南是目前国际较为通用的温室气体排放量计算方法。IPCC的2006年指南第3卷是针对工业过程和产品使用的排放量计算，其中的第6章专门针对电子工业，该章对集成电路制造过程中的PFCs排放量根据数据及参数的收集程度，提出了几种从粗略估计到精确计算的方法，依次为方法1——缺省法 (Tier 1)、方法2a——特定过程气体参数法(Tier 2a)、方法2b——特定过程类型参数法(Tier 2b)、方法3——特定过程参数法(Tier 3)。

2.1.1 方法1——缺省法

此方法不需考虑废气排放控制技术的使用，主要是通过产量来推算PFCs的排放量，即产品的面积与排放因子的乘积，其具体计算公式为

FCi=EFi·Cu·Cd

(1)

式中：FCi为PFCs气体i的年排放量(kg)；EFi为气体i的PFCs排放因子，对集成电路产品一般用每平方米的年排放量来表示(kg/m2)；Cu为年产能利用率(%)；Cd为设计的年产能(m2)。

各种PFCs气体的排放量之和为PFCs排放的总量。可见，该方法计算过程十分简单，但未将PFCs制程使用类型纳入计算，也未考虑使用排放控制设备处理后的排放消除效果,因此该方法是相对不准确的估算方法，一般不推荐使用，仅当确实无法获得特定公司数据时采用此方法。

2.1.2 方法2a——特定过程气体参数法

此方法是根据有关气体消耗量和排放控制技术的特定参数来计算与生产相关的各类PFCs的排放量，该方法所使用的数据为每种气体在所有制程中的总使用量，不需要区分每种气体在不同制程中的具体使用量。其具体计算公式为

Ei=(1-h)·FCi(1-Ui)·(1-ai·di)

(2)

式中：Ei为气体i的排放量(kg)；FCi为PFCs气体i的使用量(kg)；h为使用后容器(气瓶)中剩余的气体比例(根部)(%)；Ui为气体i在制程中的使用比例(指经过生产过程中去除或转换的比例)(%)；ai为气体i被收集到排放控制设备的比例(%)；di为排放控制设备对气体i的去除比例(%)。

该方法还要求考虑工艺生产过程中产生的副产物，副产物的排放量计算公式为

BPi,j=(1-h)·Bi,j·FCi·(1-ai·dj)

(3)

式中：BPi,j为第i种原料气产生的第j种副产物的排放量(kg)；Bi,j为第i种原料气产生第j种副产物的转化因子；aj为排放控制设备对第j种副产物的收集比例(%)；dj为排放控制设备对第j种副产物的去除比例(%)；i为原料气的种类；j为副产物的种类。

公式(3)中副产物的种类主要为CF4、C2F6、CHF3和C3F8，通过对所有PFCs的排放量求和，即得出PFCs的总排放量。

该方法考虑了容器中剩余的气体比例、制程中的使用比例、收集到排放控制设备的比例、排放控制设备的处理效率、副产物的种类及其在生产过程中的转化因子、副产物的收集及去除比例等多种因子，因此计算结果较为准确。但该方法并未区分具体的制程类型(蚀刻或化学品气相沉积)，其每种气体的因子是采用当前主流制程技术下各制造过程中分别形成的气体因子的加权平均值，因此如果某些公司的制造技术与当前主流制程技术不一致(如将某种气体主要用于蚀刻，而其他企业主要在化学品气相沉积中使用)，则应用此法得出的PFCs排放量结果将会不够准确。

总的来说，该方法兼顾了结果准确性及计算过程的复杂性，因而成为目前应用最为广泛的集成电路制造业PFCs排放量的计算方法，包括世界半导体协会、中国台湾和大陆地区的温室气体盘查标准等都直接采用或参照了本计算方法。

2.1.3 方法2b——特定过程类型参数法

此方法分别对不同制程类型的PFCs排放量进行了单独计算，当能获得每种制程(蚀刻或化学品气相沉积)的相关数据时，可使用该方法。其具体计算公式为

Ei=(1-h)·∑[FCip·(1-Ui,p)·

(1-ai,p·di,p)]

(4)

式中：Ei为PFCs气体i的排放量(kg)；p为制程类型(如蚀刻或化学品气相沉积反应器腔室清洁)；FCi,p为制程类型p中PFCs气体i的使用量(kg)；h为使用后容器(气瓶)中剩余的气体比例(根部)(%)；Ui,p为制程类型p中气体i在制程中的使用比例(指经过生产过程中去除或转换的比例)(%)；ai,p为制程类型p中气体i的使用比例收集到排放控制设备的比例(%)；di,p为制程类型p中排放控制设备对气体i的去除比例(如果在制程类型p中使用多类排放控制技术，则这里取多类排放控制技术去除比例的平均值，该平均值需根据PFCs在每类排放控制技术下的使用量，计算每类排放控制技术所对应去除比例的权重，再加权取平均值)(%)。

此外，与方法2a类似，该方法需计算副产物PFCs的排放量，如CF4，C2F6，C3F8(仍需区分制程类型并分别提供转换因子)，然后通过对各种气体i及副产物的排放量求和，得出PFCs的总排放量。该方法区分了制程类型之间的差异，一定程度上提高了计算的准确性，但对相关参数的数据收集要求较高。

2.1.4 方法3——特定过程参数法

此方法也使用方法2b的计算公式，但该方法的数据需要具体到每一个制造单元(制程机台)的PFCs排放量，而不仅仅是方法2b所采用的总的制程类型的PFCs排放量，因此采用此法需要收集每一个机台PFCs排放量的相关数据，数据收集的人力及成本投入较大，造成该方法的应用局限性较大。

2. 2 WRI的《温室气体议定书》

WRI的《温室气体协定书》(以下简称GHGProtocol)是由美国的非政府组织——世界资源研究所(WRI)与世界可持续发展工商理事会(WBCSD)主持开发，企业界、非政府组织和政府等多方利益相关团体共同制定的温室气体核算与报告准则。其中，有专门为半导体行业制定的PFCs排放量的计算方法如下：

Emissions forPFCi=PFCi·(1-h)·

[(1-Ci)·(1-Ai)+Bi(1-ACF4)]

(5)

式中：h为使用后容器中剩余的气体比例(根部)(%);PFCi为气体i的采购量(kg)；Ci为气体i的利用效率(%)；Ai为气体i的去除效率(%)；Bi为气体i转化为CF4的转换因子；ACF4为副产物CF4的去除效率(%)。

由公式(5)中可以看出，该计算方法与IPCC的2006年指南中方法2a 的计算公式相似，但是副产物仅仅考虑了CF4，而且部分排放系数值略有差异，不过目前两者正在加强合作，将来有可能采用一致的排放系数值。

另外,GHGProtocol还专门开发了适用于半导体行业的PFCs排放配套计算工具，并公布于其官网上，供免费下载使用，用户只需按步骤输入各PFCs的原始采购量和进入本地处理设备的比例，即可自动计算出PFCs的排放量，极大地简化了企业的计算工作量。

2. 3 EPA的《电子工业温室气体报告》

美国环境保护署(EPA)在2013年发布了《电子工业温室气体报告》，它所规定的集成电路制造业PFCs排放量的计算公式与 IPCC的2006年指南中方法2b类似，不过各类参数值却有所不同，它将排放因子不仅按照制程类型分类，还根据目前主要的集成电路晶圆产品尺寸类型(150 mm/200 mm和300/450 mm)进行分类，并采用不同的参数值进行计算，而且每三年会对参数进行更新，因此一定程度上提高了PFCs排放量计算的准确度。

EPA在2010年的排放数据基础上，分别使用IPCC的2006年指南方法2b和EPA的《电子工业温室气体报告》的排放因子参数进行了计算与对比分析，结果表明：200 mm的集成电路制造晶圆厂PFCs的排放量，使用EPA的《电子工业温室气体报告》得到的排放因子参数的计算值比使用IPCC的2006年指南中方法2b得到的计算值高出了9%，而300 mm的集成电路制造晶圆厂PFCs排放量的计算值则高出了12%。

2.4 中国的《电子设备制造企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》

我国发展改革委员会在2015年发布了《电子设备制造企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》，其中包含了集成电路制造中PFCs排放量的计算方法，该方法与IPCC的2006年指南中方法2a的计算公式(2)相同，以PFCs制程排放量和生成副产物的排放量的总和为PFCs的排放量。另外，该指南还规定了原料气消耗量FCi的具体计算公式为

FCi=IBi+Pi-IEi-Si

(6)

式中：FCi为报告期内第i种原料气的使用量(kg)；IBi为第i种气体的期初库存量(kg)；IEi为第i种气体的期末库存量(kg)；Pi为报告期内第i种气体的购入量(kg)；Si为报告期内第i种气体向外销售/输出量(kg)。

公式(6)中具体数据主要根据企业台账、统计报表、采购记录、领料记录等为依据来确定。此外，原料气体的利用率、产生副产物的转化因子主要参考我国台湾经济部工业局公布的《温室气体盘查工具》，少数因子参考IPCC的2006年指南的推荐值。排放控制设备对原料气体与副产物的收集率和去除率由设备厂商提供，如果不能提供则参照该指南给出的推荐值(参考台湾经济部工业局公布的《温室气体盘查工具》)，原料气体在容器的残余比例采用固定推荐值10%。

该指南所提供的计算方法主要是结合目前国际上通用的计算方式和我国半导体企业的实际情况制定出的指导方法，排放系数也是参考国际上通用的数值，但并不能真实地反映出我国集成电路制造业PFCs实际的排放情况。

2. 5 几种计算方法的对比分析

通过前述对集成电路制造业PFCs排放量各种计算方法的介绍，本文从原始数据要求、计算复杂程度、准确度方面对各种计算方法进行了对比分析，详见表2。

表2 集成电路制造业PFCs排放量计算方法的比较Table 2 Comparison of calculation methods of PFCs emission in semiconductor manufacturing industry

3 结论与建议

温室气体排放量的计算是一个复杂的过程，就集成电路制造业PFCs排放量的计算方法而言，当前国内外的各种计算方法虽然看似相似或相通，但其实每种计算方法都有经过设计者分析和权衡之后的独特性。因此，随着全球性气候变化形势的进一步严峻，势必会推进各国及各国际组织之间加强温室气体减排的共同协作，通过不断研究及持续改进，建立准确度高、受各方认可的PFCs排放量的计算方法。基于此，本文以上述各种计算方法的对比分析为基础，对我国集成电路制造企业及温室气体减排相关政策制定者提出以下建议：

(1) 加强集成电路制造过程中PFCs排放相关数据的收集。我国集成电路制造企业大多处于发展阶段，因此基于成本考虑，一般无法对PFCs的排放量进行直接地连续检测，只能通过适当的计算方法进行估算,但企业应在合适成本控制的基础上，尽可能详细监测及记录各项PFCs排放的相关数据，以提高计算结果的准确性。

(2) 建立PFCs排放量计算因子的基准数据库。由于我国集成电路制造业起步较晚，相关基准数据的研究比较滞后，所以当前采用的集成电路制造业PFCs排放量计算方法中的各项排放因子直接采用了我国台湾经济部工业局和IPCC的2006年指南发布的参照数据，但各国及各地区之间集成电路制造的产品在尺寸、工艺节点、产品类型、产量规模以及尾气消除设备类型等方面都不相同，因此直接采用其他国家及地区的数据并不能反映我国的真实状况。而随着我国集成电路制造业的不断发展，辅助以PFCs排放量计算相关数据的监测、收集及分析等手段的不断完善，我国也应逐步建立符合于我国集成电路制造业实际的PFCs排放量计算因子的基准数据库，以在未来的国际协作中呈现我国的真实排放情况。

(3) 逐步采用更具准确性的计算方法。随着相关数据的收集及排放因子的完善，我国应逐步采用准确度更高的集成电路制造业PFCs排放量的计算方法。短期内，我国可以考虑由政府部门出台政策，辅助以对企业的激励措施，逐步将PFCs排放量的计算方法从IPCC的2006年指南中的方法2a过渡到方法2b。

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[11]US EPA.Greenhouse gas reporting program:Final amendments and confidentiality determinations for electronics manufacturing[J].FederalRegister,2013,78(219):68161-68238.

[12]国家发展改革委员会办公厅.电子设备制造企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)[S].北京：国家发展与改革委员会，2015:1-24.