超越晶圆厂 ： 脱碳范围 3 上游排放

半导体实践 超越晶圆厂：脱碳范围3 上游排放 随着实现净零排放的必要性的增长，半导体公司越来越关注供应商的排放。 本文是MartinBurkardt，FelixDietrich，SebastianGöke，MarkNikolka，MarkPatel，PeterSpiller和TuiskuSuomala的共同努力，代表了麦肯锡半导体实践的观点。 2023年10月 半导体制造的每一步，从晶圆制造到封装，需要化石燃料并产生排放。为了应对气候变化，一些半导体公司最近采取了重大步骤来脱碳。这些努力是向更可持续运营过渡的第一步，它们正在加强作为公司的主要目的 客户制定更加雄心勃勃的减排目标。例如，英特尔最近承诺到2040年在其全球运营中实现温室气体(GHG)净零排放 ，并将实现100%使用可再生电力作为2030年的一个临时里程碑。由于半导体公司通常是排放量最大的供应商之一 ，因此随着最终客户越来越多地向上游看，它们将面临特别的审查。 随着半导体公司竞相满足供应商的期望，他们必须扩大脱碳努力。迄今为止，他们的大多数计划都集中在两个排放类别：与晶圆厂内的活动直接相关的排放类别（范围1 ）以及由购买的电力，蒸汽，加热和冷却设备产生的排放类别 （范围2）。由于范围1和范围2的排放量仅占晶圆厂温室气体总量的65％，因此公司只能通过扩大努力将范围3上游排放纳入其中来实现客户的净零目标-这些排放来自为芯片制造提供服务或硅和其他材料的供应商。1 由于迄今为止在试图建立排放透明度和推动脱碳计划时遇到的挑战，许多半导体公司对解决范围3上游排放犹豫不决。问题的产生主要是因为排放分散在数百家供应商和数千种材料中。但是半导体公司现在可以通过应用新的方法 ，利用自动化的基线工具，并在拥有最高管理支持的跨职能计划中推动其范围3上游脱碳来克服这些障碍。在本文中，我们探讨了半导体参与者可以通过促进与供应商的合作努力，改善废物管理，重新设计或增强产品规格以及优化材料使用来使其范围3上游排放脱碳的方式。 由于范围1和范围2的排放量仅占晶圆厂温室气体总排放量的65％，公司只能实现客户的净零目标 通过扩大努力，将范围3上游排放包括在内。 1范围3下游排放与包括半导体的产品的使用有关，本文不进行讨论。 范围3上游排放：被忽视但重要的类别 我们的分析表明，典型晶圆厂的上游排放有三个主要来源 （图表1）： —采购材料(代表约 所有范围3上游排放量的62%) —维修服务、备件和设备升级的资本支出(约22%) —供应商运输，如材料交付(约6%) 当然，每个晶圆厂可能与规范不同 在某些方面。例如，一些公司可能已经依赖优先考虑可再生能源的化学品供应商。但是许多晶圆厂的一个共同因素是对范围3上游排放缺乏清晰，包括与特定材料、服务或供应商相关的数量。 例如，半导体制造中常用的三氟化氮（NF3）对全球变暖潜力的影响非常高。与NF3的生产有关的逃逸排放-无意中逸出的排放可能高于与实际相关的排放 NF3生产过程，但这些都很难量化。 附件1 购买的原材料占范围3排放量的62％。 范围3（上游）排放的份额，典型的半导体制造，1% 化学品22 酸/苛性碱溶剂水其他297纯化2 5 62% 已购买原材料 晶圆15 硅片15 气体13 氮气惰性气体氟化气体732 Other31 金属（目标）8 钽铝钨/钨其他4 3221泥浆2护垫、护发素 泥浆、垫、护发素2 电镀1 石英、电镀、光罩2交通运输6 交通运输6 Maintenance16 Parts6零件维修专业103服务 3 资本支出 设备和工具（仅包括有限升级）6 升级6设施6 超纯水和废水2废物清除1Other72 其他业务支持4 IT包括硬件/软件2Other82 注意：由于四舍五入，数字可能不会总和为100%。 1节点尺寸为40-90纳米的300毫米半导体晶圆厂的平均排放量。2光刻胶和特种化学品。3氘, 硅烷和氧气。4主要是铜、金和钛。5包括石英光罩。6包括消耗性材料。7包括附件、建筑管理等。8以专业服务为主。 麦肯锡公司 许多半导体公司还可能使用误导性假设来计算其范围3上游排放。考虑铝。虽然大多数行业可以使用99％的纯铝而没有并发症，但半导体公司通常需要99.9％的纯度，而这种轻微的改进需要更多的能量，部分原因是重复的熔化和冷却以及电化学净化需要增加排放。同样的模式适用于许多其他材料。 虽然晶圆厂可能在采购过程中与数百家供应商打交道，但我们的分析显示，大约六到十个供应商将占化学品、晶圆和气体排放量的一半（图表2）。对于维护、备件和设备升级的资本支出，大约三到五个供应商将占排放量的一半以上。 这些模式意味着半导体 公司可以通过专注于相对较小的供应商群体来解决大部分范围3上游排放。 ThefirststepindecarbonizingScope3upstreamemissionsinvolvesestablishingadetailedandreliablebaseline.ThiscanbedonebyexaminingprocurementdataforTier1suppliers,includingtheexactquantitiesofmaterialspurched.Whilefabswill 数据，这些信息对于某些类别可能是不可用或不相关的 ， 例如服务。在这种情况下，他们必须检查支出水平。在估算与不同材料和服务相关的排放时，我们的方法要求晶圆厂考虑制造半导体级优质材料所需的高能量需求（有关更多信息，请参见侧栏“我们估算范围3上游排放的方法” ）。 附件2 十个或更少的供应商通常贡献化学品、晶片和气体排放的一半。 供应商基础，典型的半导体制造1 负责50%类别范围3排放的供应商数量 采购原材料 维护和资本支出升级其他运输 化学品晶圆气体 金属（目标） 石英、电镀、光罩维护资本支出升级上游物流设施 其他业务支持总计 25人中的3- 5人 10个中的2-3个 10个中的1-2个1-2of5 10个中的1-2个 15个中的2-3个 20个中的2-3 个 n/a 25-40of≥3503 3-5of≥1002 5-6of≥100210-15of≥ 1002 1节点尺寸为40-90纳米的300毫米半导体晶圆厂的平均排放量。由于对排放的影响可忽略不计，将非常小的长尾供应商排除在供应商总数之外。 2依赖的供应商数量（例如，基于OEM/本地/第三方维护供应商的替代零件采购和使用的成熟度）。 3一些供应商提供几个类别。 麦肯锡公司 我们估算范围3上游排放的方法 要建立作为范围3上游排放的基准，我们检查了典型工厂的采购数据，并利用了麦肯锡的可持续发展解决方案CatalystZero，该解决方案分析了超过30万个基于支出和消费的排放因子的专有数据。该数据库还考虑了有关材料量的信息以及半导体晶圆厂和供应商最近执行的改进措施。我们的分析侧重于典型的供应商数据。 300毫米半导体晶圆厂，在亚洲、欧洲和美国的节点尺寸范围为40到90 纳米。 Thefullrangeofleversacrossfourareasandrequirestheinvolvementofdifferentstakeholdersintheorganization(Exhibit3).Semissioncompaniesshouldconsideralloftheseleverstodevelopthemosteffectiveandefficientapproachtodecarbonization 一些收益可能来自要求供应商使用可再生材料或确定方法 toreducewastewithinfabs,therebydecreasingthevolumeofmaterialsordered.Otherleversinvolvesoptimizationthematerialsused(forinstance,usingmetalswithaloweremissionfootprintorchangingproductspectionstoreducetheneedfor高排放材料）。制造商应考虑所有杠杆的成本和脱碳潜力，buttheirabilitytoimplementthemwilldifferent.Theinternalstakeholdersorfunctionsinvolved 也会有所不同。 为范围3上游排放寻找正确的脱碳途径 一旦半导体公司为一级供应商建立了排放基准，他们就必须确定一套正确的脱碳杠杆来减少其排放，重点关注贡献最大排放的供应商和材料。 最高领导的承诺和参与 对于推动不同职能的脱碳至关重要，包括运营、技术、开发和采购。 附件3 整套范围3上游脱碳杠杆可分为四个区域。 范围3脱碳杠杆 关键利益相关者类别技术专家维修研发采购财务 供应商脱碳减少废 物 材料优化产品规格 切换到 参与供应商 增加 改进 增加自我 使用替代 变更产品 低碳 在他们的 寿命 材料 和现场 材料(例如， 规格 供应商 脱碳 使用的材料 回收 代 气体，金属， 减少 旅程 在生产中 用于化学品 chemicals) 材料 和气体 消耗量 LOWER实施复杂性HIGHER 麦肯锡公司 供应商脱碳 在帮助供应商脱碳时，晶圆厂可能希望专注于前三大材料类别-化学品，晶圆和气体-因为它们对范围3上游排放的影响巨大。 在许多情况下，晶圆厂可以通过从目前的一级供应商切换到碳足迹较低的供应商来减少排放。但是，如果他们想保持现有的关系或别无选择，晶圆厂可以与目前的供应商合作以加快脱碳计划。 例如，他们可以共同商定减排目标，确定减排杠杆，并定义执行路线图。 对于许多购买的材料，包括晶圆，过氧化氢，氟化氮和铝 ，来自常规来源的能源将占生产过程中排放的一半以上。Fabs也许能够通过提供财务激励或其他好处来降低这一百分比，以鼓励供应商增加对可再生能源的使用。然而，应用这一杠杆的能力会有所不同，因为供应商可能位于可再生能源有限的国家。对于。 一些化学品和工艺气体，晶圆厂也可能与供应商合作，提供创新的生产工艺或合成路线，降低整体排放。 许多排放来自不与晶圆厂直接互动的二级供应商，或者来自更上游的供应商。这些供应商也为工厂的范围3上游排放做出了贡献，因此他们需要成为任何脱碳工作的一部分 。一级供应商可能最适合鼓励二级供应商减少排放，因为他们作为最终客户的关系可能会给他们更多的杠杆作用。尽管供应商似乎很难在价值链上进行合作，但存在过去合作的例子。例如，半导体公司和一级供应商。 当监管机构开始阻止使用全氟化碳时，工具和化学品密切合作，以减少全氟化碳的使用。 尽管半导体公司与太多的供应商打交道，无法为每个供应商制定单独的脱碳计划，但他们仍然可以通过实施新的采购策略来推动整个供应商基础的改进，例如优先考虑披露其排放量或排放量低于竞争对手的供应商的政策(参见侧栏 “脱碳晶圆生产”，例如晶圆厂可以采取的具体步骤） 。 减少废物 在短期到中期，晶圆厂还可以通过采取措施减少其设施内的废物来减少范围3上游排放，但他们必须首先平衡权衡并识别潜在风险。考虑晶圆清洁。单个晶圆 runsthroughmorethan100differentchemicalbathswhilebeingprocessed.Fabsmightbe 能够增加在同一化学浴中处理的晶片数量，以减少浪费 ， 但是跨职能团队首先需要确定重用何时可能会降低产量制造商还可以调查它们是否可以通过增加预测性维护来延长机器零件的寿命，或者通过指定仅在超过特定触发器 （例如颗粒计数）后才应更换备件来确定它们是否可以减少备件的使用。 回收-很少有晶圆厂进行广泛努力的领域-如果领导者扩大目前的计划，也可以减少浪费。例如，他们可以调查引入材料回收计划的可能性，例如以前没有重复使用的超高纯度铝。 经过调查，晶圆厂必须确定如何去除杂