降低先进半导体制造中湿法化学工艺的环境影响

《Sustainable Chemistry》：Reducing the Environmental Impact of Wet Chemical Processes for Advanced Semiconductor Manufacturing

　　

半导体制造属于资源与能源密集型产业，具有显著的环境足迹。为解决该问题，研究人员提出一种基于环境足迹（Environmental Footprint, EF）3.1生命周期影响评价（Life Cycle Impact Assessment, LCIA）框架量化半导体单元工艺环境影响的方法学，重点识别对缺陷敏感度较低工艺步骤中的改进机会。该方法学被应用于背面湿法清洗，提出采用臭氧基化学液的替代单片晶圆工艺。评价使用imec 300 mm试产线的一手数据。结果显示，相较基准的“臭氧水与稀HF重复使用的旋转清洗（Spin Cleaning with Repetitive use of Ozonated water and Diluted HF, SCROD）”工艺，所提工艺总环境足迹降低55%。关键减量包括清洗用电减少67%、HF用量减少59%、超纯水（Ultrapure Water, UPW）消耗减少31%。若推广至月投片50,000片N28逻辑晶圆、每片经46次背面清洗的工厂，该工艺每年可节电约400万kWh、节水约2800万升（28,000 m3）。敏感性分析表明，将化石电力替换为水电可使总环境影响进一步降低至多63%，凸显工艺创新与可再生能源供给协同的效益。

研究背景与问题提出

半导体产业随AI加速器、边缘计算及汽车、云服务等需求快速增长，全球销售额2025年一季度同比增18.8%。晶圆厂（fab）全天候运行，耗巨量电力、超纯水（UPW）与特种化学品，相关温室气体（GHG）排放预计由2020年1.68亿吨CO₂当量升至2030年2.77亿吨。现有文献多聚焦宏观可再生能源、厂级水管理或理论建模，缺乏基于一手数据的工艺级可实施案例。高量产（HVM）设施因良率约束不愿改动成熟流程，故需从非良率敏感步骤（如晶圆背面清洗）切入。本文发表于《Sustainable Chemistry》，旨在以imec 300 mm试产线数据提供湿法清洗减排的工业级蓝图。

主要关键技术方法

研究人员采用imec.netzero 5.1.2自底向上建模N90–A14逻辑节点全flow以定位热点；选取湿法类中的背面清洗，在比利时Leuven的imec洁净室使用Lam Research DVPRIME 4腔单片工具，对比基准SCROD与替代Hydrofluoric Ozonated Mixture（FOM）工艺。通过质量-能量衡算采集一手LCI，结合Ecoinvent 3.11上游数据库，按EF 3.1的16项指标归一化加权得单一EF分值；金属残留用TXRF、表面粗糙度用AFM评定；电力碳强度做水电替代敏感性分析。样本为300 mm双面抛光硅片，金属污染片由ICP-MS标准液旋涂制备。

研究结果

3.1 全flow技术初始环境评价

3.1.1 总GWP影响：N90至A14每片GWP随节点推进上升，N5后EUV光刻占比飙升至22%；湿法类在N90–N10占约14%。湿法非最敏感模块，适为可持续切入点。

3.1.2 UPW消耗：CMP与湿法类各占31–49%，湿法背面清洗可降UPW超50%。

3.1.3 化学品消耗：湿法类占全flow化学品35–59%，为最大热点。

3.2 低影响工艺情景分析

3.2.1 性能：FOM与SCROD均使金属污染降至原1/10以下，FOM多数金属低于TXRF检测限（如Cu 3.7×10⁹ atoms/cm²）；粗糙度ΔRMS控制在±0.5 ?内，满足键合要求。

3.2.2 LCI：FOM单片清洗用电降67%，HF降59%，HCl降77%，自来水降31%；折算月投50,000片N28、每片46次背面洗，年节电400万kWh、自来水2.8万m³；CAW（污染酸废液）增96%但IWW（工业废水）大减，总废水降>30%。

3.2.3 LCIA：FOM单晶圆EF点4.9×10^?6较SCROD 1.1×10^?5降55%；气候、非再生能源、淡水富营养化、酸化、电离辐射、水耗六项占83%；电力供给占淡水富营养化87%。

3.2.4 敏感性分析：换瑞士水电（>85%水电）后SCROD总影响再降63%，FOM再降19%至2×10^?6 EF点；水耗跃为首要类别，气候变更次；同尺度HVM年减CO₂当量约2400吨。

讨论与结论翻译

讨论指出，背面清洗属湿法类热点（化学品达59%），FOM以低缺陷敏感前提取代SCROD而不损性能。基于imec 300 mm试产线一手数据，FOM总足迹降55%，主因用电?67%、HF?59%、HCl?77%、UPW?31%；月投5万片N28厂年节水2.8万m³、电400万kWh。水电替代再降63%，但水耗类别权重上升，需全类别LCA优化。FOM限于硅表面，SiN/SiO₂等需后续验证，高吞吐线需重新工程化。

结论：研究展示以数据驱动、针对背面清洗用FOM替SCROD的HVM可行路径。FOM清洗用电?67%、HF?59%、UPW?31%，总EF点?55%；金属去除同量级、粗糙度Δ≤0.5 ?，无性能惩罚。该低危高影响改造蓝图可促进行业可持续转型，未来可拓展至湿法类其他模块及多架构验证。