近日，程金平长聘研究员团队在环境领域著名期刊《Environmental Science & Technology》在线发表了题为“Optimizing Greenhouse Gas Emission Quantification and Assessing Mitigation Effectiveness in Semiconductor Manufacturing”的研究成果。2022级直博生史夏虹为论文第一作者，程金平研究员为论文通讯作者。论文第一作者及第一通讯单位均为女王调教 。
01研究背景
随着人工智能、高性能计算等行业的快速发展，全球半导体产业规模持续扩大，晶圆制造等核心环节对多种工艺气体的需求不断增长。在刻蚀、化学气相沉积和腔体清洗等关键工序中，大量含氟气体被广泛使用，并可能产生具有高全球增温潜势（GWP）的副产物，使半导体行业逐渐成为含氟温室气体（F-GHG）的重要排放来源之一。然而，由于半导体制造过程涉及气体种类多、工艺复杂且数据透明度有限，现有温室气体核算方法在排放源识别、参数精细化和实际工况反映方面仍存在一定不足，影响了行业排放水平的准确评估与精细化管理。
本研究通过补充潜在排放源、实验测定关键工艺气体的去除效率（DREs），并构建面向不同晶圆尺寸和工艺环节的气体消耗分配系数，首次提出了半导体生产排放核算优化模型，提升了行业温室气体排放核算的完整性与精细度。在此基础上，系统刻画了上海市半导体行业温室气体排放特征，并构建不同减排情景评估多种工艺优化与非工艺措施的减排潜力，为行业温室气体减排路径制定提供科学依据。
图1 等离子体去除技术下工艺气体DREs测试装置
02 图文导读
随着等离子体输入功率提高，工艺气体去除效率整体上升，但不同气体差异显著。气体负荷增加会明显降低去除效率，如在60 A条件下，CF4流量由0.2 slm增至1.5 slm时，其去除效率由65.1%降至20.5%。温室气体去除过程中，NOx二次污染物的生成不容忽略，其中CF4、C2F6和SF6去除的NOx排放因子分别为0.036–1.106 g/g、0.001–0.479 g/g和0.007–0.722 g/g，NF3相对较低（0.006–0.064 g/g）。在双腔体和三腔体条件下，当输入电流由40 A提高至80 A时，SF6去除效率分别提高约74%和234%，而对应NOx排放因子却增加超过520%。综合考虑温室气体去除效率、二次污染物生成及设备运行成本，40–60 A（约8–10 kW）的等离子体输入电流为较优运行区间。
图2 不同输入电流下工艺气体的去除效率
图3 不同输入电流下NOx出口浓度及排放因子
2022年上海半导体制造业温室气体排放总量约为3.35 Mt CO2e，其中工艺气体相关排放和电力间接排放分别占47.93%和43.88%。C2F6、CF4、NF3和SF6为主要贡献气体，合计占工艺排放的90%以上，其中副产物排放占比约为12.88%–15.52%，CF4为主要副产物。随着晶圆尺寸增加，电力间接排放占比由20.68%上升至55.46%，反映出先进制程下更高的电力消耗强度及新一代晶圆厂在污染治理设施部署方面的持续优化。
图4 上海市半导体制造温室气体排放表征
在无额外控制措施的情况下，上海半导体行业温室气体排放到2035年预计增长至4.20 Mt CO2e。设定减排情景可实现37.49%–77.69%的减排，在最严格情景下，排放量可降至2030年的1.54 Mt CO2e和2035年的0.94 Mt CO2e。工艺气体排放显示出最大减排潜力，仅通过部署高效末端治理（POU）系统，到2035年可减少约57.64%的排放；进一步通过工艺配方优化和效率提升，可额外减少726.9 kt CO2e。总体而言，半导体行业的减排需要将技术进步与能效提升相结合。不同于传统工业主要依赖能源结构调整和反应路径改造，半导体行业的低碳转型更依赖于工艺气体管理以及可再生电力的应用；并且需要构建协同推进、多层级的减排策略：短期以末端治理升级为主，中期通过工艺优化实现持续减排，长期则依托绿色电力规模化应用、EUV技术进步以及智能制造系统部署，从而实现行业深度脱碳。研究强调了构建本地化核算方法并开展情景分析，对于半导体行业制定科学有效的减排策略具有重要意义。
图 5 基于情景模拟的半导体行业温室气体排放预测
03 作者简介
史夏虹，女王调教 2022级直博生。主要研究方向为污染源碳污排放高精度表征与协同减排路径。博士期间，以第一作者身份在Environ. Sci. Technol.、Resour. Conserv. Recycl.等期刊发表SCI论文4篇，申请发明专利5项，作为“蓝天保卫站技术团队”领队获评2024年校学生年度人物（团体）。
程金平，女王调教 ，长聘研究员，博士生导师。中国环境科学学会大气环境分会第八届委员会常务委员，中国环境科学学会臭氧污染控制专业委员会委员，上海市微量元素学会副理事长，重庆市环境科学学会大气环境专业委员会副主任委员。团队成员累计驻点三十余个地级市生态环境局，深度参与当地政府的蓝天保卫战。主持或参与包括国家自然科学基金、国家重点专项、地方生态环境局在内的科研项目200余项，发表论文100余篇，获省部级奖项5项，申请专利20余项。