隨著對先進晶片的需求激增—受到人工智慧（AI）、交通運輸和雲端基礎設施的驅動，半導體產業面臨越來越嚴峻的兩難之境：該如何持續其過往的創新步伐，同時減少大量的環境足跡？ 從能源密集的晶圓廠運作，到全氟與多氟烷基物質(PFAS)等有害化學物質，晶片製造的環境成本正在增加。與此同時，永續倡議常被視為進步的阻礙，增加對資本設備的要求、提高營運成本，以及帶來那些有可能對性能和良率造成更多技術風險的變化。

本文透過在開發週期的早期階段整合環境考量、改善獲取製程級潛在影響數據的途徑，以及探索取代高影響力材料和傳統製程步驟的替代方案，以探討永續性可能變成設計參數而非限制的方法。本文表明，達成環境和商業目標不只在技術上可行，也具備環境正當性，尤其是在資源密集的製造環境。要達到這樣的成果必須把永續性結合到引導業界訂定決策的設計、工程和商業框架。

當技術進步需要付出代價時

創新一直是半導體產業成長的基石，不斷驅動商業決策和塑造技術進步。在微縮化、性能和運算力方面取得的重大突破持續形塑現代生活。然而，這種進步伴隨著不斷加劇的環境後果。半導體產業亟需資源，消耗大量的能源、水資源和特殊化學物質。在耗電的資料中心採用積體電路晶片推動了半導體業的成長，但也增加其環境足跡。另一項附帶的挑戰是專為製造開發的穩定分子也可能造成長期的負面影響：特殊化學物質與物件內部的製程氣體和持續性全氟與多氟烷基物質(PFAS)具備高全球暖化潛勢

技術進步和永續性之間的複雜關係突顯一項關鍵挑戰：如何持續推進晶片性能，同時滿足對降低環境影響的迫切需求。強調追求永續的急迫性剛好發生在半導體製造為了滿足人工智慧（AI）、交通運輸和雲端基礎建設的需求而加速發展的時候。單就由AI驅動的晶片製造所產生的排放量預計在2030年前達到1600萬公噸的二氧化碳。更多晶片代表更多功耗、更多材料使用、更多排放量，因而產生更多環境影響。

創新與環境責任可以共存嗎？

雖然晶片製造的環境影響越來越難以忽視，但是費心處理該問題時常被認為會偏離創新的核心動力。半導體生產的設計選擇專門為良率、產量和穩定度而優化。一旦技術進入製造，就算是小變化也可能帶來顯著的成本、技術風險和冗長的鑑定時程。這就是改用永續替代方案會遇到多道長期關卡的原因。就這點看來，在製程級影響方面的有限可見度使得確認最有效執行環境介入的切入點變得困難。其次，導入永續替代方案的成本通常與業界對良率和性能的重視互相衝突。第三點，取代像是全氟與多氟烷基物質(PFAS)等關鍵材料可能會帶來意料之外的取捨。因此，環境考量通常不會受到重視或分別處理，而是整合到早期設計階段。

儘管如此，永續性不必被單獨視為一種問題，而是可以藉由現有的開發框架來促進創新。從白熾燈改用發光二極體（LED）的轉變一開始是為了回應日益增長的能耗，而非市場趨勢。近來，曾經看似成本高昂的邊緣技術變成最具顛覆性的一種效率升級。LED現在點亮了從智慧手機到城市的各種事物，只使用一點點能源。

圖一 : LED現在點亮了從智慧手機到城市的各種事物，只使用一點點能源。

半導體業現在面臨從有害化學物質到大量能源使用所帶來的加劇環境挑戰，該產業有沒有可能見證一次類似的轉變？ 當然，半導體晶片比電燈還要複雜許多。該產業在有限的誤差容忍下運作，伴隨著較長的驗收週期與顯著的資金成本。但這些不應該成為阻礙。事實上，持續把極紫外光（EUV）微影、互補式場效電晶體（CFET）等新型電晶體設計與先進封裝化為現實的那種獨創能力也可以用來發展更具永續性的製造，前提是不把永續性視為限制，而是當作商業和設計決策的核心考量。

為了實現這種轉變，必須處理多項重要關卡：製程級環境影響可見度的匱乏、導入永續替代方案的成本，以及取代全氟與多氟烷基物質(PFAS)等根深蒂固的材料所帶來的技術難度。後面段落將深入探討這些挑戰，並指明用來做出有意義改變的契機。

關卡一：可見度問題？

一直以來，半導體永續創新的一大關卡是缺乏有關環境影響的可見度和數據。不同於良率、產量或成本的指標，排放量、用水量或材料使用等環境因素很少在製程層級測量。結果是這些環境因素還未納入例行的開發決策。

隨著全球倡議推動更嚴格的環境報告與影響評估，這種互動關係正在開始改變。 歐洲綠色政綱(The European Green Deal)及企業永續報告令（CSRD）下的擬議法規正在驅使半導體製造商公開從原料萃取到產品壽命終止處置的範疇一（Scope 1）、範疇二（Scope 2）與範疇三（Scope 3）排放量。同時，有關生命週期評估（LCA）的新興標準也可以更細部追蹤資源使用與廢料產生，協助企業識別關鍵介入點。

透明度能夠量化特定材料選擇的環境負擔，並引導製程開發的早期決策。透過影響力可量化，就能連同技術性能和成本，把環境考量納入評估。

關卡二：在永續製造管理變化所帶來的成本

在半導體製造實施永續行動被認為充滿挑戰，而變化所帶來的成本是最常提到的原因。取代某種材料、調適某項製程或取得某個新工具的資格可能附帶資本投資與開發時間方面的可觀費用。還會擔憂上述變化在未來會「令人追悔莫及」，意味著新製程不及原製程。舉例來說，一項新的蝕刻製程可能免用某種具備高全球暖化潛勢（global warming potential）的製程氣體，但卻消耗更多能量，對氣候變遷的整體影響可能實際上更高。顧及晶圓廠運作的複雜度及其運作的規模，就算是微小改變也可能帶來技術風險和顯著成本。

同時，成本與時機密切相關。越早把永續考量整合到開發，就有越多用來減少影響的選擇，而不會干擾良率或性能。盡早做出設計決策—在製程邁向標準化之前，就能避免往後斥資高昂的重新設計或大幅度的製程修正。不過既定的製程也有機會。製程步驟容易隨著時間而增加，通常未經過重新考慮。很多步驟當時引進早期的技術節點來解決特定的問題，隨後沿用。例如，穩定化製程步驟用於決定不同製程階段之間的晶圓條件，有時這些步驟的使用原意早就無關，但還是保留原設定。重新評過這種傳統製程步驟可以提供一種相對低風險的方法來減少排放量、資源使用或製程時間，而毋需從頭重新設計。

盡早整合永續性並不會完全排除成本因素，但能在這些變化維持技術與經濟的可行性時，讓製程設計、材料選擇和工具鑑定更具彈性。相較之下，延遲納入環境考量通常意味著在僵硬的製程流程內運作，或者根據客戶需求或是法規要求來對應，這兩種做法都可能讓改變更複雜且昂貴。

圖二 : 在半導體製造實施永續行動被認為充滿挑戰，而變化所帶來的成本是最常提到的原因。

關卡三：越過技術障礙

半導體製造的永續挑戰不只與成本有關，在技術方面時常極具挑戰性。很多備受審視的材料，例如全氟與多氟烷基物質（PFAS），因為能夠滿足非常特定且嚴苛的要求才予以採用，在嚴苛的製程環境提供絕佳的穩定性、化學抗性和性能。找到提供相同成效的替代材料不必做出意外的取捨—例如安全性，絕非輕而易舉。

然而，技術難度並非永續的專屬問題。業界例行會投資長期的開發週期，以取得性能、密度和功率效率方面的突破性進展。極紫外光（EUV）微影、高數值孔徑（high-NA）光學與3D整合都是曾看似不可及但現在都化為生產現狀的解方案例。處理環境影響需要類似程度的承諾和長期視角。

針對無PFAS光阻劑、改造蝕刻化學物，以及具備較低影響力的清洗製程進行的研究正在多間研究中心和先進晶圓廠展開。雖然這些技術仍在晶圓廠開發階段，但仍展示永續進展可能成真，只是未來需要持續投入研發和跨產業合作。

面臨獲利能力挑戰的永續發展

追求永續創新的諸多關卡—成本、複雜度或可見度的匱乏，時常因為製程開發的優先考量而更難以跨越。性能、良率和上市時間通常都是首要考量，而環境考量則被視為次要或選配。這使得具備低影響力的替代方案更難找到理由用於早期投資，就算是這些投資可能降低長期風險或營運成本亦然。然而，環境責任不見得與獲利能力相互衝突。事實上，最好盡早且時常結合這兩者。

半導體產業倚賴關鍵資源，例如高全球暖化潛勢（global warming potential）氣體、超純水及特殊化學品，這些資源不僅對環境產生影響，費用高昂，還受到市場變動的影響，為法規討論的對象。舉例來說，水資源供不應求已經影響到部分地區的晶圓廠運作，導致成本及營運風險增加。降低對這些材料的依賴不只提升永續指標，也能強化長期的商業應變彈性。同樣地，改良能源和材料使用效率常常轉化為更低的營運成本、更短的處理時間或改良工具使用。

永續不會排除妥協的情況，但可以釐清環境目標與商業目標的共同之處，尤其是在製程開發早期將兩者納入考量時。減少資源強度並把規範風險降到最小強化了商業應變彈性，也把永續定位為策略的優先考量。

塑造永續未來的商業決策

探討永續的對話持續進步，但現實挑戰尚在。把環境考量整合到產品與製程開發意味著改變優先順序的訂定方式、取捨的衡量標準以及成功的評估方法。單靠年度報告無法實現這點。為了讓永續發展影響到核心的商業策略，就必須把永續嵌入決策過程的各個階段。永續必須整合到關鍵的商業功能—從採購和選材到長期投資策略和供應商協議，而且不是事後補充，而是連同價格和性能一同納入考量。這項轉變需要半導體產業將永續視為商業要件，輔以清楚的當責（accountability）指標以及投資長期解決方案的意願。

創新與環境責任並非互斥。半導體業總是在技術可能實現的邊界運作，以解決最為複雜的問題。把相同心態用在永續發展可以驅動有意義的改變。永續不一定會限制創新；而是負責任成長的必要組成。問題不是永續是否具備話語權，而是永續是否引導那些未來將定義新一代晶片製造的決策，從供應鏈策略到製程設計等。

作者簡介

作者Emily Gallagher擔任比利時微電子研究中心（imec）研究計畫主持人，聚焦半導體製造的永續發展。她於美國達特茅斯學院（Dartmouth College）取得物理博士學位，她於該校研究自由電子雷射。畢業後，她加入了IBM，並開始投入半導體技術。她於IBM擔任有關晶圓製造的多項職務，從功能特徵化到製程整合，最後工作是領導極紫外光（EUV）光罩的開發作業。她於2014年加入imec，繼續研究開發EUV技術。她撰寫超過100篇技術文章、擁有約30項專利、擔任國際光電工程學會（SPIE）技術院士、國際光電工程學會（SPIE）微／奈米微影、材料與測量學雜誌（JM3）副編輯與半導體產業協會（SEMI）半導體氣候聯盟與全氟與多氟烷基物質(PFAS)聯盟的有效會員