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虽然艾司摩尔(ASML)并未公布EUV设备耗电量数字，但业界普遍认同，由于EUV光源的能源转换效率只有0.02%上下，导致EUV设备的耗电量，可达传统氩氟雷射(ArF)的10倍以上。以250W输出功率计算，一台EUV每天就要消耗3万度电力。
在ESG成为显学，半导体业者不无全力减少碳足迹的今天，面对不得不用的EUV机台，半导体製造厂只能想方设法，一方面从设备软硬体改良著手，尽可能提高机台的能源效率，另一方面则是要求相关材料商承担责任，开发出耗电量更少的新一代材料。
导入大数据分析 EUV能效提升5%
为兼顾製程演进与环境永续，台积电与供应商共同投入「新世代机台节能行动专案」，其中，耗电量惊人的EUV设备，自然是需要优先改善的重点。
台积电与供应商针对EUV机台进行的研究发现，传送EUV光需要特殊的反射镜，但每一次传送都会损失高达3成的能量，以机台内平均10次以上的反射过程来计算，EUV光源产生的光能，最后只剩下不到2% 能传达到晶圆表面上，进行图案化製程(图1)。这无疑是极大的浪费，因为EUV光源为二氧化碳雷射，这种雷射虽可产生波长更短的雷射光，但本身也远比氩氟光源更为耗电。若其整体效率只有不到2%，对台积电而言，当然是需要最优先改善的目标。
图1 在EUV曝光机内部，从光源发出的雷射光，须经过多次折射才能抵达晶圆表面，并在这个过程中出现大量损耗
针对EUV设备节能议题，台积电运用大数据研析EUV光产生过程的耗能状况及运作模式，发现EUV光产生的脉衝与反射镜面反射效率不佳，是造成设备耗能的主因后，立即启动相关机台改善措施。并在2020年透过机台程式的修正，达到EUV光脉衝能量最佳化；同时，重新设计镜面反射结构，将反射率提高了3%。
此外，台积电分析二氧化碳雷射系统放大器的运转数据，发现利用变动频率取代固定频率的运作模式，可进一步强化放大器10%能源使用效率。
透过三管齐下的手法，台积电成功提升EUV机台5%能源使用效率，并将这项绿色创新的成果应用在3奈米的EUV新机台。
让EUV设备更节能 材料商接下军令状
从设备软硬体改造著手，提高机台的能源效率，还只是EUV设备节能故事的一部份而已。从2021年开始，台积电高层在许多公开场合都不避讳地提到，以后该公司的供应商，也必须全力配合台积电的ESG政策目标，一方面协助台积电减少碳足迹，另一方面也要减少自身的碳足迹。对于供应商，台积电会进行全面的审计查核，未达标准的供应商，会先积极辅导；但倘若迟迟无法改善，这些供应商就可能遭到被撤换的命运。
跟EUV曝光製程息息相关的光阻材料业者，大概是各种半导体材料商之中，被台积电盯得最紧的供应商。据要求匿名的供应商表示，在EUV机台被运用在3奈米製程量产之前，台积电就已经将光阻供应商分成优等生、一般生与必须「留校察看」的问题学生三类。优等生就是配合态度最积极，同时具有坚强研发实力，可以配合台积电调整出高敏感度光阻材料配方的供应商；其次就是态度积极，但本身研发实力不到位，光阻剂敏感度拉不上来的供应商。最差的就是配合态度跟技术能力都不好的供应商。
为何光阻的敏感度会是关键指标？该业者解释，光阻材料的工作原理是材料被雷射光的光子接触到之后，材料会产生酸，进一步造成被照射到的区域变质，更容易被清洗掉(图2)。照射完毕后，搭配清洗製程，就可以在晶圆表面留下想要的图案。敏感度够高的光阻材料，只需要少许曝光剂量，就能引发材料变质，进而完成工作；敏感度不好的光阻材料就得多照几次，才能达到相同的效果。在EUV机台能源效率不好的情况下，台积电当然会希望曝光次数越少、剂量越低，才能减少EUV曝光製程的耗电量。
图2 EUV光阻材料的工作原理图
所以，台积电对EUV光阻材料的敏感度，要求是非常严格的。在光阻材料产业的小圈圈裡，近期一直有传言指出，某家光阻材料商可能会被台积电换掉，因为敏感度表现实在太差了，使用该供应商的材料不仅增加用电成本，还不利于实现ESG目标。
严格来说，有光阻厂商可能因为ESG问题被台积电换掉，只是一条产业内的八卦消息。但从这个传言来看，台积电是十分严肃而认真地在看待ESG议题，即便是供应商家数已经不多的光阻材料，只要表现不及格，还是有被台积电踢出供应商名单的风险存在。
禁用物质─材料商的另一个ESG考验
除了降低碳足迹之外，在半导体材料领域，还有另一个存在已久的挑战，也就是如何替代掉被禁用的化学物质。而且，随著新的研究结果不断出现，禁用化学物质清单的长度，正越拉越长。
据相关业者指出，在化学品管制部分，欧盟是最为严格，法规也跑得最快的主要市场。现在被欧盟禁用的化学物质，也不全是会对环境或人体造成立即性威胁的「有毒物质」，更多属于「环境贺尔蒙」，也就是会在环境或人体中累积，但需要一段时间才看得出影响的化学物质，也被逐步纳入管制清单，在宽限期之后必须全面禁用。
对于禁用物质议题，默克中国台湾半导体事业处总经理暨亚太区特用气体执行总监陈俊成指出，作为欧商，默克集团很早就体认到发展绿色化学品的重要性，也将绿色化学列为集团的重点发展方向。在半导体领域，默克集团旗下的生命科学事业体，就已经在2021年宣布与主要半导体材料供应商崇越科技合作，藉由提供Cyrene生物安全溶剂及相关绿色产品，结合崇越在电子产业的缜密服务网路，为电子产业的绿色製程转型提供一条龙服务。
作为全球历史最悠久的化学与製药公司，默克深切了解化学品对环境的影响，因此投注许多资源在绿色化学产品的研发，提供超过1,100种绿色化学替代产品降低环境衝击，并以「永续」为使命，推出超过600种符合绿色化学12道原则的环保替代产品， 提供具备生物再生性、生物可裂解性，低毒性，减少废弃物，降低能源消耗等友善环境的另一种选择。
除了从生命科学领域引进技术资源外，陈俊成表示，半导体特用材料跟气体的有害物质替代材料，有其独特的挑战存在。因为半导体特用材料对品质、性能的要求，通常比其他领域会用到的化学材料更严格，这使得寻找替代品的难度更高，厂商往往得付出更多成本跟时间，才能在製程中导入替代品。
所以，为落实环境永续，材料商、设备商跟半导体製造商三方紧密合作，超前部署是非常重要的。最有效率的解法是在製程研发跟材料研发阶段，就把含有禁用物质的化学品排除在外，改用替代品。等到化学品已经被运用在製程上才来修改配方，是不得已的做法。不仅时间压力大，为适应化学品、材料的新特性而修改原本已经稳定的製程，也会引入新的不确定性。
正因为在导入替代材料方面，产业链多方合作，超前部署是非常关键的，默克近期又宣布与美光(Micron)联手开发用于半导体製程，能降低全球暖化潜势(Global Warming Potential, GWP)的气体解决方案。经过一年的持续合作，美光科技目前正在测试默克研发部门提供的低GWP替代性蚀刻气体，以验证其製程性能，从而取代传统的高GWP 材料。
超前布署强过补破网 紧密合作方能落实永续
对半导体产业而言，为落实环境永续，达成ESG的KPI要求，改用能耗更低、不含禁用物质，对环境更友善的绿色材料，是必然的趋势。
在即将到来的SEMICON Taiwan 2022展上，默克集团执行董事暨电子科技事业体执行长凯．贝克曼将参与「半导体永续力国际论坛」，透过视讯与听众分享半导体产业的永续议题。默克的其他技术专家也会在「半导体先进製程科技论坛」上分享，如何透过对化学特性的掌握，在维持产品性能的同时，也降低製程中温室气体的排放。默克希望藉由这些与中国台湾半导体产业接触的机会， 把该集团与美光的合作模式，进一步複製到其他潜在合作伙伴身上。
导入绿色材料已经是半导体产业的共识；以「超前布署」取代「补破网」，更会是未来产业链合作的主流作法。
