時代が求める持続可能な半導体製造

従来、揮発性ペルフルオロカルボン（PFC）化合物は、半導体製造において、エッチングとチャンバクリーニング工程での材料除去に使用する反応性フッ素原子の供給源として重要な役割を果たしてきましたが、安定性が高く、大気中での寿命が長い傾向があるため、温暖化の可能性が高い強力な温室効果ガスです。

1999年、地球温暖化が認識されたかなり早期の段階で、半導体製造業者は、その後10年間にわたって各地域のPFC排出量を少なくとも10 %削減することを約束しました。2010年までには、当初の目標をはるかに上回る32 %の削減を達成しました。その時点で、基準放出率（シリコン1 cm2あたりのCO2e）の削減目標を2010年の基準値より30% 低い値とするというさらなる削減を再提案しました。

製品の多層化や複雑性の強化、また新しいガスを使用する高度なエッチングプロセスにもかかわらず、2022年までには22.9 %の減少を達成しています。WSCは現在、IPCCによる最新の方法論（2019年）を使用して10年間でPFCを削減する新目標の確立に取り組んでいます （図1）。このPFCの例は、複雑な環境問題の解決策を模索するなかで直面する課題のよい例です。

PFC排出削減に成功したコンポーネントは、主に次の2つでした。まず、多くのチャンバクリーニング用途でのPFC NF3以外への切り替え、次にプロセスチャンバから排出される未消費PFCガスを破壊できる除害技術です。PFCは、プラズマまたは燃料ベースのバーナで破壊できます。プラズマには、燃焼する燃料による二酸化炭素排出量増加がないという長所がありますが、実際にどちらの技術を採用するかは、多くの場合、電力と燃料ガスの相対的なコストと入手しやすさに左右されます。

電力が入手しやすくコスト効率が高い場合でも、その電力源（すなわち石炭または再生可能燃料）についてもネットゼロ排出量スコープ2として考慮する必要があります。バーナの設計によっては解決策がさらに複雑になります。NF3自体に炭素は含まれませんが、炭化水素燃料により裸火で燃焼させるとPFCが生成される可能性があります。

この問題は、裸火全体の温度変化が大きいことから来ており、内部側燃焼機構と呼ばれる特別設計のバーナで解決できます。このバーナは、重要な領域の温度を均一に保ち、プロセスガスから炭素含有燃料の大部分を分離します。

半導体メーカーは長い間、製造工程における大きな電力需要に影響を受けやすい存在でした。環境面だけではなく、コストの観点からも影響を受けています。プロセス機器の使用エネルギーの比率は、ファブでの使用エネルギーの半分以下であるという推定が一般的です。ファブでの使用量の約半分は、多くのプロセスの操業を維持するために必要な真空状態の維持のためポンプが消費しています。

ポンプメーカーは、この業界の黎明期から、製品のエネルギー効率を改善し続けてきました。新しいメカニズム、高回転シャフト、電力インバータ技術、新素材といったすべてがこれに貢献しています。成果を上げやすい対策は、かなり前に利用し尽くされていますが、まだ多くの領域で改善が可能です。

最も有望なものの1つは、アイドルモード動作（グリーンモードとも呼ばれます）の実装です。このモードでは、動作対象プロセスがアイドル状態のときに、ポンプは低出力状態になります。最大の課題は、ファブのプロセス機器とサブファブのポンプとの間に緊密な調整が必要なことです。

この調整をサポートする技術はすでに存在しており、その実装に対する障害があるとすれば、歩留まりが高い大量生産工程についてはわずかなことでも変更を嫌うオペレータ側の姿勢です。グリーンモードの運用では、現行の生産に根本的な変更を加えることなく、GHG排出量を短期間で削減できます。

残念ながら、高度なプロセスノードで現在採用されつつあるプロセスにおいて消費電力が大幅に増大する可能性があります。その中には、従来の193 nm浸漬リソグラフィとの比較で約10倍の電力を使用するEUVリソグラフィがあります。処理ステップ数の減少など、相殺する要素もありますが、IMEC分析[4]では、28 nmノードから2 nmノードに移行することで、ウェハあたりの消費電力が3.46増加し、GHG排出量は2.5X増加すると推定されています。

EUVリソグラフィを大量生産中の大規模受託製造企業で初めて採用したメーカーでは、数年間、標準エネルギー消費量（8インチ相当ウェハマスク層当たりのkWh）が10 kWhをわずかに下回っていましたが、2019年には25 %増加し、12.5 kWhに達しました。

半導体製造におけるトレンドは明らかに消費電力増加を示しています（図3）が、解決策も同じく明らかです。エネルギー消費を再生可能エネルギー源に切り替える必要があります。

この解決策を、大手メーカーが見過ごしているわけではありません。上記の受託製造企業も、2020年には、近隣で建設中の920 mW洋上風力発電所の発電量全量を20年間にわたって購入するという世界最大の再生可能エネルギー購入契約を締結し、2050年までに100 %再生可能エネルギーを使用すると公約しました[6]。米国最大のIDMは、2030年までの100 %の再生可能エネルギー使用を公約しています。他の主要なプレーヤーも同様の公約をしていますが、大方と同様、問題は細部にあります。

IPCCの証拠に基づく結論は明白です。人類が環境の温暖化をもたらしているのです。その予測は悲惨であり、無策のコストは人的にも経済的にも、緩和のコストをはるかに上回ります。今日、半導体産業は温室効果ガスの排出量が最大級の業界というわけではありませんが、その排出量は大きく、急速に増加しています。

半導体製造プロセスからのGHG排出量の短期的削減を可能にする対策は存在します。これには、設計の行き届いたPFC除害や真空ポンプのグリーンモード運転などが含まれます。これまでのところ、最も重要な変更は、業界全体とサプライチェーン全体が再生可能エネルギー源にシフトすることです。米国のパリ協定復帰を受けて、締約国会議に主要な経済大国がすべて参加する状態になりました。各国指導者に協調的なリーダーシップと財政的コミットメントを求め、国内外を問わず、あらゆるレベルでGHG排出削減のための運動を継続する必要があります。

チャニック博士は、エドワーズの環境ソリューション事業開発マネジャーです。その長いキャリアを通じて、さまざまな立場でリーダーシップを発揮してきました。また、ブリストル大学の客員教授（化学工業）であり、IPCCの半導体産業担当者でもあります。IPCCでは、最新の評価報告書（AR6）の校閲を担当しています。