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SEMI S23 - 半导体设备能耗评估标准,助力双碳&可持续发展

2021-12-29
来源:SEMI

  双碳目标与SEMI S23 能效评估

  作为世界上最大的能源生产国和消费国,中国已经明确提出力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的双碳目标。

  半导体工业正是一个高能耗产业。以台积电为例,据统计自2010年到2019年,用电增加223.8%。2020年台积电用电量是63亿度。2022年台积电3nm厂投产,每年用电量或将达到77亿度,这个数字为台湾地区用电量的3%。

  在能源成本日益高涨的当下和碳中和政策的持续加码的未来,半导体企业无法忽视因能源成本增加而带来的高额支出,在节约成本、绿色环保、可处持续发展等方面,对制造设备的能耗提出了更为严格的要求。

  半导体制造设备属于高精密制造设备,使用过程中需要产生洁净空间、恒温、高温、高压、真空、强电磁场、吹扫、冷却等复杂工况。且核心设备几乎是全年365天、全天24小时运转,这些情况无疑会打来惊人的能耗。

  对于半导体制造设备的能效评估是十分有必要的。只有得到对目前设备准确的评估结果,才可能在设备迭代更新时达到节能减排的目标。SEMI早在2005年就已发布了指导标准——SEMI S23,其中文全称为半导体制程设备能源、动力与物料使用效率规范。其不仅引入且明确了与效率有关的概念,而且详细介绍了测量方法的与分析工具,更针对持续改善使用速率和效率给出了指导意见。是目前针对半导体设备能效评估可供参考的最权威标准。

  半导体生产企业可以依据S23评估报告有效估算和分配使用能源。设备制造商也可在此基础上做出持续改善计划,是作为设备制造商完成节能目标的关键系统文件之一。

  SEMI S23标准中给出了针对厂务供给的动力(Exhaust、Vacuum、CDA、N2、UPW、DIW、电能)的消耗及设备对洁净室造成的热负载的测量方法与改善方向&建议。标准的内容可以分为三个主要部分,能耗&节能的含义、各动力供给及热负载在设备不同模式下消耗的测量与计算方法、设备制造商的节能管理流程的建立与优化。

  (一)能耗&节能的含义

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  能耗不是简单的数字,节能不是简单的减法。

  想要评估能耗并进而制定正确的节能方案,非常重要的两个概念为“Energy Consumption”(能耗)与“Performance Metric”(“性能指标”)。能耗是设备每年消耗的动力能源,在本标准中给出了标准的测量与计算方法;性能指标为工艺设备的工艺性能参数,在大多数情况下是一个动态变化且难以与能耗同等量化的指标。

  不管是作为工艺设备的制造商,还是终端用户,不以战略的眼光看待节能,不仅得到的收益会大打折扣,更不利的是会在竞争中错失良机。

  (二)各动力供给及热负载在设备不同模式下消耗的测量方法

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  标准中给出了process(工艺)、idle(待机)、rest(休息)与sleep(睡眠)四种基本模式,并规定了process时间为全年的70%,downtime为5%,idle为8%,剩余的17%分布在idle、rest与sleep之间。

  对于各类动力供给,标准中给出了“转换系数”这个概念,不管是DIW,还是排风,都可以通过一个系数转换成等效的电能。

  (三)设备制造商的节能管理流程的建立与优化

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  设备制造商应建立完善的节能评估与改善体系,组建专业的团队,制定明确的目标。既需要持续地优化流程(例如每年进行多次的设计与流程审核)也需要对设计进行持续的精进(例如不断寻找和优化能耗的影响因子)。标准中列举了非常详细的要求与建议,非常重要的一项是与终端用户保持信息的同步与技术上的交流,以使得节能的方案能最终落地且工艺设备在双方的同一张节能蓝图内。


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