生命周期評價(jià)方法在芯片生產(chǎn)企業(yè)清潔生產(chǎn)審核中的應(yīng)用

楊 單，鄭雙怡

(中南民族大學(xué) 管理學(xué)院，低碳發(fā)展與企業(yè)清潔生產(chǎn)軟科學(xué)研究基地，武漢430074)

當(dāng)前我國正在大力推行清潔生產(chǎn)，頒布了促進(jìn)企業(yè)清潔生產(chǎn)的相關(guān)法律、法規(guī)、政策，制定了相應(yīng)的清潔生產(chǎn)審核程序和管理辦法，在近年的清潔生產(chǎn)審核實(shí)踐過程中也逐步形成了清潔生產(chǎn)審核的技術(shù)和方法體系[1].但相對于清潔生產(chǎn)審核的發(fā)展及要求，清潔生產(chǎn)審核的工具、技術(shù)和方法還不夠完善[2].而生命周期評價(jià)(LCA)作為一種有效的清潔生產(chǎn)診斷和評價(jià)工具，是一個從“搖籃到墳?zāi)埂钡脑u價(jià)方法[3]，它可以分析產(chǎn)品從原材料獲取到產(chǎn)品廢棄、處理整個生命過程對環(huán)境的影響，從而幫助企業(yè)開發(fā)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境取向的產(chǎn)品、工藝和能源，推廣清潔生產(chǎn)技術(shù)[4]，其理念已經(jīng)逐步引入我國，并在諸多領(lǐng)域得到不同程度的應(yīng)用.

近年來隨著IT及相關(guān)行業(yè)的迅猛發(fā)展，作為其支柱產(chǎn)業(yè)的芯片(集成電路，IC)產(chǎn)業(yè)在我國也得到了迅速的發(fā)展.雖然作為高科技產(chǎn)業(yè)，芯片產(chǎn)業(yè)也面臨著巨大的能源消耗和環(huán)境污染威脅[5].在芯片生產(chǎn)過程中需要使用多種對人類生存環(huán)境有毒有害的物質(zhì)和消耗大量的水資源，其生產(chǎn)工業(yè)特點(diǎn)也決定了將會產(chǎn)生大量的有毒有害廢氣和廢水[6].因此需要在芯片生產(chǎn)過程中實(shí)施清潔生產(chǎn)，達(dá)到節(jié)能、降耗、減污、增效的目的.本文利用生命周期評價(jià)方法，對武漢某芯片生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了清潔生產(chǎn)審核，以期達(dá)到廢物排放量最少化、污染處理設(shè)施處理最簡化、投資費(fèi)用最小化、處理費(fèi)用最低化、生態(tài)效率最高化、企業(yè)獲利最大化的目的[7].

1 企業(yè)基本情況

該芯片生產(chǎn)企業(yè)是一家于21世紀(jì)初注冊成立的國內(nèi)獨(dú)資公司，投資建設(shè)集成電路生產(chǎn)線項(xiàng)目，利用國際著名的半導(dǎo)體公司經(jīng)營集成電路生產(chǎn)線的人才、技術(shù)、市場和經(jīng)驗(yàn)，委托建設(shè)和運(yùn)營集成電路生產(chǎn)線項(xiàng)目，以達(dá)到推動我國中部及湖北省、武漢市集成電路生產(chǎn)的目的.企業(yè)根據(jù)國內(nèi)電子產(chǎn)品市場的發(fā)展變化趨勢和客戶需求，提供集成電路代工服務(wù).企業(yè)占地30萬m2，一期工程建12英寸、90 nm集成電路生產(chǎn)線1條，月投片量1.5萬片(18萬片/a).產(chǎn)品基本以計(jì)算機(jī)市場、消費(fèi)類市場和通訊類市場為主導(dǎo).這些產(chǎn)品按工藝區(qū)分，包括快閃存儲器(FLASH)、存儲器、邏輯電路、混合信號/射頻電路等.

2 芯片生產(chǎn)過程生命周期評價(jià)

2.1 目標(biāo)和范圍確定

集成電路制造生產(chǎn)工藝復(fù)雜，包括硅片清洗、熱氧化、擴(kuò)散、化學(xué)氣相沉積(CVD)、光刻、離子注入、刻蝕、金屬化等工序反復(fù)交叉，包括檢測和測試在內(nèi)多達(dá)數(shù)百步工藝[8].在生產(chǎn)工藝過程中，需要使用大量的高純化學(xué)試劑，如光刻膠、顯影液、有機(jī)溶劑等.

在硅片清洗、濕法刻蝕過程中將使用HF、H2SO4等；在干法刻蝕工藝過程中使用CF4、BCl3、SiH4、BF3、HCl、N2O、PH3等特殊氣體；在擴(kuò)散、離子注入、CVD、金屬化等工藝過程中使用Cl2、HCl、烷類等摻雜氣體，電鍍銅等.此外還使用大量的高純水清洗硅片.故污染物排放點(diǎn)多，污染物成份復(fù)雜，但污染物的濃度較低.芯片制造工序工藝流程簡圖及污染物排放見圖1.

由圖1可知，在芯片的生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的主要污染物有：

(1)廢水：包括含氟廢水、含氨廢水、酸堿廢水、CMP廢水、含銅廢水；

(2)廢氣：包括酸性廢氣、堿性廢氣、有機(jī)廢氣、工藝尾氣；

圖1 工藝流程簡圖及污染物排放示意圖

(3)固體廢物及廢液：包括廢水處理污泥、光刻膠廢液、有機(jī)溶劑廢液、廢酸等；

(4)噪聲：主要為動力設(shè)備噪聲.

2.2 清單分析

芯片生產(chǎn)所需主要原材料包括硅片、光掩模、石英制品、大宗氣體、烷類特殊氣體、化學(xué)試劑、光刻膠、顯影劑等幾大類.部分材料已國產(chǎn)化，其它要求很高的材料需進(jìn)口.

企業(yè)水、電、氣、煤等能源年消耗情況見表1，項(xiàng)目主要能源及動力消耗情況見表2.

表1 企業(yè)2011年水、電、氣、煤等能源消耗情況

結(jié)合圖1工藝流程，企業(yè)生產(chǎn)過程中主要污染源的產(chǎn)生及現(xiàn)有治理措施情況見表3.

2.3 影響評價(jià)

通過對公司現(xiàn)狀的調(diào)研和資料分析，經(jīng)過廣泛討論認(rèn)為：該企業(yè)集成電路生產(chǎn)線項(xiàng)目生產(chǎn)工藝特點(diǎn)為：“高精技術(shù)，超潔凈度”.雖然所用原輔材料種類多，純度高，但用量不多，因此產(chǎn)生的“三廢”量小，污染物濃度較低.產(chǎn)生的廢水等直接進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)，因此在全程自動化無人員操作的生產(chǎn)流程中沒有污染物產(chǎn)生.企業(yè)的環(huán)境壓力主要在廢水、廢氣污染.從污染物排放量、環(huán)境代價(jià)、廢物毒性等多方面考慮，對含氨廢水的處理系統(tǒng)、含氟廢水的處理系統(tǒng)、含銅廢水的處理系統(tǒng)的清潔生產(chǎn)潛力進(jìn)行了權(quán)重分析見表4.由此可以確定清潔生產(chǎn)審核重點(diǎn)放在含氟廢水的處理系統(tǒng).

表2 主要資源、能源動力消耗表

注：N表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下.

表3 主要污染源的產(chǎn)生及治理措施情況

經(jīng)過對生產(chǎn)工藝的詳細(xì)調(diào)查，統(tǒng)計(jì)分析了企業(yè)生產(chǎn)資源能源的消耗和產(chǎn)生的污染物以及與國內(nèi)外先進(jìn)企業(yè)存在的差距，并針對清潔生產(chǎn)潛力大的指標(biāo)和工藝提出針對性的清潔生產(chǎn)方案，見表5(篇幅所限，無低費(fèi)方案只列出部分).

表4 方案的權(quán)重總和計(jì)分排序表

表5 清潔生產(chǎn)方案匯總

3 清潔生產(chǎn)方案實(shí)施

通過對清潔生產(chǎn)方案的可行性分析，篩選出適合企業(yè)執(zhí)行的方案，成立了清潔生產(chǎn)管理機(jī)構(gòu)，并制定了相關(guān)的清潔生產(chǎn)管理制度.實(shí)施清潔生產(chǎn)審核后，從經(jīng)濟(jì)效益來看，無低費(fèi)方案實(shí)施后比實(shí)施前獲得直接經(jīng)濟(jì)效益935萬元/a，節(jié)約用電量1.989×106kW·h /a.從已實(shí)施的中高費(fèi)方案中匯總效果看到，投資36.00萬元，節(jié)約用水109500 t/a.產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益26.8萬元/a，經(jīng)濟(jì)效益顯著.預(yù)計(jì)將實(shí)施的中高費(fèi)方案投資800萬元，節(jié)約UPW(超純水)2680t/a.從環(huán)境效益看，審核前后污染物指標(biāo)氟化物日均濃度和銅離子日均濃度均有顯著下降.廢水削減量(包括回用量)26.9t/片、固體廢棄物削減量(包括利用量)0.03t/片、危險(xiǎn)物削減量0.008t/片、氫氟酸削減量0.92kg/片、雙氧水削減量0.007kg/片.環(huán)境效益明顯.

4 結(jié)語

IC產(chǎn)業(yè)在我國是優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域，預(yù)計(jì)在未來的幾年內(nèi)會得到飛速的發(fā)展，對于芯片生產(chǎn)中能源的消耗和污染的產(chǎn)生不容忽視.在此次清潔生產(chǎn)審核中，我們根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況，結(jié)合其經(jīng)濟(jì)能力和控制范圍，采用生命周期評價(jià)法對企業(yè)能耗和污染原因進(jìn)行分析，提出并實(shí)施了大部分清潔生產(chǎn)方案，取得了可喜的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、降耗、減污、增效的目的，在較短時(shí)間內(nèi)以較少的投入獲得了較大的回報(bào)，形成了初步的清潔生產(chǎn)結(jié)果，這種簡化速成型的生命周期評價(jià)對于中小型企業(yè)進(jìn)行環(huán)境管理可行性較高，且較為經(jīng)濟(jì)適用.

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