一、 前言
由於晶片在各領域的關鍵角色，讓半導體產業在全球掀起一股熱潮。雖然某些產品如電動車、智慧電網等對綠色轉型有卓越貢獻，但整體產業在製造過程所消耗的能源、水資源以及排放的溫室氣體與有毒物質，卻對生態環境與氣候帶來隱憂。特別是在「歐洲晶片法案」(the EU Chips Act) 推動下，若2030年實現晶片產量占全球20%的目標，則相關排放量可能增至8倍，遠超過歐洲鋼鐵、化工、航空等碳密集產業。因此，亟需在現在擬定對策，以確保未來產能擴張之下仍能將環境與氣候的衝擊降到最低。首先，必須透過全產業鏈的生命週期分析 (LCA)，全面評估半導體製造的生態足跡 (如圖一)，並有效預測2030年可能的碳排放趨勢，以便及早採取減排措施。有助於在實現技術增長與產業擴展的同時，達到歐洲的碳中和目標，推動更可持續的製造模式。

二、產業鏈對應生態足跡與氣候衝擊的分析架構
1. 晶片產業價值鏈架構
(1)晶片設計：包括晶片設計的矽智財 (Core IP) 及電子設計自動化 (Electronic Design Automation, EDA) 工具。由於設計階段屬於無形的生產步驟，其生態足跡相對於製造階段較小許多，故不列入討論範疇。
(2) 前端製造：前端製造是指將IC晶片製造在晶圓上，其過程自動化程度高，但需要使用超過50種設備和300多種化學品，是半導體生產製造中最複雜且對氣候與環境生態的衝擊最大。故本研究將重點探討前端製造的生態足跡，特別是對氣候與環境的衝擊。
(3) 後端製造：後端製造包括從晶圓上切下單個晶片，並後續進行測試與封裝。相比前端製造，後端製造對環境的衝擊相對較小。

2.生態足跡
(1) 上游生態足跡：涵蓋為晶片製造提供所需材料和服務的供應鏈過程，包括從採礦、原物料加工、化學品生產、設備製造、水、燃料與能源的供應等。這些過程對環境的衝擊，特別是在資源提取和加工階段，尤為顯著。

(2)前端製造生態足跡：由於生產鏈可在同一地或異地分包製造，因此不容易分割不同製程的排放數據。但研究顯示，前端製造的設備占整體生產設備的87%，其能耗是後端製造的4至13倍。另一方面，由於後端製造如封測中使用的塗料、密封劑、底部填充劑含有氟化氣體，具有較高的全球暖化潛勢(GWP)，雖然有影響，但相較之下，顯示前端製程對大氣與環境的影響更為劇烈。故本文聚焦在前端製造的生態足跡，特別是危險化學品、氟化物的重複利用以及製程中的直接與間接能源消耗。

(3)下游生態足跡：晶片經過測試、封裝後應用於汽車、手機或資料中心等特定終端產品，並包含產生廢棄物及最終產品報廢處理。

3.氣候足跡定義
(1)範疇一(Scope 1)：為公司自身或可控制的直接排放，包括來自化學品(氟化氣體、濕式化學品等)及工廠內能源生產(天然氣、柴油、燃油、石油、汽油、木材等)的排放。
(2)範疇二(Scope 2)：指所有間接排放，在半導體業主要指晶圓製造廠使用外部能源供應商的能源排放。
(3)範疇三(Scope 3)：指包括上游及下游的一切活動的間接排放，包括上游精煉原料、成品運輸等的排放。

三、結合環境與氣候影響的前端製造生態足跡
1.化學品：對生態主要影響來自生產時的能源消耗、運輸與加工時的洩露、在蝕刻及清洗過程中使用的氟化氣體，以及微影製程中使用的全氟及多氟烷基物質（PFAS）。減少這些化學品的使用或找到替代品是減排的關鍵。

(1)特殊氣體：摻雜劑中的砷化氫 (AsH3) 或磷化氫 (PH3)屬於有毒氣體，吸入後將嚴重危害健康。晶圓廠有80-90%的範疇一 (Scope 1) 排放量來自製程中的氟化氣體，如四氟甲烷 (CF4)、八氟丙烷 (C3F8)、八氟丁烷 (C4F8)、六氟乙烷 (C2F6) 、三氟甲烷 (CHF3)、三氟化氮 (NF3) 和六氟化物 (SF6)。這些氣體的運輸與包裝洩露率不到1%，但屬於高GWP物質。因此，在計算生態影響時必須綜合考量氣體使用量。此外，其餘如用於清除沉積(deposition)製程之反應氣體的氮氣、蝕刻(etching)和退火(annealing)製程的氧氣，以及微影(lithography)與退火製程的氫氣等，對環境影響較小則可忽略。
(2)液態化學品：該化學品用於清潔及去除光阻材料、蝕刻圖案、薄膜沉積(thin film deposition)，如酸 (HCl、HNO3、H2SO4)、鹼 (NH4OH和NaOH) 或溶劑 (IPA、NMP、H2O2)。許多含有PFAS的液態化學品，在製程中以廢水形式排放，造成環境的威脅。

2.設備：被歸類為範疇三（Scope 3）的上游排放，供應商提供50多種設備，約佔總排放的20%至30%，因此使用再生能源與提高機械效率是減少生態影響的有效方法之一。

3. 材料：範疇三（Scope 3）上游排放中，約有24%來自金屬，9%來自空白晶圓。
(1) 原物料：鈀 (主用於汽車)、銅 (主用於交通與電器)、鈷 (主用於電動車與電池) 和稀土元素 (如釹用在雷射微影、釔用在電漿蝕刻、鑭用在矽發光、鈰用在催化劑) 等原物料，其開採與精煉過程對環境造成直接破壞。

(2) 晶圓：超過95%的以矽為關鍵原料，對環境破壞不大，但在純化過程需耗費大量能源。相較之下，鎵和鍺的製程不僅能源密集，還伴隨有毒副產品排放，因此生態足跡比矽晶圓高很多。

4.燃料與能源：範疇一的直接排放量約5~15%，範疇二的間接排放主要來自外部能源供應商在前端製造所須的電力，且隨著晶片製程節點尺寸越小越耗電。由於目前再生能源的使用比例較低，為實現2030年碳中和目標，多數廠商採用電證分離的交易方式 (Unbundled REC)，直接向發電廠商購買再生能源憑證。

5.水資源：包括生產用的超純水、冷卻、供暖與空調、飲用水4種類型。一座大型半導體廠的用水量相當於德國30萬人每天的用水量，且製程越先進，耗水量也越大。雖然晶圓廠也會回收水再重複利用，但是最後排出的水不見得會回到供水的源頭，形成潛在的生態負荷。

6.報廢處理：隨著電子產品壽命越來越短，電子廢棄物問題越來越嚴重，雖然貴金屬與稀土元素可以回收，但處理不當會帶來環境和健康風險。應對策略包括延長產品使用壽命及標準化回收流程。

7.運輸：半導體產業的價值鏈高度全球化，運輸過程對生態足跡影響顯著，上下游生態足跡可能占範疇三總排放量的6%以上。

8.晶片應用：消費電子產品的製造足跡比應用足跡要高，但是資料中心則恰好相反，在應用時才是能源密集期。

9.廢棄物與廢水：前端製造商多遵循法規進行廢棄物分類和回收，其中約70%可回收或於其他行業再利用，只有1%至5%送進垃圾掩埋場。約有15%至20%超純水（Ultra-Pure Water, UPW）與生產廢水可以重複利用，但廢水中含有許多有毒物質，須特殊處理後才能應用於其他產業。

四、永續半導體創新案例
比利時微電子研究中心IMEC 是全球領先的奈米電子學和數位技術研究和創新中心。2021 年，IMEC 啟動永續半導體技術與系統 (Sustainable Semiconductor Technologies & Systems, SSTS) 計畫，參與成員包含台積電 (TSMC)、三星電子 (Samsung Electronics)、美國晶圓代工廠格羅方德（GlobalFoundries）、ASML、Applied Materials，以及知名系應用系統廠商Amazon、Apple、Meta，囊括整個半導體生態系的知名廠商^[1] 。以下說明IMEC永續半導體技術的創新案例： 

1. 以虛擬晶圓廠模型分析生命週期的碳足跡：2022年IMEC開發虛擬晶圓廠 (imec.netzero) 的模擬平台，以評估晶圓製造價值鏈的能源消耗、用水量、礦物質使用量和溫室氣體排放量，並獲得主要國際半導體廠商採用。在2023年全球頂尖電子元件會議IEDM（International Electron Devices Meeting）^[2] 提出傳統晶片製程到先進製程的生命週期分析，量化不同晶圓製程技術的耗電量、用水量和溫室氣體排放量。分析結果顯示隨著先進製程的演進，總電能消耗、超純水、高純度的矽、銅、鈷等材料的需求增加，特別是電力需求大幅成長三倍。此外，研究亦指出先進製程中的關鍵技術，如化學氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 和乾蝕刻 (dry etch) 製程，對能源和資源的需求顯著提升，同時也導致了更高的溫室氣體排放。

2. 2024年先進微影成形技術會議（Advanced Lithography and Patterning Conference）上，IMEC透過模擬平台量化製程碳足跡，提出減少微影和乾蝕刻 (dry etch) 製程的排碳量策略^[3] 。
(1)優化乾蝕刻技術：採用改良的蝕刻製程技術(如低溫蝕刻)，降低含氟化合物的使用。新開發的高數值孔徑（High-NA）金屬線蝕刻製程可將廢氣排放較原製程減少6%。
(2)簡化微影製程：通過簡化多重圖形化的步驟、降低光阻劑量、提高曝光機產能來減少電力需求，例如使用高數值孔徑極紫外光 (High-NA EUV)技術替代傳統低數值孔徑極紫外光 (Low-NA EUV) 技術，可將碳排放降低30%。

五、結論
1.以目前統計資料看來，由於範疇三與再生能源用量難以正確估算，評估半導體產業鏈生態足跡的數據仍不足以代表產業鏈的複雜性。
2.由生態足跡顯示，半導體產業短期內在氣體、化學品及再生能源領域仍為高生態衝擊的關鍵。非PFAS化學替代品及低GWP氣體仍須要10年至20年的時間才能找到解決方案。使用再生能源達減排目標的方式逐漸以購電協議(PPA)取代再生能源憑證 (REC)。歐洲能為台灣及韓國等半導體製造的重點國家提供永續發展的良好示範。
3.歐洲智庫Interface建議在推動政策時必須考量彼此的衝突性，例如PFAS禁令與晶片法案，以免在推動數位轉型時影響綠色轉型的效益；同時必須正視半導體在未來5-10年對環境衝擊的重要性。

[1] IMEC (2023.05.16). GlobalFoundries, Samsung Electronics, and TSMC join imec’s Sustainable Semiconductor Technologies & Systems program. https://www.imec-int.com/en/press/globalfoundries-samsung-electronics-and-tsmc-join-imecs-sustainable-semiconductor

[2] L. Boakes et al., "Cradle-to-gate Life Cycle Assessment of CMOS Logic Technologies," 2023 International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2023, pp. 1-4, doi: 10.1109/IEDM45741.2023.10413725.

[3] Imec presents levers to reduce the CO2 equivalent footprint of lithography and etch for advanced technology nodes(2024.02.27). https://www.imec-int.com/en/press/imec-presents-levers-reduce-co2-equivalent-footprint-lithography-and-etch-advanced-technology