生命周期评价方法在芯片生产企业清洁生产审核中的应用

杨 单，郑双怡

(中南民族大学 管理学院，低碳发展与企业清洁生产软科学研究基地，武汉430074)

当前我国正在大力推行清洁生产，颁布了促进企业清洁生产的相关法律、法规、政策，制定了相应的清洁生产审核程序和管理办法，在近年的清洁生产审核实践过程中也逐步形成了清洁生产审核的技术和方法体系[1].但相对于清洁生产审核的发展及要求，清洁生产审核的工具、技术和方法还不够完善[2].而生命周期评价(LCA)作为一种有效的清洁生产诊断和评价工具，是一个从“摇篮到坟墓”的评价方法[3]，它可以分析产品从原材料获取到产品废弃、处理整个生命过程对环境的影响，从而帮助企业开发节约资源和保护环境取向的产品、工艺和能源，推广清洁生产技术[4]，其理念已经逐步引入我国，并在诸多领域得到不同程度的应用.

近年来随着IT及相关行业的迅猛发展，作为其支柱产业的芯片(集成电路，IC)产业在我国也得到了迅速的发展.虽然作为高科技产业，芯片产业也面临着巨大的能源消耗和环境污染威胁[5].在芯片生产过程中需要使用多种对人类生存环境有毒有害的物质和消耗大量的水资源，其生产工业特点也决定了将会产生大量的有毒有害废气和废水[6].因此需要在芯片生产过程中实施清洁生产，达到节能、降耗、减污、增效的目的.本文利用生命周期评价方法，对武汉某芯片生产企业进行了清洁生产审核，以期达到废物排放量最少化、污染处理设施处理最简化、投资费用最小化、处理费用最低化、生态效率最高化、企业获利最大化的目的[7].

1 企业基本情况

该芯片生产企业是一家于21世纪初注册成立的国内独资公司，投资建设集成电路生产线项目，利用国际著名的半导体公司经营集成电路生产线的人才、技术、市场和经验，委托建设和运营集成电路生产线项目，以达到推动我国中部及湖北省、武汉市集成电路生产的目的.企业根据国内电子产品市场的发展变化趋势和客户需求，提供集成电路代工服务.企业占地30万m2，一期工程建12英寸、90 nm集成电路生产线1条，月投片量1.5万片(18万片/a).产品基本以计算机市场、消费类市场和通讯类市场为主导.这些产品按工艺区分，包括快闪存储器(FLASH)、存储器、逻辑电路、混合信号/射频电路等.

2 芯片生产过程生命周期评价

2.1 目标和范围确定

集成电路制造生产工艺复杂，包括硅片清洗、热氧化、扩散、化学气相沉积(CVD)、光刻、离子注入、刻蚀、金属化等工序反复交叉，包括检测和测试在内多达数百步工艺[8].在生产工艺过程中，需要使用大量的高纯化学试剂，如光刻胶、显影液、有机溶剂等.

在硅片清洗、湿法刻蚀过程中将使用HF、H2SO4等；在干法刻蚀工艺过程中使用CF4、BCl3、SiH4、BF3、HCl、N2O、PH3等特殊气体；在扩散、离子注入、CVD、金属化等工艺过程中使用Cl2、HCl、烷类等掺杂气体，电镀铜等.此外还使用大量的高纯水清洗硅片.故污染物排放点多，污染物成份复杂，但污染物的浓度较低.芯片制造工序工艺流程简图及污染物排放见图1.

由图1可知，在芯片的生产过程中，产生的主要污染物有：

(1)废水：包括含氟废水、含氨废水、酸碱废水、CMP废水、含铜废水；

(2)废气：包括酸性废气、碱性废气、有机废气、工艺尾气；

图1 工艺流程简图及污染物排放示意图

(3)固体废物及废液：包括废水处理污泥、光刻胶废液、有机溶剂废液、废酸等；

(4)噪声：主要为动力设备噪声.

2.2 清单分析

芯片生产所需主要原材料包括硅片、光掩模、石英制品、大宗气体、烷类特殊气体、化学试剂、光刻胶、显影剂等几大类.部分材料已国产化，其它要求很高的材料需进口.

企业水、电、气、煤等能源年消耗情况见表1，项目主要能源及动力消耗情况见表2.

表1 企业2011年水、电、气、煤等能源消耗情况

结合图1工艺流程，企业生产过程中主要污染源的产生及现有治理措施情况见表3.

2.3 影响评价

通过对公司现状的调研和资料分析，经过广泛讨论认为：该企业集成电路生产线项目生产工艺特点为：“高精技术，超洁净度”.虽然所用原辅材料种类多，纯度高，但用量不多，因此产生的“三废”量小，污染物浓度较低.产生的废水等直接进入废水处理系统，因此在全程自动化无人员操作的生产流程中没有污染物产生.企业的环境压力主要在废水、废气污染.从污染物排放量、环境代价、废物毒性等多方面考虑，对含氨废水的处理系统、含氟废水的处理系统、含铜废水的处理系统的清洁生产潜力进行了权重分析见表4.由此可以确定清洁生产审核重点放在含氟废水的处理系统.

表2 主要资源、能源动力消耗表

注：N表示标准状态下.

表3 主要污染源的产生及治理措施情况

经过对生产工艺的详细调查，统计分析了企业生产资源能源的消耗和产生的污染物以及与国内外先进企业存在的差距，并针对清洁生产潜力大的指标和工艺提出针对性的清洁生产方案，见表5(篇幅所限，无低费方案只列出部分).

表4 方案的权重总和计分排序表

表5 清洁生产方案汇总

3 清洁生产方案实施

通过对清洁生产方案的可行性分析，筛选出适合企业执行的方案，成立了清洁生产管理机构，并制定了相关的清洁生产管理制度.实施清洁生产审核后，从经济效益来看，无低费方案实施后比实施前获得直接经济效益935万元/a，节约用电量1.989×106kW·h /a.从已实施的中高费方案中汇总效果看到，投资36.00万元，节约用水109500 t/a.产生经济效益26.8万元/a，经济效益显著.预计将实施的中高费方案投资800万元，节约UPW(超纯水)2680t/a.从环境效益看，审核前后污染物指标氟化物日均浓度和铜离子日均浓度均有显著下降.废水削减量(包括回用量)26.9t/片、固体废弃物削减量(包括利用量)0.03t/片、危险物削减量0.008t/片、氢氟酸削减量0.92kg/片、双氧水削减量0.007kg/片.环境效益明显.

4 结语

IC产业在我国是优先发展的高技术产业化重点领域，预计在未来的几年内会得到飞速的发展，对于芯片生产中能源的消耗和污染的产生不容忽视.在此次清洁生产审核中，我们根据企业实际情况，结合其经济能力和控制范围，采用生命周期评价法对企业能耗和污染原因进行分析，提出并实施了大部分清洁生产方案，取得了可喜的环境效益、社会效益和经济效益，实现了节能、降耗、减污、增效的目的，在较短时间内以较少的投入获得了较大的回报，形成了初步的清洁生产结果，这种简化速成型的生命周期评价对于中小型企业进行环境管理可行性较高，且较为经济适用.

[1]樊庆锌,敖红光,孟 超.生命周期评价[J].环境科学管理，2007,32(6):177-178.

[2]张 平,董 斌,李 有,等.生命周期评价在啤酒企业清洁生产审核中的运用[J].气象与环境科学,2008,31(2):77-78.

[3]徐李娜,付桂珍.生命周期评价在清洁生产中的应用[J]．广东化工，2009，36(5)：83-85.

[4]魏立安.清洁生产审核与评价[M].北京:中国环境科学出版社,2005.

[5]蒋卫刚,刘 利,叶张荣.几种芯片废水处理技术的探讨[J]．上海环境科学，2006(4):5-7.

[6]胡伟林.微电子工业生产废水处理及回收利用[J]．工业水处理，2001(12):17-18.

[7]黄贤峰,杨先科,黄绍洁,等.生命周期评价在清洁生产审核中的运用[J].环保科技,2010,16(4):26-28.

[8]尹军喜.某LED芯片产业项目废水处理工艺设计及改进措施[J]．甘肃科技,2013(1):36-37.