张江集成电路产业废酸产量预测和处置研究

李 萍

（上海市浦东新区环境管理事务中心 上海 201210）

引言

发展芯片产业是中国科技真正崛起的必经之路。“中国芯”是浦东重点布局的六大硬核产业之一，《中共中央国务院关于支持浦东新区高水平改革开放打造社会主义现代化建设引领区的意见》（引领区意见）也对浦东集成电路产业提出全力打造集成电路世界级创新产业集群的目标。作为中国最完善、最齐全的集设计、制造、装备材料、封装测试联动发展的集成电路产业链，浦东新区张江集成电路产业汇聚了307 家相关企业，云集了一批国际知名的集成电路企业，全球芯片设计10 强中有6 家在张江设立了区域总部、研发中心[1]。伴随着集成电路产业规模的逐步扩大，集成电路行业危险废弃物处置需求也日益增多。

根据《国家危险废物名录》[2]，张江集成电路产业主要产生废酸、废有机溶剂等危险废物，芯片制造的过程复杂，每道工序后均有清洗步骤，需要用到大量的酸，据统计，2019 年张江集成电路制造业废酸转移量为1.33 万吨，约占全市废酸转移量的38%[3]。集成电路行业废酸主要以废硫酸为主，具有腐蚀性、毒性和反应性等危险特性，危害性大并且产量大的废酸如果不能安全有效利用处置，将会给生态环境带来较大的破坏。此外，为了提高光刻胶去除效果，酸洗过程一般会配比加入双氧水，双氧水与硫酸反应会生成过氧硫酸，具有极强的氧化性，同时产生大量热，对外运和处理设施带来危害[4]。随着集成电路产业规模的不断发展，废酸的产量将持续增长，既增加了企业环境风险，也给危险废物环境管理部门带来重大挑战。

研究浦东新区张江集成电路产业废酸的现状并对未来几年废酸产量进行预测，对进一步加强浦东新区废酸全过程管理，预防环境安全风险具有重要意义，也为新区集成电路产业布局和废酸利用处置提供参考依据。

1 集成电路产业废酸来源

集成电路产业废酸主要来自芯片清洗工序，芯片的清洗是集成电路制造极为重要的环节之一，完全清洁的基片表面是实现高性能处理的第一步，洁净表面是指不存在粒子、金属、有机物及水分等污染物和自然氧化膜，具有原子级的平整度，以氢为终端的表面[5]。

张江集成电路制造企业在硅片清洗过程采用SPM 清洗技术，清洗液由H2SO4、H2O2和H2O 组成，整个过程用到硫酸的量和工艺步骤密切相关，工艺技术越先进，清洗过程越复杂，使用的硫酸量越大。例如随着40 纳米制程以下Single wafer 机台的大量使用，此种机台每一片晶元单独进机器，化学品硫酸或超纯水压力喷到晶元上，而不是如Bench 机台将晶元浸在化学品中，无法重复使用，单片晶圆的每道排酸量从Bench 时代的0.04-0.06L/片增加到1-1.5L/片，再加上线宽变小，芯片变复杂导致芯片蚀刻层数增加，芯片厂排出的废硫酸量增加了十倍以上[4]。

2 研究对象数据收集

张江集成电路产业涉及半导体器件专用设备材料业、集成电路设计业、集成电路制造业和封装测试4 个行业33 家企业，除了集成电路制造业危险废物废酸产量较大，其他行业废酸产量均较小，本次研究集中在张江集成电路制造企业，分析7 家集成电路制造企业2016 年-2020 年废酸产量变化趋势，具体数据详见表1。表中所有数据均来源于上海市危险废物管理信息系统[3]。

表1 张江集成电路制造业企业2016-2020年废酸产量（吨）

从表1 可以看出，除2019 年受全球半导体贸易趋势影响，张江集成电路制造企业废酸产量略有下降外，2016 年-2020 年张江集成电路制造业企业废酸产量总体呈上升趋势，至2020 年，张江集成电路制造业废酸产量已达2.26 万吨，较2019 年废酸产量增长了70%。

废酸产量大幅增加除了企业自身规模增长因素外，与国家对集成电路产业的重点布局密不可分，2家新建集成电路产废企业分别在2018 年、2019 年开始投产，2020 年逐步稳定增长。

3 废酸数据建模与预测

张江集成电路制造企业2016-2020 年废酸产量按年度分析，总体呈上升趋势，进一步对几家企业2016 年-2020 年这5 年来每个月的废酸产量进行深入分析，结合月度废酸数据进行建模并预测未来5年张江集成电路制造业废酸的产量。张江集成电路制造业企业2016 年1 月到2020 年12 月废酸产量相关数据如图1。图中所有企业废酸产生量等相关数据均来源于上海市危险废物管理信息系统。

图1 2016年-2020年张江集成电路制造业废酸产量月度变化图

从图1 可以看出，张江集成电路制造业2016-2019 年废酸的产量随月度增长的趋势较为平缓，2020 年几家企业废酸的产量增长非常明显，而且这种趋势并非随时间因子单一的线性增长，结合集成电路制造业废酸产量与芯片尺寸、工艺步骤等因素密切相关，本文选用广义线性模型（GLM）对未来几年（2021-2024 年）张江集成电路制造业废酸产量进行数据建模预测。

广义线性模型是线性回归模型的一种扩展，线性回归和逻辑回归都是GLM 的特殊形式，使用简单应用较广泛。通过选择特定的关联函数和密度函数，就可以使用R 语音或者Python 语言的GLM 工具包进行拟合计算，得到需要估计的参数解，并且可以作为预测模型使用。这里我们选用伽马分布的GLM 模型，得到的模型拟合结果见图2。

图2 模型拟合结果图

从图2 可以看出，采用的模型拟合数据误差相对较小，说明广义线性模型（GLM）能够较好的符合数据精度和预测要求。

通过模型预测得出未来几年（2021-2024 年）张江集成电路制造业废酸产量，详见图3。

图3 2021年1月-2024年12月张江集成电路制造业废酸产量预测图

从图3 可以看出，2024 年张江集成电路制造业废酸HW34 产量将达到15 万吨。

4 废酸资源化再利用

通过GLM 数据建模预测到未来几年（2021-2024 年）张江集成电路制造业废酸产量将大幅度增长，为了应对未来集成电路产业产能持续增长所导致的废酸利用处置能力不足等问题，需要进一步的研究集成电路产业废酸再利用处置的模式和管理的方式。

4.1 连云港市废酸定向再利用

江苏省连云港市以化工企业产生的废酸为试点对象，开展化工废酸的定向再利用，建立废酸产生单位与再利用单位的定向管理模式，减少危险废物委外处置利用的压力，降低产废企业的处置成本，同时降低综合利用企业的生产成本[6]。

4.2 上海市废酸定向再利用

针对集成电路产业废酸性质相对单一的特点，上海市也采用废酸定向再利用的方式，目前张江集成电路制造企业产生的废硫酸作为澎博公司钛白粉的生产原料进行点对点定向管理，资源再利用。

张江集成电路制造业2020 年废酸的利用处置方式主要以R6、R15 为主，主要利用途径和利用量如表2。

表2 张江集成电路制造业2020年废酸处置主要去向

从表2 可以看出，2020 年张江集成电路制造业再循环利用的废酸量达21000 余吨，占张江集成电路制造业2020 年废酸产量的90%以上，其中上海澎博钛白粉有限公司点对点定向利用的废硫酸量约为12000 吨，占张江集成电路制造业2020 年废酸产量的一半以上，约有7000 余吨废酸最终进入上海天汉环境资源有限公司处理。

结语

（1）随着我国集成电路产业规模的快速发展，未来几年（2021-2024 年）上海市集成电路产业危险废物废酸的产量将急剧增加，将给区域危险废物利用处置带来较大压力。鉴于集成电路产业废酸性质相对单一，浓度≥60%等特点，建议在危险废物废酸处置过程中尽量采用再循环资源化利用的方式，将行业产生的废酸统一作为下游处置单位的生产原料，从而降低行业企业废酸的处置成本，实现废酸减量化、资源化、无害化。

（2）建议区域危险废物管理部门对辖区集成电路产业废酸进行全过程监管，集成电路制造企业可单独设立废酸产生、收集、贮存、转移内部管理台账，采用废酸储罐高液位报警、视频监控、去除废酸中氧化性杂质（H2O2）等方式进一步防止废酸储罐贮存安全和转运过程泄露风险，危险废物监管部门对行业废酸转移、利用进行跟踪监管，确保废酸利用处置全过程环境安全风险可控。