張江集成電路產業廢酸產量預測和處置研究

李 萍

（上海市浦東新區環境管理事務中心 上海 201210）

引言

發展芯片產業是中國科技真正崛起的必經之路。“中國芯”是浦東重點布局的六大硬核產業之一，《中共中央國務院關于支持浦東新區高水平改革開放打造社會主義現代化建設引領區的意見》（引領區意見）也對浦東集成電路產業提出全力打造集成電路世界級創新產業集群的目標。作為中國最完善、最齊全的集設計、制造、裝備材料、封裝測試聯動發展的集成電路產業鏈，浦東新區張江集成電路產業匯聚了307 家相關企業，云集了一批國際知名的集成電路企業，全球芯片設計10 強中有6 家在張江設立了區域總部、研發中心[1]。伴隨著集成電路產業規模的逐步擴大，集成電路行業危險廢棄物處置需求也日益增多。

根據《國家危險廢物名錄》[2]，張江集成電路產業主要產生廢酸、廢有機溶劑等危險廢物，芯片制造的過程復雜，每道工序后均有清洗步驟，需要用到大量的酸，據統計，2019 年張江集成電路制造業廢酸轉移量為1.33 萬噸，約占全市廢酸轉移量的38%[3]。集成電路行業廢酸主要以廢硫酸為主，具有腐蝕性、毒性和反應性等危險特性，危害性大并且產量大的廢酸如果不能安全有效利用處置，將會給生態環境帶來較大的破壞。此外，為了提高光刻膠去除效果，酸洗過程一般會配比加入雙氧水，雙氧水與硫酸反應會生成過氧硫酸，具有極強的氧化性，同時產生大量熱，對外運和處理設施帶來危害[4]。隨著集成電路產業規模的不斷發展，廢酸的產量將持續增長，既增加了企業環境風險，也給危險廢物環境管理部門帶來重大挑戰。

研究浦東新區張江集成電路產業廢酸的現狀并對未來幾年廢酸產量進行預測，對進一步加強浦東新區廢酸全過程管理，預防環境安全風險具有重要意義，也為新區集成電路產業布局和廢酸利用處置提供參考依據。

1 集成電路產業廢酸來源

集成電路產業廢酸主要來自芯片清洗工序，芯片的清洗是集成電路制造極為重要的環節之一，完全清潔的基片表面是實現高性能處理的第一步，潔凈表面是指不存在粒子、金屬、有機物及水分等污染物和自然氧化膜，具有原子級的平整度，以氫為終端的表面[5]。

張江集成電路制造企業在硅片清洗過程采用SPM 清洗技術，清洗液由H2SO4、H2O2和H2O 組成，整個過程用到硫酸的量和工藝步驟密切相關，工藝技術越先進，清洗過程越復雜，使用的硫酸量越大。例如隨著40 納米制程以下Single wafer 機臺的大量使用，此種機臺每一片晶元單獨進機器，化學品硫酸或超純水壓力噴到晶元上，而不是如Bench 機臺將晶元浸在化學品中，無法重復使用，單片晶圓的每道排酸量從Bench 時代的0.04-0.06L/片增加到1-1.5L/片，再加上線寬變小，芯片變復雜導致芯片蝕刻層數增加，芯片廠排出的廢硫酸量增加了十倍以上[4]。

2 研究對象數據收集

張江集成電路產業涉及半導體器件專用設備材料業、集成電路設計業、集成電路制造業和封裝測試4 個行業33 家企業，除了集成電路制造業危險廢物廢酸產量較大，其他行業廢酸產量均較小，本次研究集中在張江集成電路制造企業，分析7 家集成電路制造企業2016 年-2020 年廢酸產量變化趨勢，具體數據詳見表1。表中所有數據均來源于上海市危險廢物管理信息系統[3]。

表1 張江集成電路制造業企業2016-2020年廢酸產量（噸）

從表1 可以看出，除2019 年受全球半導體貿易趨勢影響，張江集成電路制造企業廢酸產量略有下降外，2016 年-2020 年張江集成電路制造業企業廢酸產量總體呈上升趨勢，至2020 年，張江集成電路制造業廢酸產量已達2.26 萬噸，較2019 年廢酸產量增長了70%。

廢酸產量大幅增加除了企業自身規模增長因素外，與國家對集成電路產業的重點布局密不可分，2家新建集成電路產廢企業分別在2018 年、2019 年開始投產，2020 年逐步穩定增長。

3 廢酸數據建模與預測

張江集成電路制造企業2016-2020 年廢酸產量按年度分析，總體呈上升趨勢，進一步對幾家企業2016 年-2020 年這5 年來每個月的廢酸產量進行深入分析，結合月度廢酸數據進行建模并預測未來5年張江集成電路制造業廢酸的產量。張江集成電路制造業企業2016 年1 月到2020 年12 月廢酸產量相關數據如圖1。圖中所有企業廢酸產生量等相關數據均來源于上海市危險廢物管理信息系統。

圖1 2016年-2020年張江集成電路制造業廢酸產量月度變化圖

從圖1 可以看出，張江集成電路制造業2016-2019 年廢酸的產量隨月度增長的趨勢較為平緩，2020 年幾家企業廢酸的產量增長非常明顯，而且這種趨勢并非隨時間因子單一的線性增長，結合集成電路制造業廢酸產量與芯片尺寸、工藝步驟等因素密切相關，本文選用廣義線性模型（GLM）對未來幾年（2021-2024 年）張江集成電路制造業廢酸產量進行數據建模預測。

廣義線性模型是線性回歸模型的一種擴展，線性回歸和邏輯回歸都是GLM 的特殊形式，使用簡單應用較廣泛。通過選擇特定的關聯函數和密度函數，就可以使用R 語音或者Python 語言的GLM 工具包進行擬合計算，得到需要估計的參數解，并且可以作為預測模型使用。這里我們選用伽馬分布的GLM 模型，得到的模型擬合結果見圖2。

圖2 模型擬合結果圖

從圖2 可以看出，采用的模型擬合數據誤差相對較小，說明廣義線性模型（GLM）能夠較好的符合數據精度和預測要求。

通過模型預測得出未來幾年（2021-2024 年）張江集成電路制造業廢酸產量，詳見圖3。

圖3 2021年1月-2024年12月張江集成電路制造業廢酸產量預測圖

從圖3 可以看出，2024 年張江集成電路制造業廢酸HW34 產量將達到15 萬噸。

4 廢酸資源化再利用

通過GLM 數據建模預測到未來幾年（2021-2024 年）張江集成電路制造業廢酸產量將大幅度增長，為了應對未來集成電路產業產能持續增長所導致的廢酸利用處置能力不足等問題，需要進一步的研究集成電路產業廢酸再利用處置的模式和管理的方式。

4.1 連云港市廢酸定向再利用

江蘇省連云港市以化工企業產生的廢酸為試點對象，開展化工廢酸的定向再利用，建立廢酸產生單位與再利用單位的定向管理模式，減少危險廢物委外處置利用的壓力，降低產廢企業的處置成本，同時降低綜合利用企業的生產成本[6]。

4.2 上海市廢酸定向再利用

針對集成電路產業廢酸性質相對單一的特點，上海市也采用廢酸定向再利用的方式，目前張江集成電路制造企業產生的廢硫酸作為澎博公司鈦白粉的生產原料進行點對點定向管理，資源再利用。

張江集成電路制造業2020 年廢酸的利用處置方式主要以R6、R15 為主，主要利用途徑和利用量如表2。

表2 張江集成電路制造業2020年廢酸處置主要去向

從表2 可以看出，2020 年張江集成電路制造業再循環利用的廢酸量達21000 余噸，占張江集成電路制造業2020 年廢酸產量的90%以上，其中上海澎博鈦白粉有限公司點對點定向利用的廢硫酸量約為12000 噸，占張江集成電路制造業2020 年廢酸產量的一半以上，約有7000 余噸廢酸最終進入上海天漢環境資源有限公司處理。

結語

（1）隨著我國集成電路產業規模的快速發展，未來幾年（2021-2024 年）上海市集成電路產業危險廢物廢酸的產量將急劇增加，將給區域危險廢物利用處置帶來較大壓力。鑒于集成電路產業廢酸性質相對單一，濃度≥60%等特點，建議在危險廢物廢酸處置過程中盡量采用再循環資源化利用的方式，將行業產生的廢酸統一作為下游處置單位的生產原料，從而降低行業企業廢酸的處置成本，實現廢酸減量化、資源化、無害化。

（2）建議區域危險廢物管理部門對轄區集成電路產業廢酸進行全過程監管，集成電路制造企業可單獨設立廢酸產生、收集、貯存、轉移內部管理臺賬，采用廢酸儲罐高液位報警、視頻監控、去除廢酸中氧化性雜質（H2O2）等方式進一步防止廢酸儲罐貯存安全和轉運過程泄露風險，危險廢物監管部門對行業廢酸轉移、利用進行跟蹤監管，確保廢酸利用處置全過程環境安全風險可控。