有鑒於氣候變遷為環境、生存與國家安全帶來的威脅日益漸增，全球已有超過130個國家提出「2050淨零排放」的宣示與行動。而台灣以「矽島」之名立足全球，更仰賴堅強半導體科技實力，成為全球產業發展背後重要的供應鏈一環，面對永續發展議題更是責無旁貸。

對此，我國不只公布了「台灣2050淨零排放路徑及策略總說明」及「12項關鍵戰略行動計畫」，更核定「淨零排放路徑112–115年綱要計畫」，針對淨零碳排目標進行各面向的減緩與調適，以期能提升台灣在綠色產業的競爭力。

特別是無所不在的「晶片」已滲透到各行各業，使得半導體產業上下游更需群策群力，加速規劃淨零碳排的策略與解決之道。根據環境部提供的2023年數據，全台半導體製造業共有132間廠房，數量之多為各產業之最，而碳排放量則為2131.3萬噸，佔整體（2.14億噸）的10%。「因此我們必須嘗試從範疇一的環節中著手找出解決方法，」國立台北科技大學化學工程與生物科技系陳奕宏教授點出關鍵。不過，究竟什麼是「範疇一」？

從溫室氣體盤查議定書（the greenhouse gas protocal，GHG Protocol）定義來看，溫室氣體排放可以分為三個範疇分類。範疇一是指「企業擁有或控制的直接排放」，如製程中使用全球暖化潛勢（global warming potential，GWP）高之工業氣體等；範疇二則是指「使用電力所產生的間接排放」，類似蝕刻機等製程機台設備，以及控制溫度、濕度、廢氣的無塵室設備的用電等；至於範疇三，則是「使用供應鏈管道的其他間接排放」，包括員工通勤或商務差旅、原物料採購等產品生命周期中所產生的排放等行為。而麥肯錫（Mckinsey）的報告指出，半導體產業中的碳排放有高達八成來自範疇一與範疇二，因此從此方面著手將有助於加速淨零碳排的目標。

半導體常見揮發性有機化合物成為污染源

陳奕宏教授表示，以晶圓代工的流程來拆解，在晶片製造過程中，異丙醇（IPA）作為清潔洗劑被廣泛使用於刷洗、冷洗或蒸洗等用途，主要因其具備優異的去油污效果。近年來，隨著IPA循環經濟技術的成熟（如台灣積體電路製造股份有限公司的IPA回收示範場），IPA 的處理逐漸向資源化和減碳方向發展，而其他揮發性有機化合物（Volatile organic compounds，VOCs）如丙酮（Acetone）、甲苯（Toluene）、乙酸乙酯（Ethyl acetate）、正己烷（n-Hexane）等，在製程中所產生出的VOCs廢氣也是影響空氣污染指數的元兇。目前除了IPA的循環再利用外，其餘 VOCs 主要還是以蓄熱式焚化爐（regenerative thermal oxidizer，RTO）燃燒去化，然而，陳奕宏教授認為燃燒方式只是將淨零碳排的目標做了一半，如果能夠將二氧化碳捕捉後再進行利用，使其能在環境中持續循環不進入到大氣中，對節能減碳將有長足進步。

其實，現行場域裡面也正著手執行碳捕捉技術。陳奕宏教授表示，目前市場上主要採用化學吸收法，通常使用鹼性或碳酸鹽吸收劑與二氧化碳發生化學反應，形成穩固化學鍵以實現高碳捕捉效率，之後通常透過高溫加熱的逆反應方式對吸收劑進行再生。但考量到碳捕捉效率、降低能耗表現、減少吸收劑耗損以及生產高值化產物等目標綜合評估，碳捕捉再利用的技術應有進步的空間，因此陳奕宏教授提出以「超重力反應器」作為解決方案。

品嚐過拿鐵的人應該都知曉，一杯能印象深刻的拿鐵，「奶泡」是不可忽略的存在，當我們使用蒸氣機製作奶泡時，牛奶透過短時間、大面積的與空氣接觸產生細膩的泡沫，不僅能夠使牛奶口感更加綿密，還能夠封存住咖啡的濃郁香氣，而以超重力反應器實現碳捕捉再利用的過程，正是有點類似製作奶泡的概念。

重力加速度，以廢水捕捉廢氣中的二氧化碳，實現碳捕捉再利用

陳奕宏教授解釋道，超重力反應器是將具有填充物之填充床高速旋轉，藉以提升氣體與液體融合的效率，因此又名超重力旋轉填充床（rotating packed bed，RPB）。

「由於氣體在正常情況下不易溶於液體中，因此需透過高速運轉達成此一目的，」陳奕宏教授說，這套反應設備能安裝在半導體現有的廠房內，其體積是過去傳統反應器的1/20左右，可以不用大興土木影響半導體產業的稼動率，對於日漸精簡的工廠配置來說，是極有成本競爭力與效益的解決方案。

陳奕宏教授說，這套以超重力反應器所設計的碳捕捉再利用的作法，關鍵操作參數包括壓降、氣體流量、轉速、液體滯留量與液體滯留時間等。首先將經過燃燒後的異丙醇導入至裝置內部，另一方面，半導體製程中也大量使用水資源的環節，形成的廢水正好能作為超重力反應器液體的選擇，如此一來不僅能利用重力加速度將二氧化碳溶至廢水液體中，亦可以讓生產過程的廢水被二次利用。

陳奕宏教授也補充說道，溶入了二氧化碳的廢水可以依照後續場域的需求，分成工業級、電子級等差異，並透過提純方法將其化身為可再被利用的化學品，持續在半導體製造過程中循環、避免造成污染。

不過，目前這套解決方案距離落地到實際場域仍有一段距離。陳奕宏教授表示，即便現階段的碳捕捉成效可達八成左右，要如何讓解決方案的反應數量放大，考驗著相關設備的投入與建置；此外，如何替捕捉到二氧化碳的廢水找到可以再利用的場域、同時整合上下游產業鏈的技術，也成了後續的挑戰。但陳奕宏教授堅信，這套以超重力反應器所設計的碳捕捉再利用方法，不僅能滿足半導體產業淨零碳排的需求，對於擁有因燃燒而排放廢氣的其他重工業來說，都是可以發揮其強項的領域，也能加速台灣產業迎向更永續的未來。
 

資料來源:

1. 採訪國立臺北科技大學化學工程與生物科技系陳奕宏教授
2. 環境部溫室氣體排放量盤查作業指引 113 版，p.III-V
3. 台積電（2023年8月9日），台積公司改造「超重力旋轉床」

※ 本文經授權轉載自《科技大觀園》，原文標題〈半導體製程如何平衡高科技與環境永續？——專訪陳奕宏教授〉

資料來源: 環境資訊中心