Chemische Prozesse könnten die Halbleiterherstellung nachhaltiger machen

Obwohl für das moderne Leben unerlässlich, ist die Halbleiterherstellung energie- und ressourcenintensiv und erfordert einen höheren Verbrauch von Elektrizität, Wasser, Chemikalien und Prozessgasen, was alles zu einem größeren Energieverbrauch und Umweltauswirkungen führt – eine bedauerliche Realität, die durch die gestiegene Komplexität der fortschrittlichen Chipfertigung und die erhöhte Nachfrage noch verstärkt wird. 

"Wenn der derzeitige Wachstumspfad ungehindert weitergeführt würde, würden die Kohlenstoffemissionen aus der Halbleiterproduktion in den kommenden Jahren um etwa 8% jährlich steigen und erst um etwa 2045 ihren Höhepunkt erreichen", sagt The Boston Consulting Group.

Als Reaktion auf diese Herausforderungen – und den zunehmenden Druck, da weltweit Regierungen beginnen, strengere Umweltvorschriften umzusetzen – hat die Halbleiterindustrie Innovationsinitiativen und Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen auf umweltfreundlichere Prozesse ausgerichtet. Alternative Lösungen haben begonnen, an Zugkraft zu gewinnen.

Hier gehen wir auf die Schlüsselherausforderungen ein, mit denen Unternehmen konfrontiert sind, wie sich chemische Prozesse weiterentwickeln, um die Halbleiterproduktion nachhaltiger zu machen, und die Branchenführer, die den Übergang anführen.

Kritische Herausforderungen bei der Erreichung von Nachhaltigkeit

Eines der größten Hindernisse für eine nachhaltigere Halbleiterherstellung ist die Tatsache, dass viele der in der Produktion verwendeten Chemikalien sowohl für den Prozess unerlässlich als auch schädlich für die Umwelt sind. Obwohl notwendig, können diese Substanzen, wenn sie nicht ordnungsgemäß gehandhabt werden, oft giftig sein und Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellen. Auch die Entsorgung der aus diesen Chemikalien resultierenden Abfälle kann schwierig sein und führt zu weiteren Umweltproblemen. 

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Die Halbleiterindustrie wurde aufgrund ihrer erheblichen Umweltauswirkungen, hauptsächlich durch die Freisetzung von Gasen mit hohem GWP sowie ihres beträchtlichen Wasser- und Energieverbrauchs, kritisiert. Während diese Chemikalien für die Funktionalität und Leistung von Halbleitern unerlässlich sind, müssen wir nur kurz zurückblicken, um ihre Umweltauswirkungen vollständig zu würdigen.

In den 1970er bis 1990er Jahren, als die Vereinigten Staaten eine dominierende Kraft in der Halbleiterproduktion waren, wurden die Umweltgefahren, die mit Fabrikationsanlagen verbunden waren, nicht weitgehend erkannt. In dieser Zeit wurde das Silicon Valley, Heimat zahlreicher Fabs, zum Standort mehrerer Superfund-Standorte – Gebiete, die so kontaminiert waren, dass sie auf die nationale Prioritätenliste für die Bundesreinigung gesetzt wurden. Zum Beispiel identifizierte die EPA bei einem von Intel betriebenen Standort, der zwischen 1968 und 1981 aktiv war, mehr als ein Dutzend Kontaminanten im Grundwasser, einschließlich Arsen, Chloroform und Blei. 

Obwohl die Branche jetzt eine aggressive, proaktive Haltung in Bezug auf Nachhaltigkeit einnimmt, unterstreichen diese Ereignisse die Wichtigkeit, technologischen Fortschritt mit Umweltverantwortung in Einklang zu bringen.

Die Rolle von Chemikalien in der Halbleiterherstellung

Die Halbleiterfertigung umfasst verschiedene chemische Prozesse, die für das Ätzen, Reinigen, Dotieren und Strukturieren von Materialien entscheidend sind. Während diese Chemikalien für die Herstellung leistungsfähiger Chips notwendig sind, bringen sie oft erhebliche Umweltnachteile mit sich, einschließlich gefährlicher Abfälle und Treibhausgasemissionen. Zum Beispiel:

Ätzen: Entfernen von Materialschichten von der Waferoberfläche, um die komplexen Muster zu erstellen, die die Funktionalität eines Chips definieren. Perfluorkarbone (PFCs), die in Ätzprozessen verwendet werden, sind aufgrund ihrer Wirksamkeit bei der Erstellung der detaillierten Strukturen, die für fortschrittliche Mikrochips benötigt werden, nahezu unersetzlich. Leider haben diese Gase ein GWP (globales Erwärmungspotenzial), das tausende Male höher ist als das von Kohlendioxid, was ihren Einfluss auf den Klimawandel überproportional groß macht.

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Reinigung: Wafer müssen in verschiedenen Stadien sorgfältig gereinigt werden, um Unreinheiten zu entfernen. Der Einsatz von Lösungsmitteln, Säuren und Basen ist integral, um die extremen Reinheitsgrade zu erreichen, die für Halbleitergeräte erforderlich sind. Leider sind diese Chemikalien oft gefährlich und erzeugen einen signifikanten Abfallstrom.

Dotierung: Der Prozess des Hinzufügens von Verunreinigungen zu Halbleitermaterial, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern. Chemikalien wie Arsin und Phosphin, die hochgiftig sind, werden häufig beim Dotieren verwendet.

Innovationen in chemischen Prozessen für Nachhaltigkeit

Angesichts der Umweltauswirkungen dieser chemischen Prozesse erforscht die Halbleiterindustrie zunehmend Alternativen und Innovationen, um die Produktion nachhaltiger zu gestalten. Hier sind einige der vielversprechendsten Entwicklungen:

1. Grünere Lösungsmittel und Reinigungsmittel

Ein Schlüsselbereich der Innovation ist die Entwicklung von umweltfreundlicheren Lösungsmitteln und Reinigungsmitteln, die eine geringere Umweltbelastung haben. Traditionelle Lösungsmittel wie Isopropylalkohol sind zwar wirksam, können aber in großen Mengen gefährlich sein. Hersteller erforschen nun alternative Lösungsmittel, die biologisch abbaubar und weniger giftig sind, um die schädlichen Auswirkungen von Reinigungsprozessen auf die Umwelt zu reduzieren.

Unternehmen erforschen beispielsweise den Einsatz von wasserbasierten Reinigungslösungen, die Wasser als Hauptlösungsmittel verwenden. Diese Lösungen können Wafer effektiv reinigen und gleichzeitig den Bedarf an schädlichen Chemikalien drastisch reduzieren. Zusätzlich werden neue Reinigungsmittel entwickelt, die recycelt und wiederverwendet werden können, was die chemischen Abfälle erheblich reduziert​.

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Chemikalien von hoher Bedenklichkeit bei der Halbleiterreinigung sind N-Methylpyrrolidon (NMP) und Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) sowie das häufig verwendete Lösungsmittel Dimethylsulfoxid (DMSO). Daher stellen Unternehmen wie Merck KGaA neue Produkte vor, die weniger giftige, sicherere Chemikalien verwenden und dabei auf NMP, TMAH oder DMSO verzichten.

2. Reduzierung von Gasen mit hohem Treibhauspotenzial

Forscher arbeiten an der Entwicklung alternativer Gase mit niedrigeren GWP-Werten, die dennoch die für Ätzprozesse erforderliche Präzision erreichen können. Beispielsweise wurde Stickstofftrifluorid (NF3) als Ersatz in einigen Anwendungen eingeführt, da es ein niedrigeres GWP als traditionelle PFCs aufweist.

Zusätzlich können Verbesserungen an der Prozessausrüstung dazu beitragen, die während des Ätzens verwendete Gasmenge zu reduzieren und somit die Emissionen zu senken. Fortgeschrittene Ätztechniken, die plasmabasierte Prozesse nutzen, werden ebenfalls erforscht. Diese Methoden können die Menge der benötigten schädlichen Chemikalien erheblich reduzieren und tragen zu einem nachhaltigeren Produktionsprozess bei.

Mehr über den Übergang von PFCs zu NF vom The Semiconductor PFAS Consortium.

3. Geschlossene chemische Recycling-Systeme

Eine weitere vielversprechende Innovation ist die Einführung von geschlossenen chemischen Recycling-Systemen, die es Herstellern ermöglichen, Chemikalien wiederzuverwenden, anstatt sie nach einmaligem Gebrauch zu entsorgen. Dies ist besonders wichtig für Chemikalien, die in Reinigungs- und Ätzprozessen verwendet werden, da sie einen großen Teil des Abfalls in der Halbleiterfertigung ausmachen.

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Durch den Einsatz fortschrittlicher Filtrations- und Reinigungstechnologien können Hersteller Chemikalien zurückgewinnen und wiederverwenden, wodurch sowohl Abfall reduziert als auch der Bedarf an Rohstoffen gesenkt wird. Dies verringert nicht nur die Umweltauswirkungen, sondern senkt auch die Betriebskosten und schafft eine Win-Win-Situation für die Hersteller​.

Um der steigenden Nachfrage nach Rohstoffen, bedingt durch fortschrittliche Fertigungsprozesse, gerecht zu werden, arbeitete TSMC mit Lieferanten zusammen, um das "Projekt zur Wiederverwertung von Chemikalien in Elektronikqualität" zu initiieren. Diese Initiative konzentriert sich auf die Entwicklung von Technologien zur Wiederverwertung von Prozessabfallstoffen, indem diese in Produkte von Elektronikqualität umgewandelt werden, die bei TSMC wiederverwendet werden können, und somit den Wert des geschlossenen Recyclingmodells von TSMC steigern. Im Jahr 2023 wurde Abfall von Cyclopentanon erfolgreich in Cyclopentanon von Elektronikqualität raffiniert, das den strengen Qualitätsstandards von TSMC entsprach. Diese wiederaufbereitete Chemikalie wurde offiziell im November in TSMCs fortschrittlicher Verpackungs- und Testeinrichtung AP3 eingeführt und soll den jährlichen FlüssigEinkauf um 750 Tonnen reduzieren und die Kohlenstoffemissionen um 380 Tonnen senken, was eine umweltfreundliche Fertigung exemplifiziert und die ökologische Nachhaltigkeit vorantreibt.

4. Trockenverarbeitungstechniken

Trockenverarbeitungstechniken wurden entwickelt, um den Wasserverbrauch und die Abfallproduktion zu reduzieren. Diese Techniken, wie das Trockenätzen, eliminieren die Notwendigkeit von flüssigen Chemikalien, indem stattdessen Gase oder Plasmen verwendet werden.

Das Trockenätzen hat insbesondere eine bedeutende Rolle beim Übergang zu nachhaltigeren Optionen gespielt, indem es den Bedarf an toxischen Chemikalien eliminiert und den Wasserverbrauch senkt. Auch plasmabasierte Reinigungsmethoden gewinnen an Bedeutung, da sie ähnliche Vorteile bieten, indem sie weniger Wasser und Energie im Vergleich zu herkömmlichen Nassreinigungsmethoden verwenden​.

Branchenbemühungen und globaler Einfluss

Als Reaktion auf wachsende Umweltbedenken investieren Halbleiterunternehmen zunehmend in Strategien, um die Umweltauswirkungen ihrer Produktionsprozesse zu reduzieren. Laut Deloitte konzentrieren sich diese Unternehmen darauf, Herstellungsprozesse zu adoptieren, die Materialien mit niedrigerem GWP (Global Warming Potential) nutzen. Dies beinhaltet die Nachrüstung bestehender Anlagen und den Bau neuer Einrichtungen, um Prozesse zu integrieren, die auf Chemikalien und Gase mit geringeren Emissionen setzen.

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Die traditionelle Halbleiterfertigung verwendet in hohem Maße Gase mit hohem GWP, wie PFCs (Perfluorcarbone), Fluorkohlenwasserstoffe, Stickstofftrifluorid (NF3) und Schwefelhexafluorid. Leider werden bis zu 80% dieser fluorierten Gase oft nach der Verarbeitung in die Atmosphäre freigesetzt. PFCs sind schwer zu ersetzen, aber es werden Fortschritte gemacht. So entwickelt Samsung Semiconductor beispielsweise Prozessgase mit niedrigerem GWP, um PFCs in wichtigen Herstellungsschritten wie Ätzen und chemischer Gasphasenabscheidung zu ersetzen, und hat diese seit 2018 bereits in mehreren Produkten implementiert. Ähnlich führte Tokyo Electron Limited (TEL) einen Hochaspektverhältnis-Ätzprozess ein, der bei kryogenen Temperaturen arbeitet, alternative Chemikalien verwendet und sowohl den Energieverbrauch als auch die Treibhausgasemissionen erheblich reduziert.

Obwohl diese Bemühungen vielversprechend sind, merkt Deloitte an, dass der Übergang zu alternativen Gasen ein langsamer Prozess ist, der oft nur schrittweise Verbesserungen mit sich bringt.

Der Weg nach vorn

Indem sie wo immer möglich auf umweltfreundlichere Alternativen umsteigen und den Verbrauch optimieren, können Hersteller ihren CO2-Fußabdruck reduzieren, die ökologischen Auswirkungen ihrer Aktivitäten mindern und Fortschritte in Richtung ihrer Klimaziele machen. Die genannten Innovationen in umweltfreundlicheren Chemikalien, trockenen Verarbeitungstechniken und geschlossenen Recycling-Systemen stellen entscheidende Schritte auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Zukunft der Branche dar.

Obwohl Herausforderungen bestehen bleiben, geben das wachsende Engagement von Branchenführern und die zunehmende Verfügbarkeit neuer Technologien Hoffnung auf einen umweltfreundlicheren Halbleiterherstellungsprozess. Da Unternehmen weiterhin in nachhaltige Lösungen investieren, ist die Branche bereit, bedeutende Fortschritte bei der Reduzierung ihrer Umweltauswirkungen zu machen und sicherzustellen, dass die Chips, die unsere moderne Welt antreiben, auf eine Weise produziert werden, die mehr im Einklang mit dem Planeten steht.