Los procesos químicos podrían hacer que la fabricación de semiconductores sea más sostenible

Aunque esencial para la vida moderna, la fabricación de semiconductores consume mucha energía y recursos, exigiendo un mayor consumo de electricidad, agua, químicos y gases de proceso, todo lo cual contribuye a un mayor uso de energía e impacto ambiental, una realidad desafortunada que se ve agravada por la complejidad creciente de la fabricación de chips avanzados y la demanda creciente. 

"Si la trayectoria de crecimiento actual continuara sin control, las emisiones de carbono de la producción de semiconductores aumentarían aproximadamente un 8% anualmente en los próximos años y no alcanzarían su punto máximo hasta aproximadamente 2045", dice The Boston Consulting Group.

En respuesta a estos desafíos, y a la presión aumentada a medida que gobiernos de todo el mundo comienzan a implementar regulaciones ambientales más estrictas, la industria de semiconductores ha estado orientando iniciativas de innovación y esfuerzos de investigación y desarrollo hacia procesos más amigables con el medio ambiente. Las soluciones alternativas han comenzado a ganar terreno.

Aquí, profundizamos en los desafíos clave que enfrentan las empresas, cómo los procesos químicos están evolucionando para hacer la producción de semiconductores más sostenible y los líderes de la industria que están liderando la transición.

Desafíos Críticos para Lograr la Sostenibilidad

Uno de los mayores obstáculos para hacer la fabricación de semiconductores más sostenible es el hecho de que muchos de los químicos utilizados en la producción son tanto esenciales para el proceso como peligrosos para el medio ambiente. Aunque necesarios, si no se gestionan adecuadamente, estas sustancias suelen ser tóxicas y representan riesgos para la salud humana y el medio ambiente. Los desechos generados por estos químicos también pueden ser difíciles de desechar, lo que conduce a más desafíos ambientales. 

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La industria de semiconductores ha enfrentado críticas por su significativo impacto ambiental, principalmente debido a la liberación de gases con alto GWP y su sustancial consumo de agua y energía. Aunque estos químicos son esenciales para la funcionalidad y el rendimiento de los semiconductores, solo necesitamos mirar un poco hacia atrás para apreciar completamente sus consecuencias ambientales.

En las décadas de 1970 a 1990, cuando Estados Unidos era una fuerza dominante en la producción de semiconductores, los peligros ambientales asociados con las plantas de fabricación no eran ampliamente reconocidos. Durante este período, Silicon Valley, hogar de numerosas fábricas, se convirtió en el sitio de varias ubicaciones de Superfund—áreas tan contaminadas que fueron colocadas en la Lista de Prioridades Nacionales para la limpieza federal. Por ejemplo, en un sitio de Intel activo entre 1968 y 1981, la EPA identificó más de una docena de contaminantes en el agua subterránea, incluyendo arsénico, cloroformo y plomo. 

Aunque la industria ahora adopta una postura agresiva y proactiva sobre la sostenibilidad, estos eventos subrayan la imperatividad de equilibrar el avance tecnológico con la gestión ambiental.

El papel de los químicos en la fabricación de semiconductores

La fabricación de semiconductores involucra varios procesos químicos cruciales para el grabado, limpieza, dopaje y patrón de materiales. Aunque son necesarios para producir chips de alto rendimiento, estos químicos a menudo vienen con desventajas ambientales significativas, incluyendo residuos peligrosos y emisiones de gases de efecto invernadero. Por ejemplo:

Grabado: Eliminación de capas de material de la superficie del oblea para crear los patrones intrincados que definen la funcionalidad de un chip. Los perfluorocarbonos (PFC) utilizados en los procesos de grabado son casi imposibles de reemplazar debido a su efectividad en crear las estructuras detalladas necesarias para los microchips avanzados. Desafortunadamente, estos gases tienen un GWP (potencial de calentamiento global) miles de veces mayor que el dióxido de carbono, lo que hace que su impacto en el cambio climático sea desproporcionadamente grande.

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Limpieza: Los obleas deben limpiarse meticulosamente en varias etapas para eliminar impurezas. El uso de solventes, ácidos y bases es integral para alcanzar los niveles extremos de pureza requeridos para los dispositivos semiconductores. Desafortunadamente, estos químicos a menudo son peligrosos y generan un flujo de residuos significativo.

Dopaje: El proceso de añadir impurezas al material semiconductor para alterar sus propiedades eléctricas. Químicos como el arsina y la fosfina, que son altamente tóxicos, se utilizan comúnmente en el dopaje.

Innovaciones en Procesos Químicos para la Sostenibilidad

Reconociendo el impacto ambiental de estos procesos químicos, la industria de semiconductores está explorando cada vez más alternativas e innovaciones para hacer la producción más sostenible. Aquí están algunos de los desarrollos más prometedores:

1. Solventes y Agentes de Limpieza más Ecológicos

Una de las áreas clave de innovación ha sido el desarrollo de solventes y agentes de limpieza más ecológicos que tienen un menor impacto ambiental. Los solventes tradicionales como el alcohol isopropílico, aunque efectivos, pueden ser peligrosos en grandes cantidades. Los fabricantes ahora están investigando solventes alternativos que sean biodegradables y menos tóxicos, reduciendo los efectos nocivos de los procesos de limpieza en el medio ambiente.

Por ejemplo, las empresas están explorando el uso de soluciones de limpieza basadas en agua que utilizan el agua como solvente principal. Estas soluciones pueden limpiar efectivamente los obleas mientras reducen drásticamente la necesidad de químicos dañinos. Además, se están desarrollando nuevos agentes de limpieza que pueden ser reciclados y reutilizados, reduciendo significativamente los desechos químicos​.

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Los químicos de alta preocupación en la limpieza de semiconductores son N-metilpirrolidona (NMP) y hidróxido de tetrametilamonio (TMAH), así como el solvente comúnmente utilizado dimetil sulfóxido (DMSO). Por lo tanto, compañías como Merck KGaA están reformulando e introduciendo nuevos productos que utilizan químicos menos tóxicos y más seguros sin usar NMP, TMAH, o DMSO.

2. Reducción de Gases con Alto GWP

Los investigadores están trabajando en el desarrollo de gases alternativos con GWPs más bajos que aún puedan lograr la precisión requerida en los procesos de grabado. Por ejemplo, el trifluoruro de nitrógeno (NF3) se ha introducido como sustituto en algunas aplicaciones, ya que tiene un GWP más bajo que los PFCs tradicionales​.

Además, las mejoras en el equipo de proceso pueden ayudar a reducir la cantidad de gas utilizado durante el grabado, reduciendo así las emisiones. También se están explorando técnicas avanzadas de grabado que utilizan procesos basados en plasma. Estos métodos pueden reducir significativamente la cantidad de químicos dañinos requeridos, contribuyendo a un proceso de producción más sostenible.

Más sobre la transición de PFCs a NF de The Semiconductor PFAS Consortium.

3. Sistemas de Reciclaje Químico de Circuito Cerrado

Otra innovación prometedora es la adopción de sistemas de reciclaje químico de circuito cerrado, que permiten a los fabricantes reutilizar químicos en lugar de desecharlos después de un solo uso. Esto es particularmente importante para los químicos utilizados en procesos de limpieza y grabado, ya que representan una gran parte de los residuos generados en la fabricación de semiconductores.

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Mediante el uso de tecnologías avanzadas de filtración y purificación, los fabricantes pueden recuperar y reutilizar químicos, reduciendo tanto los residuos como la necesidad de materias primas. Esto no solo reduce el impacto ambiental sino que también disminuye los costos operativos, creando un escenario beneficioso para los fabricantes​.

Para abordar la creciente demanda de materias primas a medida que avanzan los procesos de fabricación, TSMC colaboró con proveedores para iniciar el "Proyecto de Reciclaje de Químicos de Grado Electrónico". Esta iniciativa se centra en desarrollar tecnología para reciclar materiales de desecho del proceso, convirtiéndolos en productos de grado electrónico para su reutilización en TSMC, mejorando así el valor del modelo de reciclaje cerrado de TSMC. En 2023, el desecho de ciclo pentanona fue refinado exitosamente a ciclo pentanona de grado electrónico que cumplió con los estrictos estándares de calidad de TSMC. Este químico reprocesado fue oficialmente introducido en noviembre en la instalación avanzada de empaquetado y pruebas AP3 de TSMC y se espera que reduzca la adquisición anual de líquidos en 750 toneladas y corte las emisiones de carbono en 380 toneladas, ejemplificando la fabricación verde y avanzando en la sostenibilidad ambiental.

4. Técnicas de Procesamiento en Seco

Se han desarrollado técnicas de procesamiento en seco para reducir el uso de agua y la generación de residuos. Estas técnicas, como el grabado en seco, eliminan la necesidad de químicos líquidos utilizando gases o plasmas en su lugar.

El grabado en seco, en particular, ha jugado un papel significativo en la transición a opciones más sostenibles, eliminando la necesidad de químicos tóxicos y reduciendo el consumo de agua. Los métodos de limpieza basados en plasma también están ganando terreno, ofreciendo beneficios similares al usar menos agua y energía en comparación con los métodos convencionales de limpieza en húmedo​.

Esfuerzos de la Industria e Impacto Global

En respuesta a las crecientes preocupaciones ambientales, las empresas de semiconductores están invirtiendo cada vez más en estrategias para reducir los impactos ambientales de sus operaciones de fabricación. Según Deloitte, estas empresas se están enfocando en adoptar procesos de fabricación que utilizan materiales con un menor PGP (Potencial de Calentamiento Global). Esto incluye la modernización de plantas existentes y la construcción de nuevas instalaciones para incorporar procesos que dependen de químicos y gases con menores emisiones.

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La fabricación tradicional de semiconductores utiliza en gran medida gases con alto PGP, como los PFCs (compuestos perfluorocarbonados), hidrofluorocarbonos, trifluoruro de nitrógeno (NF3) y hexafluoruro de azufre. Desafortunadamente, hasta el 80% de estos gases fluorados a menudo se liberan en la atmósfera después del procesamiento. Los PFCs son difíciles de reemplazar, pero se está progresando. Por ejemplo, Samsung Semiconductor está desarrollando gases de proceso con menor PGP para reemplazar los PFCs en pasos de fabricación clave como el grabado y la deposición química de vapor, habiendo ya implementado estos en varios productos desde 2018. De manera similar, Tokyo Electron Limited (TEL) introdujo un proceso de grabado de alta relación de aspecto que opera a temperaturas criogénicas, utiliza químicos alternativos y reduce significativamente tanto el consumo de energía como las emisiones de gases de efecto invernadero.

Aunque estos esfuerzos son prometedores, Deloitte señala que la transición a gases alternativos es un proceso lento que a menudo resulta en mejoras incrementales.

El Camino a Seguir

Al optar por alternativas más ecológicas siempre que sea posible y optimizar el uso, los fabricantes pueden reducir su huella de carbono, mitigar los impactos ecológicos de sus operaciones y avanzar hacia sus compromisos de carbono. Las innovaciones mencionadas en químicos más verdes, técnicas de procesamiento en seco y sistemas de reciclaje cerrado representan pasos críticos hacia un futuro más sostenible para la industria.

Aunque quedan desafíos, el creciente compromiso de los líderes de la industria y la creciente disponibilidad de nuevas tecnologías ofrecen esperanza para un proceso de fabricación de semiconductores más amigable con el planeta. A medida que las empresas continúan invirtiendo en soluciones sostenibles, la industria está preparada para lograr avances significativos en la reducción de su impacto ambiental, asegurando que los chips que alimentan nuestro mundo moderno se produzcan de una manera que esté más en armonía con el planeta.