Les procédés chimiques pourraient rendre la fabrication de semi-conducteurs plus durable
Bien qu'essentielle à la vie moderne, la fabrication de semi-conducteurs est énergivore et consommatrice de ressources, nécessitant une consommation plus élevée d'électricité, d'eau, de produits chimiques et de gaz de processus, contribuant tous à une utilisation accrue de l'énergie et à un impact environnemental plus important - une réalité malheureuse qui est encore aggravée par la complexité croissante de la fabrication de puces avancées et par la demande croissante.
"Si la trajectoire de croissance actuelle devait se poursuivre sans contrôle, les émissions de carbone provenant de la production de semi-conducteurs augmenteraient d'environ 8 % annuellement dans les années à venir et n'atteindraient pas leur pic avant environ 2045," déclare The Boston Consulting Group.
En réponse à ces défis - et à la pression accrue alors que les gouvernements du monde entier commencent à mettre en œuvre des réglementations environnementales plus strictes - l'industrie des semi-conducteurs a ciblé des initiatives d'innovation et des efforts de recherche et développement vers des processus plus respectueux de l'environnement. Des solutions alternatives ont commencé à gagner du terrain.
Ici, nous examinons les principaux défis auxquels les entreprises sont confrontées, comment les processus chimiques évoluent pour rendre la production de semi-conducteurs plus durable, et les leaders de l'industrie qui sont à l'avant-garde de cette transition.
Défis critiques pour atteindre la durabilité
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Potentiel de réchauffement global (PRG) : mesure de la quantité de chaleur qu'un gaz à effet de serre emprisonne dans l'atmosphère sur une période spécifique (typiquement 100 ans) par rapport au dioxyde de carbone (CO₂). Les gaz ayant un PRG élevé contribuent davantage au réchauffement climatique. |
L'un des plus grands obstacles à rendre la fabrication des semi-conducteurs plus durable est le fait que de nombreux produits chimiques utilisés dans la production sont à la fois essentiels au processus et dangereux pour l'environnement. Bien que nécessaires, si elles ne sont pas correctement gérées, ces substances sont souvent toxiques et présentent des risques pour la santé humaine et l'environnement. Les déchets générés par ces produits chimiques peuvent également être difficiles à éliminer, entraînant d'autres défis environnementaux.
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L'industrie des semi-conducteurs a été critiquée pour son impact environnemental significatif, principalement en raison de l'émission de gaz à PRG élevé et de sa consommation substantielle d'eau et d'énergie. Bien que ces produits chimiques soient essentiels pour la fonctionnalité et la performance des semi-conducteurs, il suffit de regarder un peu en arrière pour apprécier pleinement leurs conséquences environnementales.
Dans les années 1970 à 1990, lorsque les États-Unis étaient une force dominante dans la production de semi-conducteurs, les dangers environnementaux associés aux usines de fabrication n'étaient pas largement reconnus. Durant cette période, la Silicon Valley, abritant de nombreuses fabs, est devenue le site de plusieurs emplacements Superfund—des zones tellement contaminées qu'elles ont été placées sur la Liste des Priorités Nationales pour le nettoyage fédéral. Par exemple, sur un site d'Intel actif entre 1968 et 1981, l'EPA a identifié plus d'une douzaine de contaminants dans l'eau souterraine, y compris de l'arsenic, du chloroforme et du plomb.
Bien que l'industrie adopte maintenant une position proactive et agressive en matière de durabilité, ces événements soulignent l'importance de trouver un équilibre entre le progrès technologique et la gestion environnementale.
Le Rôle des Produits Chimiques dans la Fabrication de Semi-conducteurs
La fabrication de semi-conducteurs implique divers processus chimiques cruciaux pour la gravure, le nettoyage, le dopage et le motif des matériaux. Bien que nécessaires pour produire des puces de haute performance, ces produits chimiques sont souvent associés à des inconvénients environnementaux significatifs, incluant les déchets dangereux et les émissions de gaz à effet de serre. Par exemple :
Gravure : Élimination de couches de matériau de la surface du wafer pour créer les motifs complexes qui définissent la fonctionnalité d'une puce. Les perfluorocarbures (PFC) utilisés dans les procédés de gravure sont presque impossibles à remplacer en raison de leur efficacité à créer les structures détaillées nécessaires pour les microprocesseurs avancés. Malheureusement, ces gaz ont un potentiel de réchauffement global (GWP) des milliers de fois supérieur à celui du dioxyde de carbone, rendant leur impact sur le changement climatique disproportionnellement grand.
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Nettoyage : Les wafers doivent être méticuleusement nettoyés à divers stades pour éliminer les impuretés. L'utilisation de solvants, d'acides et de bases est essentielle pour atteindre les niveaux extrêmes de pureté requis pour les dispositifs à semi-conducteurs. Malheureusement, ces produits chimiques sont souvent dangereux et génèrent un flux de déchets significatif.
Dopage : Le processus d'ajout d'impuretés au matériel semi-conducteur pour en modifier les propriétés électriques. Des produits chimiques comme l'arsine et le phosphine, qui sont hautement toxiques, sont couramment utilisés dans le dopage.
Innovations dans les procédés chimiques pour la durabilité
Reconnaissant l'impact environnemental de ces procédés chimiques, l'industrie des semi-conducteurs explore de plus en plus des alternatives et des innovations pour rendre la production plus durable. Voici quelques-uns des développements les plus prometteurs :
- Solvants et agents de nettoyage plus écologiques
L'un des domaines clés de l'innovation a été le développement de solvants et d'agents de nettoyage plus écologiques ayant un impact environnemental moindre. Les solvants traditionnels comme l'alcool isopropylique, bien qu'efficaces, peuvent être dangereux en grandes quantités. Les fabricants recherchent désormais des solvants alternatifs qui sont biodégradables et moins toxiques, réduisant ainsi les effets nocifs des processus de nettoyage sur l'environnement.
Par exemple, les entreprises explorent l'utilisation de solutions de nettoyage à base aqueuse qui utilisent l'eau comme solvant principal. Ces solutions peuvent nettoyer efficacement les galettes tout en réduisant considérablement le besoin de produits chimiques nocifs. De plus, de nouveaux agents de nettoyage sont développés pouvant être recyclés et réutilisés, réduisant ainsi significativement les déchets chimiques.
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Explore datasheets, pricing & availability, specs, alternatives and moreLes produits chimiques préoccupants dans le nettoyage des semi-conducteurs incluent le N-méthylpyrrolidone (NMP) et l'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH), ainsi que le solvant couramment utilisé, le diméthylsulfoxyde (DMSO). Par conséquent, des entreprises comme Merck KGaA reformulent et introduisent de nouveaux produits utilisant des produits chimiques moins toxiques et plus sûrs, sans recourir au NMP, au TMAH ou au DMSO.
- Réduction des gaz à GWP élevé
Des chercheurs travaillent au développement de gaz alternatifs présentant des GWPs plus faibles, capables néanmoins d'atteindre la précision requise dans les processus de gravure. Par exemple, le trifluorure d'azote (NF3) a été introduit comme substitut dans certaines applications, car il possède un GWP inférieur à celui des PFCs traditionnels.
De plus, des améliorations dans l'équipement de processus peuvent aider à réduire la quantité de gaz utilisée pendant la gravure, diminuant ainsi les émissions. Des techniques de gravure avancées utilisant des processus à base de plasma sont également explorées. Ces méthodes peuvent réduire considérablement la quantité de produits chimiques nocifs nécessaires, contribuant à un processus de production plus durable.
- Systèmes de recyclage chimique en circuit fermé
Une autre innovation prometteuse est l'adoption de systèmes de recyclage chimique en circuit fermé, qui permettent aux fabricants de réutiliser les produits chimiques au lieu de les éliminer après une seule utilisation. Cela est particulièrement important pour les produits chimiques utilisés dans les processus de nettoyage et de gravure, car ils représentent une grande partie des déchets générés dans la fabrication de semi-conducteurs.
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En utilisant des technologies avancées de filtration et de purification, les fabricants peuvent récupérer et réutiliser les produits chimiques, réduisant à la fois les déchets et le besoin de matières premières. Cela réduit non seulement l'impact environnemental mais diminue également les coûts opérationnels, créant un scénario gagnant-gagnant pour les fabricants.
Pour répondre à la demande croissante de matières premières à mesure que les processus de fabrication avancent, TSMC a collaboré avec des fournisseurs pour lancer le "Projet de Recyclage des Produits Chimiques de Grade Électronique". Cette initiative se concentre sur le développement de technologies pour recycler les déchets de processus, les convertissant en produits de grade électronique pour réutilisation chez TSMC, améliorant ainsi la valeur du modèle de recyclage en boucle fermée de TSMC. En 2023, les déchets de cyclopentanone ont été raffinés avec succès en cyclopentanone de grade électronique qui a rencontré les normes de qualité strictes de TSMC. Ce produit chimique retraité a été officiellement introduit en novembre dans l'installation avancée d'emballage et de test AP3 de TSMC et devrait réduire l'achat annuel de liquides de 750 tonnes et réduire les émissions de carbone de 380 tonnes, illustrant la fabrication verte et avançant la durabilité environnementale.
- Techniques de Traitement à Sec
Des techniques de traitement à sec ont été développées pour réduire l'utilisation d'eau et la génération de déchets. Ces techniques, telles que la gravure à sec, éliminent le besoin de produits chimiques liquides en utilisant des gaz ou des plasmas à la place.
La gravure à sec, en particulier, a joué un rôle significatif dans la transition vers des options plus durables, éliminant le besoin de produits chimiques toxiques et réduisant la consommation d'eau. Les méthodes de nettoyage basées sur le plasma gagnent également en popularité, offrant des avantages similaires en utilisant moins d'eau et d'énergie par rapport aux méthodes de nettoyage humide conventionnelles.
Efforts de l'Industrie et Impact Global
En réponse aux préoccupations environnementales croissantes, les entreprises de semi-conducteurs investissent de plus en plus dans des stratégies visant à réduire l'impact environnemental de leurs opérations de fabrication. Selon Deloitte, ces entreprises se concentrent sur l'adoption de processus de fabrication utilisant des matériaux ayant un potentiel de réchauffement global (GWP) plus faible. Cela inclut la modernisation des installations existantes et la construction de nouvelles installations pour intégrer des processus qui dépendent de produits chimiques et de gaz émettant moins de gaz à effet de serre.
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La fabrication traditionnelle de semi-conducteurs utilise massivement des gaz à fort GWP, tels que les PFC, les hydrofluorocarbures, le trifluorure d'azote (NF3) et l'hexafluorure de soufre. Malheureusement, jusqu'à 80 % de ces gaz fluorés sont souvent relâchés dans l'atmosphère après traitement. Les PFC sont difficiles à remplacer, mais des progrès sont réalisés. Par exemple, Samsung Semiconductor développe des gaz de processus à faible GWP pour remplacer les PFC dans des étapes de fabrication clés comme la gravure et le dépôt chimique en phase vapeur, ayant déjà mis en œuvre ces derniers dans plusieurs produits depuis 2018. De même, Tokyo Electron Limited (TEL) a introduit un processus de gravure à haut rapport d'aspect qui fonctionne à des températures cryogéniques, utilise des produits chimiques alternatifs et réduit considérablement à la fois la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre.
Bien que ces efforts soient prometteurs, Deloitte note que la transition vers des gaz alternatifs est un processus lent qui entraîne souvent des améliorations incrémentielles.
La Voie à Suivre
En optant pour des alternatives plus écologiques partout où cela est possible et en optimisant l'utilisation, les fabricants peuvent réduire leur empreinte carbone, atténuer les impacts écologiques de leurs opérations et progresser vers leurs engagements en matière de carbone. Les innovations mentionnées dans les produits chimiques plus verts, les techniques de traitement à sec et les systèmes de recyclage en boucle fermée représentent des étapes cruciales vers un avenir plus durable pour l'industrie.
Tout en reconnaissant que des défis demeurent, l'engagement croissant des leaders de l'industrie et la disponibilité croissante de nouvelles technologies donnent espoir pour un processus de fabrication de semi-conducteurs plus respectueux de la Terre. À mesure que les entreprises continuent d'investir dans des solutions durables, l'industrie est en bonne voie pour réaliser des progrès significatifs dans la réduction de son impact environnemental, assurant que les puces qui alimentent notre monde moderne sont produites d'une manière qui est plus en harmonie avec la planète.
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