I processi chimici potrebbero rendere la produzione di semiconduttori più sostenibile

Sebbene essenziale per la vita moderna, la produzione di semiconduttori richiede un elevato consumo di energia e risorse, richiedendo un maggiore consumo di elettricità, acqua, sostanze chimiche e gas di processo, tutti fattori che contribuiscono ad un maggiore uso di energia e impatto ambientale, una realtà sfortunata che viene ulteriormente aggravata dalla crescente complessità della produzione di chip avanzati e dall'aumento della domanda. 

"Se l'attuale percorso di crescita dovesse continuare senza controlli, le emissioni di carbonio dalla produzione di semiconduttori aumenterebbero di circa l'8% annuo nei prossimi anni e non raggiungerebbero il picco fino al circa 2045," afferma The Boston Consulting Group.

In risposta a queste sfide—e alla crescente pressione man mano che i governi di tutto il mondo iniziano ad implementare regolamentazioni ambientali più severe—l'industria dei semiconduttori ha indirizzato iniziative di innovazione e sforzi di ricerca e sviluppo verso processi più rispettosi dell'ambiente. Soluzioni alternative hanno iniziato a guadagnare terreno.

Qui, esploriamo le principali sfide che le aziende devono affrontare, come i processi chimici stanno evolvendo per rendere la produzione di semiconduttori più sostenibile e i leader del settore che stanno guidando la transizione.

Sfide Critiche nel Raggiungere la Sostenibilità

Uno degli ostacoli maggiori nel rendere la produzione di semiconduttori più sostenibile è il fatto che molti dei chimici utilizzati nella produzione sono sia essenziali per il processo sia pericolosi per l'ambiente. Anche se necessari, se non gestiti correttamente, queste sostanze sono spesso tossiche e rappresentano rischi per la salute umana e per l'ambiente. Anche i rifiuti generati da questi chimici possono essere difficili da smaltire, portando a ulteriori sfide ambientali. 

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L'industria dei semiconduttori ha affrontato critiche per il suo significativo impatto ambientale, principalmente a causa del rilascio di gas ad alto GWP e del suo sostanziale consumo di acqua ed energia. Sebbene questi chimici siano essenziali per la funzionalità e le prestazioni dei semiconduttori, basta guardare poco indietro nel tempo per apprezzare appieno le loro conseguenze ambientali.

Negli anni '70 fino agli anni '90, quando gli Stati Uniti erano una forza dominante nella produzione di semiconduttori, i pericoli ambientali associati agli impianti di fabbricazione non erano ampiamente riconosciuti. Durante questo periodo, la Silicon Valley, sede di numerosi impianti di fabbricazione (fabs), divenne il sito di diverse località Superfund—zone così contaminate da essere inserite nella National Priorities List per la bonifica federale. Ad esempio, in un sito Intel attivo tra il 1968 e il 1981, l'EPA ha identificato più di una dozzina di contaminanti nelle acque sotterranee, inclusi arsenico, cloroformio e piombo. 

Sebbene ora l'industria adotti un approccio aggressivo e proattivo sulla sostenibilità, questi eventi sottolineano l'importanza di bilanciare il progresso tecnologico con la tutela ambientale.

Il Ruolo delle Sostanze Chimiche nella Fabbricazione dei Semiconduttori

La fabbricazione di semiconduttori coinvolge vari processi chimici cruciali per l'incisione, la pulizia, il doping e la modellazione dei materiali. Sebbene necessarie per produrre chip ad alte prestazioni, queste sostanze chimiche spesso comportano significativi svantaggi ambientali, inclusi rifiuti pericolosi e emissioni di gas serra. Ad esempio:

Incisione: Rimozione di strati di materiale dalla superficie del wafer per creare i complessi modelli che definiscono la funzionalità di un chip. I perfluorocarburi (PFC) utilizzati nei processi di incisione sono quasi impossibili da sostituire a causa della loro efficacia nel creare le strutture dettagliate necessarie per i microchip avanzati. Sfortunatamente, questi gas hanno un GWP (Potenziale di Riscaldamento Globale) migliaia di volte superiore a quello dell'anidride carbonica, rendendo il loro impatto sul cambiamento climatico sproporzionatamente grande.

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Pulizia: I wafer devono essere puliti meticolosamente in varie fasi per rimuovere le impurità. L'uso di solventi, acidi e basi è fondamentale per raggiungere i livelli estremi di purezza richiesti per i dispositivi a semiconduttore. Sfortunatamente, queste sostanze chimiche sono spesso pericolose e creano un significativo flusso di rifiuti.

Drogaggio: Il processo di aggiunta di impurità al materiale semiconduttore per alterarne le proprietà elettriche. Sostanze chimiche come l'arsina e la fosfina, che sono altamente tossiche, sono comunemente utilizzate nel drogaggio.

Innovazioni nei Processi Chimici per la Sostenibilità

Riconoscendo l'impatto ambientale di questi processi chimici, l'industria dei semiconduttori sta esplorando sempre più alternative e innovazioni per rendere la produzione più sostenibile. Ecco alcuni degli sviluppi più promettenti:

1. Solventi e Agenti di Pulizia Più Ecologici

Uno dei principali ambiti di innovazione è stato lo sviluppo di solventi e agenti di pulizia più ecologici che hanno un impatto ambientale inferiore. Solventi tradizionali come l'alcol isopropilico, sebbene efficaci, possono essere pericolosi in grandi quantità. I produttori stanno ora ricercando solventi alternativi che siano biodegradabili e meno tossici, riducendo gli effetti dannosi dei processi di pulizia sull'ambiente.

Ad esempio, le aziende stanno esplorando l'uso di soluzioni di pulizia a base acquosa che utilizzano l'acqua come solvente principale. Queste soluzioni possono pulire efficacemente i wafer riducendo drasticamente la necessità di sostanze chimiche nocive. Inoltre, stanno venendo sviluppati nuovi agenti di pulizia che possono essere riciclati e riutilizzati, riducendo significativamente i rifiuti chimici​.

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Le sostanze chimiche di maggiore preoccupazione nella pulizia dei semiconduttori sono N-metil pirrolidone (NMP) e idrossido di tetrametilammonio (TMAH), così come il solvente comunemente utilizzato dimetilsolfossido (DMSO). Pertanto, aziende come Merck KGaA stanno riformulando e introducendo nuovi prodotti che utilizzano sostanze chimiche meno tossiche e più sicure senza l'uso di NMP, TMAH o DMSO.

2. Riduzione dei gas ad alto GWP

I ricercatori stanno lavorando allo sviluppo di gas alternativi con GWPs inferiori che possono comunque raggiungere la precisione richiesta nei processi di incisione. Ad esempio, il trifluoruro di azoto (NF3) è stato introdotto come sostituto in alcune applicazioni, poiché ha un GWP inferiore rispetto ai tradizionali PFC​.

Inoltre, i miglioramenti nelle apparecchiature di processo possono aiutare a ridurre la quantità di gas utilizzata durante l'incisione, riducendo così le emissioni. Vengono inoltre esplorate tecniche di incisione avanzate che utilizzano processi basati sul plasma. Questi metodi possono ridurre significativamente la quantità di sostanze chimiche nocive richieste, contribuendo a un processo di produzione più sostenibile.

Ulteriori informazioni sulla transizione dai PFC a NF dal The Semiconductor PFAS Consortium.

3. Sistemi di Riciclo Chimico a Ciclo Chiuso

Un'altra innovazione promettente è l'adozione di sistemi di riciclo chimico a ciclo chiuso, che permettono ai produttori di riutilizzare le sostanze chimiche anziché smaltirle dopo un singolo utilizzo. Questo è particolarmente importante per le sostanze chimiche utilizzate nei processi di pulizia e incisione, poiché rappresentano una grande parte dei rifiuti generati nella produzione di semiconduttori.

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Utilizzando tecnologie avanzate di filtrazione e purificazione, i produttori possono recuperare e riutilizzare le sostanze chimiche, riducendo sia i rifiuti che la necessità di materie prime. Questo non solo riduce l'impatto ambientale ma abbassa anche i costi operativi, creando uno scenario vantaggioso per i produttori​.

Per far fronte alla crescente domanda di materie prime man mano che i processi di produzione avanzano, TSMC ha collaborato con i fornitori per avviare il "Progetto di Riciclo di Chimici di Grado Elettronico". Questa iniziativa si concentra sullo sviluppo di tecnologie per riciclare i materiali di scarto del processo, convertendoli in prodotti di grado elettronico per il riutilizzo presso TSMC, migliorando così il valore del modello di riciclo a circuito chiuso di TSMC. Nel 2023, il rifiuto di ciclo-pentanone è stato raffinato con successo in ciclo-pentanone di grado elettronico che ha soddisfatto i rigorosi standard di qualità di TSMC. Questo prodotto chimico rielaborato è stato ufficialmente introdotto a novembre nell'impianto avanzato di confezionamento e test AP3 di TSMC ed è previsto che riduca l'acquisto annuale di liquidi di 750 tonnellate e tagli le emissioni di carbonio di 380 tonnellate, esemplificando la produzione verde e avanzando la sostenibilità ambientale.

4. Tecniche di Lavorazione a Secco

Le tecniche di lavorazione a secco sono state sviluppate per ridurre l'uso dell'acqua e la generazione di rifiuti. Queste tecniche, come l'incisione a secco, eliminano la necessità di utilizzare sostanze chimiche liquide utilizzando invece gas o plasmi.

L'incisione a secco, in particolare, ha giocato un ruolo significativo nella transizione verso opzioni più sostenibili, eliminando la necessità di sostanze chimiche tossiche e riducendo il consumo di acqua. I metodi di pulizia basati su plasma stanno anche guadagnando terreno, offrendo benefici simili utilizzando meno acqua ed energia rispetto ai metodi convenzionali di pulizia umida​.

Sforzi dell'Industria e Impatto Globale

In risposta alle crescenti preoccupazioni ambientali, le aziende del settore dei semiconduttori stanno investendo sempre di più in strategie per ridurre l'impatto ambientale delle loro operazioni di produzione. Secondo Deloitte, queste aziende si stanno concentrando sull'adozione di processi produttivi che utilizzano materiali con un minore GWP (Potenziale di Riscaldamento Globale). Ciò include la ristrutturazione degli impianti esistenti e la costruzione di nuove strutture per incorporare processi che si affidano a sostanze chimiche e gas con emissioni più basse.

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La produzione tradizionale di semiconduttori utilizza intensivamente gas con un alto GWP, come i PFC (perfluorocarburi), gli idrofluorocarburi, il trifluoruro di azoto (NF3) e l'esasolfuro di zolfo. Purtroppo, fino all'80% di questi gas fluorurati viene spesso rilasciato nell'atmosfera dopo l'elaborazione. I PFC sono difficili da sostituire, ma si stanno facendo progressi. Ad esempio, Samsung Semiconductor sta sviluppando gas di processo con un GWP più basso per sostituire i PFC in passaggi chiave della produzione come l'incisione e la deposizione chimica da vapore, avendo già implementato questi in diversi prodotti dal 2018. Allo stesso modo, Tokyo Electron Limited (TEL) ha introdotto un processo di incisione ad alto rapporto d'aspetto che opera a temperature criogeniche, utilizza sostanze chimiche alternative e riduce significativamente sia il consumo di energia che le emissioni di gas serra.

Sebbene questi sforzi siano promettenti, Deloitte osserva che la transizione a gas alternativi è un processo lento che spesso porta a miglioramenti incrementali.

La strada da seguire

Passando a alternative più ecologiche dove possibile e ottimizzando l'uso, i produttori possono ridurre la loro impronta di carbonio, mitigare gli impatti ecologici delle loro operazioni e fare progressi verso i loro impegni sul carbonio. Le innovazioni sopra menzionate in chimici più ecologici, tecniche di lavorazione a secco e sistemi di riciclo a circuito chiuso rappresentano passi critici verso un futuro più sostenibile per l'industria.

Sebbene rimangano delle sfide, l'impegno crescente dei leader del settore e la crescente disponibilità di nuove tecnologie offrono speranza per un processo di produzione dei semiconduttori più rispettoso della Terra. Man mano che le aziende continuano a investire in soluzioni sostenibili, l'industria è pronta a compiere passi significativi nella riduzione del suo impatto ambientale, assicurando che i chip che alimentano il nostro mondo moderno siano prodotti in modo più armonioso con il pianeta.