半導体製造をより持続可能にするための化学プロセス

現代生活に不可欠である半導体製造は、エネルギーと資源を大量に消費する産業であり、電気、水、化学薬品、プロセスガスの消費が増えることで、エネルギー使用量と環境への影響が大きくなるという不幸な現実があります。これは、高度なチップ製造の複雑さが増すことと需要が増加することでさらに悪化しています。

「現在の成長パスがそのまま続けば、今後数年間で半導体生産による炭素排出量は年約8%増加し2045年ごろにピークに達するだろう」とボストン・コンサルティング・グループは述べています。

これらの課題に対応し、世界中の政府がより厳しい環境規制を実施し始める中での圧力が増す中、半導体産業は、より環境に優しいプロセスに向けたイノベーションイニシアチブと研究開発努力を目指しています。代替ソリューションが注目を集め始めています。

ここでは、企業が直面する主要な課題と、半導体生産をより持続可能なものにするために化学プロセスがどのように進化しているか、そしてその移行を先導している業界リーダーについて詳しく掘り下げます。

持続可能性を達成するための重要な課題

半導体製造をより持続可能なものにする最大の障害の一つは、製造に使用される多くの化学物質が、プロセスに不可欠でありながら環境に有害であるという事実です。必要であるとしても、適切に管理されない場合、これらの物質はしばしば有毒であり、人の健康と環境にリスクをもたらします。これらの化学物質から生じる廃棄物も処分が困難であり、さらなる環境問題を引き起こすことがあります。 

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半導体産業は、高いGWPガスの放出や膨大な水とエネルギーの消費により、その顕著な環境への影響で批判を受けています。これらの化学物質は半導体の機能性と性能には不可欠ですが、その環境への影響を完全に理解するには、少し遡って考えるだけで十分です。

1970年代から1990年代にかけて、アメリカ合衆国が半導体生産の主要勢力であった時期には、製造工場に関連する環境ハザードが広く認識されていませんでした。この期間中、多数のファブ（半導体工場）が存在するシリコンバレーは、連邦政府の清掃対象リストである国家優先事項リストに掲載されるほど汚染されたスーパーファンド（環境浄化対象地域）の場所となりました。例えば、1968年から1981年にかけて稼働していたIntelのサイトでは、EPA（環境保護庁）が地下水中にヒ素、クロロホルム、鉛を含む十数種の汚染物質を特定しました。

現在、業界は持続可能性に対して積極的かつ先見的な姿勢を取っていますが、これらの出来事は技術進歩と環境保全のバランスの重要性を強調しています。

半導体製造における化学物質の役割

半導体製造は、エッチング、クリーニング、ドーピング、材料のパターニングに不可欠な様々な化学プロセスを含みます。これらの化学物質は高性能チップの生産に必要ですが、しばしば危険な廃棄物や温室効果ガスの排出といった重大な環境上のデメリットを伴います。例えば：

エッチング：ウェハー表面から材料の層を取り除き、チップの機能を定義する複雑なパターンを作成します。エッチングプロセスに使用されるパーフルオロカーボン（PFC）は、高度なマイクロチップに必要な詳細な構造を作成する効果があるため、ほぼ置き換えが不可能です。残念ながら、これらのガスは二酸化炭素よりも何千倍も高いGWP（地球温暖化ポテンシャル）を持っており、気候変動への影響が不釣り合いに大きいです。

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クリーニング：ウェハーは、不純物を取り除くために、さまざまな段階で入念にクリーニングする必要があります。溶剤、酸、および塩基の使用は、半導体デバイスに必要な極端な純度レベルを達成するために不可欠です。残念ながら、これらの化学物質はしばしば有害であり、大量の廃棄物を生じさせます。

ドーピング：半導体材料に不純物を添加してその電気的特性を変更するプロセスです。アルシンやフォスフィンのような非常に有毒な化学物質がドーピングに一般的に使用されます。

持続可能性のための化学プロセスの革新

これらの化学プロセスの環境への影響を認識し、半導体産業は生産をより持続可能にするための代替手段や革新を積極的に探求しています。ここでは、最も有望な開発のいくつかを紹介します：

1. より環境に優しい溶剤と洗浄剤

イノベーションの重要な分野の一つが、環境への影響が少ないより環境に優しい溶剤と洗浄剤の開発です。イソプロピルアルコールのような従来の溶剤は効果的ですが、大量に使用すると危険です。製造業者は、生分解性があり、毒性が低い代替溶剤を研究しており、環境への洗浄プロセスの有害な影響を減らしています。

例えば、企業は水性洗浄液の使用を探求しています。これは水を主要な溶剤として使用し、有害な化学物質の必要性を大幅に減らしながらウェハーを効果的に洗浄できます。さらに、リサイクルして再利用できる新しい洗浄剤が開発されており、化学廃棄物を大幅に削減しています。

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半導体洗浄における高懸念化学物質には、N-メチルピロリドン（NMP）とテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（TMAH）、および一般的に使用される溶剤のジメチルスルホキシド（DMSO）があります。したがって、Merck KGaAのような企業は、NMP、TMAH、DMSOを使用せず、より少ない毒性で安全な化学物質を使用する新製品を再構成し、導入しています。

2. 高GWPガスの削減

研究者たちは、エッチングプロセスで必要とされる精度を達成しつつ、GWP（地球温暖化係数）が低い代替ガスの開発に取り組んでいます。例えば、窒素トリフルオライド（NF3）は、従来のPFCよりもGWPが低いため、一部のアプリケーションで代替品として導入されています。

さらに、プロセス装置の改善により、エッチング中に使用されるガスの量を減らし、排出量を低減することができます。プラズマベースのプロセスを使用する先進的なエッチング技術も探求されています。これらの方法は、必要な有害化学物質の量を大幅に削減でき、より持続可能な生産プロセスに貢献します。

PFCからNFへの移行についての詳細は、半導体PFASコンソーシアムから。

3. 閉ループ化学リサイクルシステム

もう一つの有望な革新は、閉ループ化学リサイクルシステムの採用です。これにより、メーカーは化学薬品を一度使用した後に廃棄するのではなく、再利用することができます。これは、クリーニングやエッチングプロセスで使用される化学薬品が、半導体製造で生成される廃棄物の大部分を占めるため、特に重要です。

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先進のろ過および精製技術を使用することで、メーカーは化学薬品を回収し再利用でき、廃棄物の削減と原材料の必要性の低減の両方を実現します。これは環境への影響を減らすだけでなく、運用コストも下げるため、メーカーにとって双方にとって有利なシナリオを作り出します。

製造プロセスが進化するにつれて原材料の需要が高まる中、TSMCはサプライヤーと協力して「電子グレード化学薬品リサイクルプロジェクト」を開始しました。この取り組みは、プロセス廃棄物をリサイクルして電子グレードの製品に変換し、TSMCで再利用する技術を開発することに焦点を当てています。これにより、TSMCのクローズドループリサイクルモデルの価値が向上します。2023年には、シクロペンタノン廃棄物がTSMCの厳しい品質基準を満たす電子グレードのシクロペンタノンに成功裏に精製されました。この再処理化学物質は11月にTSMCのAP3先進パッケージングおよびテスト施設で正式に導入され、年間の液体調達を750トン削減し、炭素排出量を380トン削減することが期待されており、グリーン製造を体現し、環境持続可能性を前進させています。

4. ドライプロセス技術

ドライプロセス技術は、水の使用と廃棄物の生成を減らすために開発されました。これらの技術、特にドライエッチングは、液体化学薬品を必要とせず、代わりにガスやプラズマを使用することで、より持続可能なオプションへの移行において重要な役割を果たしています。

ドライエッチングは特に、有毒化学薬品の必要性を排除し、水の消費を減らすことで、より持続可能なオプションへの移行において重要な役割を果たしています。プラズマベースのクリーニング方法も注目を集めており、従来のウェットクリーニング方法と比較して、水とエネルギーの使用を減らすことで同様の利点を提供しています。

業界の取り組みとグローバルな影響

環境への懸念が高まる中、半導体企業は製造業務の環境への影響を減らす戦略への投資を増やしています。デロイトによると、これらの企業は、地球温暖化係数（GWP）が低い材料を使用する製造プロセスの採用に焦点を当てています。これには、既存の工場を改装し、化学物質やガスの排出量が少ないプロセスに依存する新しい施設を建設することが含まれます。

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従来の半導体製造では、PFC（フッ素化合物）、ハイドロフルオロカーボン、三フッ化窒素（NF3）、六フッ化硫黄など、GWPが高いガスを大量に使用しています。残念ながら、これらのフッ素化ガスの最大80%が処理後に大気中に放出されることが多いです。PFCを置き換えることは困難ですが、進展があります。例えば、Samsung Semiconductorは、エッチングや化学蒸着のような主要な製造工程でPFCを置き換えるために、GWPが低いプロセスガスの開発を進めており、2018年以降、すでにいくつかの製品でこれらを実装しています。同様に、東京エレクトロン株式会社（TEL）は、代替化学物質を使用し、エネルギー消費と温室効果ガスの排出を大幅に削減する、低温で動作する高アスペクト比エッチングプロセスを導入しました。

これらの努力は有望ですが、デロイトは、代替ガスへの移行は徐々に改善をもたらす遅いプロセスであると指摘しています。

今後の道のり

可能な限りグリーンな代替品への移行と使用の最適化により、製造業者は自社の炭素足跡を削減し、運営の生態系への影響を軽減し、炭素に関するコミットメントに向けた進歩を遂げることができます。前述のグリーンな化学物質、ドライプロセス技術、クローズドループリサイクルシステムにおける革新は、業界のより持続可能な未来に向けた重要な一歩を表しています。

課題は残るものの、業界リーダーからのコミットメントの増加と新技術の利用可能性の向上により、より地球に優しい半導体製造プロセスへの希望が持たれています。企業が持続可能な解決策への投資を続けるにつれて、業界は環境への影響を大幅に削減するための重要な進歩を遂げることができ、現代の世界を動かすチップが、地球とより調和した方法で生産されることを保証します。