Procesy chemiczne mogą uczynić produkcję półprzewodników bardziej zrównoważoną

Mimo że produkcja półprzewodników jest niezbędna dla współczesnego życia, jest ona energochłonna i wymaga dużej ilości zasobów, co prowadzi do wyższego zużycia elektryczności, wody, chemikaliów i gazów procesowych, co wszystko przyczynia się do większego zużycia energii i wpływu na środowisko – niestety rzeczywistość, która jest jeszcze bardziej złożona przez wzrost złożoności zaawansowanej produkcji chipów i zwiększone zapotrzebowanie. 

"Jeśli obecna ścieżka wzrostu miałaby trwać niezakłócona, emisja dwutlenku węgla z produkcji półprzewodników wzrosłaby o około 8% rocznie w nadchodzących latach i nie osiągnęłaby szczytu aż do około 2045 roku," mówi The Boston Consulting Group.

W odpowiedzi na te wyzwania—i zwiększoną presję, jaką wywierają rządy na całym świecie, zaczynając wprowadzać surowsze przepisy środowiskowe—przemysł półprzewodników skupia inicjatywy innowacyjne oraz wysiłki badawczo-rozwojowe na bardziej przyjaznych dla środowiska procesach. Alternatywne rozwiązania zaczęły zyskiwać na popularności.

Tutaj zagłębiamy się w kluczowe wyzwania, z którymi mierzą się firmy, jak ewoluują procesy chemiczne, aby produkcja półprzewodników była bardziej zrównoważona, oraz liderzy branży, którzy są na czele tej transformacji.

Krytyczne wyzwania w osiąganiu zrównoważoności

Jedną z największych przeszkód w uczynieniu produkcji półprzewodników bardziej zrównoważoną jest fakt, że wiele chemikaliów używanych w produkcji jest zarówno niezbędnych w procesie, jak i szkodliwych dla środowiska. Chociaż są niezbędne, jeśli nie są odpowiednio zarządzane, te substancje często są toksyczne i stanowią zagrożenie dla zdrowia ludzi oraz środowiska. Odpady generowane z tych chemikaliów mogą być również trudne do usunięcia, co prowadzi do dalszych wyzwań środowiskowych. 

Manufacturing Made Easy

Send your product to manufacturing in a click without any email threads or confusion.

Learn More

Przemysł półprzewodnikowy spotkał się z krytyką za znaczący wpływ na środowisko, głównie z powodu emisji gazów o wysokim GWP oraz znacznego zużycia wody i energii. Chociaż te chemikalia są niezbędne dla funkcjonalności i wydajności półprzewodników, wystarczy tylko krótkie spojrzenie wstecz, aby w pełni docenić ich konsekwencje środowiskowe.

W latach 70. do 90., kiedy Stany Zjednoczone były dominującą siłą w produkcji półprzewodników, zagrożenia środowiskowe związane z zakładami produkcyjnymi nie były powszechnie rozpoznawane. W tym okresie Dolina Krzemowa, dom dla licznych fabryk, stała się miejscem kilku lokalizacji Superfund – obszarów tak zanieczyszczonych, że zostały umieszczone na Narodowej Liście Priorytetów do federalnego czyszczenia. Na przykład, na aktywnym w latach 1968 do 1981 miejscu firmy Intel, EPA zidentyfikowała ponad tuzin zanieczyszczeń w wodach gruntowych, w tym arsen, chloroform i ołów. 

Chociaż obecnie branża przyjmuje agresywną, proaktywną postawę w kwestii zrównoważonego rozwoju, te wydarzenia podkreślają konieczność równoważenia postępu technologicznego z troską o środowisko.

Rola chemikaliów w produkcji półprzewodników

Produkcja półprzewodników obejmuje różne procesy chemiczne, kluczowe dla trawienia, czyszczenia, domieszkowania i wzorcowania materiałów. Chociaż są one niezbędne do produkcji wysokowydajnych chipów, chemikalia te często wiążą się z istotnymi wadami środowiskowymi, w tym odpadami niebezpiecznymi i emisjami gazów cieplarnianych. Na przykład:

Trawienie: Usuwanie warstw materiału z powierzchni krzemienia w celu stworzenia skomplikowanych wzorów, które definiują funkcjonalność układu scalonego. Perfluorowęglowodory (PFC) używane w procesach trawienia są niemal niemożliwe do zastąpienia ze względu na ich skuteczność w tworzeniu szczegółowych struktur potrzebnych dla zaawansowanych mikrochipów. Niestety, te gazy mają potencjał globalnego ocieplenia (GWP) tysiące razy większy niż dwutlenek węgla, co sprawia, że ich wpływ na zmianę klimatu jest nieproporcjonalnie duży.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

Learn More

Czyszczenie: Krzemienie muszą być starannie czyszczone na różnych etapach, aby usunąć zanieczyszczenia. Użycie rozpuszczalników, kwasów i zasad jest niezbędne do osiągnięcia ekstremalnych poziomów czystości wymaganych dla urządzeń półprzewodnikowych. Niestety, te chemikalia są często niebezpieczne i tworzą znaczący strumień odpadów.

Domieszkowanie: Proces dodawania zanieczyszczeń do materiału półprzewodnikowego w celu zmiany jego właściwości elektrycznych. Chemikalia takie jak arsyn i fosfin, które są wysoce toksyczne, są powszechnie używane w domieszkowaniu.

Innowacje w procesach chemicznych dla zrównoważonego rozwoju

Uznając wpływ tych procesów chemicznych na środowisko, przemysł półprzewodnikowy coraz częściej bada alternatywy i innowacje, aby produkcja była bardziej zrównoważona. Oto niektóre z najbardziej obiecujących rozwojów:

1. Bardziej ekologiczne rozpuszczalniki i środki czyszczące

Jednym z kluczowych obszarów innowacji jest rozwój bardziej ekologicznych rozpuszczalników i środków czyszczących, które mają mniejszy wpływ na środowisko. Tradycyjne rozpuszczalniki, takie jak alkohol izopropylowy, choć skuteczne, mogą być niebezpieczne w dużych ilościach. Producenci obecnie badają alternatywne rozpuszczalniki, które są biodegradowalne i mniej toksyczne, zmniejszając szkodliwe efekty procesów czyszczenia na środowisko.

Na przykład, firmy badają zastosowanie roztworów czyszczących na bazie wodnej, które używają wody jako głównego rozpuszczalnika. Te roztwory mogą skutecznie czyścić krzemienie, drastycznie zmniejszając potrzebę stosowania szkodliwych chemikaliów. Dodatkowo, opracowywane są nowe środki czyszczące, które mogą być recyklingowane i ponownie używane, znacząco redukując odpady chemiczne​.

Discrete Semiconductors

Explore datasheets, pricing & availability, specs, alternatives and more

View on Octopart

Chemikalia budzące największe obawy w czyszczeniu półprzewodników to N-metylopirolidon (NMP) i tetrametyloamoniowy wodorotlenek (TMAH), jak również powszechnie używany rozpuszczalnik dimetylosulfotlenek (DMSO). Dlatego firmy takie jak Merck KGaA reformułują i wprowadzają nowe produkty, które używają mniej toksycznych, bezpieczniejszych chemikaliów, nie stosując NMP, TMAH ani DMSO.

2. Redukcja gazów o wysokim GWP

Naukowcy pracują nad opracowaniem alternatywnych gazów o niższym GWP, które nadal mogą osiągać wymaganą precyzję w procesach trawienia. Na przykład, trifluorek azotu (NF3) został wprowadzony jako substytut w niektórych zastosowaniach, ponieważ ma niższy GWP niż tradycyjne PFC​.

Ponadto, ulepszenia w sprzęcie procesowym mogą pomóc zmniejszyć ilość używanego gazu podczas trawienia, tym samym obniżając emisje. Badane są również zaawansowane techniki trawienia, które wykorzystują procesy oparte na plazmie. Te metody mogą znacząco zmniejszyć ilość wymaganych szkodliwych chemikaliów, przyczyniając się do bardziej zrównoważonego procesu produkcji.

Więcej na temat przejścia z PFC na NF od Konsorcjum Półprzewodników PFAS.

3. Systemy zamkniętego obiegu recyklingu chemikaliów

Inną obiecującą innowacją jest przyjęcie systemów zamkniętego obiegu recyklingu chemikaliów, które pozwalają producentom na ponowne wykorzystanie chemikaliów zamiast ich utylizacji po jednorazowym użyciu. Jest to szczególnie ważne dla chemikaliów używanych w procesach czyszczenia i trawienia, ponieważ stanowią one dużą część odpadów generowanych w produkcji półprzewodników.

Requirements Management Made Easy

Connect design data and requirements for faster design with fewer errors

Find Out More

Dzięki wykorzystaniu zaawansowanych technologii filtracji i oczyszczania, producenci mogą odzyskiwać i ponownie wykorzystywać chemikalia, redukując zarówno odpady, jak i potrzebę na surowce. Nie tylko zmniejsza to wpływ na środowisko, ale także obniża koszty operacyjne, tworząc sytuację korzystną dla producentów​.

Aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na surowce w miarę postępu procesów produkcyjnych, TSMC we współpracy z dostawcami zainicjowało projekt "Recyklingu Chemikaliów Elektronicznej Jakości". Inicjatywa ta skupia się na opracowywaniu technologii umożliwiającej recykling odpadów procesowych i przekształcaniu ich w produkty elektronicznej jakości, które mogą być ponownie wykorzystane w TSMC, zwiększając tym samym wartość zamkniętego modelu recyklingu TSMC. W 2023 roku odpady cyklopentanonu zostały z powodzeniem przetworzone na cyklopentanon elektronicznej jakości, który spełnił rygorystyczne standardy jakości TSMC. Ten przetworzony chemikat został oficjalnie wprowadzony w listopadzie w zaawansowanym zakładzie pakowania i testowania TSMC AP3 i ma na celu redukcję rocznego zakupu cieczy o 750 ton oraz obniżenie emisji dwutlenku węgla o 380 ton, co jest przykładem zielonej produkcji i promowania zrównoważonego rozwoju środowiskowego.

4. Techniki Przetwarzania na Sucho

Techniki przetwarzania na sucho zostały opracowane w celu zmniejszenia zużycia wody i generowania odpadów. Techniki te, takie jak trawienie na sucho, eliminują potrzebę stosowania chemikaliów w stanie ciekłym, zastępując je gazami lub plazmą.

Trawienie na sucho, w szczególności, odegrało znaczącą rolę w przejściu na bardziej zrównoważone opcje, eliminując potrzebę stosowania toksycznych chemikaliów i zmniejszając zużycie wody. Metody czyszczenia oparte na plazmie również zyskują na popularności, oferując podobne korzyści poprzez mniejsze zużycie wody i energii w porównaniu do konwencjonalnych metod czyszczenia na mokro​.

Wysiłki branży i globalny wpływ

W odpowiedzi na rosnące obawy dotyczące środowiska, firmy półprzewodnikowe coraz częściej inwestują w strategie mające na celu zmniejszenie wpływu ich operacji produkcyjnych na środowisko. Według Deloitte, te firmy skupiają się na przyjmowaniu procesów produkcyjnych, które wykorzystują materiały o niższym potencjale tworzenia globalnego ocieplenia (GWP). Obejmuje to modernizację istniejących zakładów i budowę nowych obiektów w celu włączenia procesów, które polegają na chemikaliach i gazach o niższych emisjach.

Make cents of your BOM

Free supply chain insights delivered to your inbox

Learn More

Tradycyjna produkcja półprzewodników intensywnie wykorzystuje gazy o wysokim GWP, takie jak PFC, hydrofluorowęglowodory, trójtlenek azotu (NF3) i heksafluorek siarki. Niestety, do 80% tych fluorowanych gazów często uwalnia się do atmosfery po przetworzeniu. PFC są trudne do zastąpienia, ale postęp jest widoczny. Na przykład, Samsung Semiconductor rozwija gazy procesowe o niższym GWP, aby zastąpić PFC w kluczowych etapach produkcji, takich jak trawienie i osadzanie z fazy gazowej, mając już wdrożone te rozwiązania w kilku produktach od 2018 roku. Podobnie, Tokyo Electron Limited (TEL) wprowadziło proces trawienia o wysokim stosunku aspektu, który działa w kriogenicznych temperaturach, używa alternatywnych chemikaliów i znacząco redukuje zarówno zużycie energii, jak i emisję gazów cieplarnianych.

Chociaż te wysiłki są obiecujące, Deloitte zauważa, że przejście na alternatywne gazy to powolny proces, który często prowadzi do stopniowych ulepszeń. 

Ścieżka naprzód

Przechodząc na bardziej ekologiczne alternatywy tam, gdzie to możliwe, i optymalizując zużycie, producenci mogą zmniejszyć swoje ślad węglowy, złagodzić ekologiczne skutki swojej działalności i poczynić postępy w realizacji swoich zobowiązań węglowych. Wspomniane innowacje w zakresie bardziej ekologicznych chemikaliów, technik przetwarzania na sucho i zamkniętych systemów recyklingu stanowią kluczowe kroki w kierunku bardziej zrównoważonej przyszłości dla branży.

Mimo że wyzwania pozostają, rosnące zaangażowanie liderów branży i coraz większa dostępność nowych technologii dają nadzieję na bardziej przyjazny dla Ziemi proces produkcji półprzewodników. W miarę jak firmy kontynuują inwestycje w zrównoważone rozwiązania, branża jest gotowa do poczynienia znaczących kroków w redukcji swojego wpływu na środowisko, zapewniając, że układy scalone napędzające nasz nowoczesny świat są produkowane w sposób bardziej harmonijny z planetą.