Processos Químicos Podem Tornar a Fabricação de Semicondutores Mais Sustentável

Embora essencial para a vida moderna, a fabricação de semicondutores é intensiva em energia e recursos, exigindo maior consumo de eletricidade, água, produtos químicos e gases de processo, todos contribuindo para um maior uso de energia e impacto ambiental — uma realidade infeliz que é ainda mais agravada pela complexidade crescente da fabricação de chips avançados e demanda aumentada.

"Se o atual caminho de crescimento continuar sem controle, as emissões de carbono da produção de semicondutores aumentariam cerca de 8% anualmente nos próximos anos e não atingiriam o pico até cerca de 2045," diz o The Boston Consulting Group.

Em resposta a esses desafios — e à pressão aumentada à medida que governos em todo o mundo começam a implementar regulamentações ambientais mais rigorosas — a indústria de semicondutores tem direcionado iniciativas de inovação e esforços de pesquisa e desenvolvimento para processos mais ecologicamente corretos. Soluções alternativas começaram a ganhar tração.

Aqui, exploramos os principais desafios enfrentados pelas empresas, como os processos químicos estão evoluindo para tornar a produção de semicondutores mais sustentável e os líderes da indústria que estão à frente da transição.

Desafios Críticos para Alcançar a Sustentabilidade

Um dos maiores desafios para tornar a fabricação de semicondutores mais sustentável é o fato de que muitos dos químicos usados na produção são tanto essenciais para o processo quanto prejudiciais ao meio ambiente. Embora necessárias, se não forem devidamente gerenciadas, essas substâncias são frequentemente tóxicas e representam riscos à saúde humana e ao meio ambiente. O resíduo gerado por esses químicos também pode ser difícil de descartar, levando a mais desafios ambientais. 

A indústria de semicondutores enfrentou críticas por seu significativo impacto ambiental, principalmente devido à liberação de gases com alto GWP e seu substancial consumo de água e energia. Embora esses químicos sejam essenciais para a funcionalidade e desempenho dos semicondutores, basta olharmos um pouco para trás para apreciarmos plenamente suas consequências ambientais.

Na década de 1970 até a década de 1990, quando os Estados Unidos eram uma força dominante na produção de semicondutores, os perigos ambientais associados às fábricas de fabricação não eram amplamente reconhecidos. Durante este período, o Vale do Silício, lar de inúmeras fábricas, tornou-se o local de várias localizações Superfund—áreas tão contaminadas que foram colocadas na Lista de Prioridades Nacionais para limpeza federal. Por exemplo, em um local da Intel ativo entre 1968 e 1981, a EPA identificou mais de uma dúzia de contaminantes na água subterrânea, incluindo arsênico, clorofórmio e chumbo. 

Embora a indústria agora adote uma postura agressiva e proativa em relação à sustentabilidade, esses eventos sublinham a imperatividade de equilibrar o avanço tecnológico com a responsabilidade ambiental.

O Papel dos Químicos na Fabricação de Semicondutores

A fabricação de semicondutores envolve vários processos químicos cruciais para a gravação, limpeza, dopagem e padronização de materiais. Embora necessários para a produção de chips de alto desempenho, esses químicos frequentemente vêm com desvantagens ambientais significativas, incluindo resíduos perigosos e emissões de gases de efeito estufa. Por exemplo:

Gravação: Remoção de camadas de material da superfície do wafer para criar os padrões intrincados que definem a funcionalidade de um chip. Os perfluorocarbonetos (PFCs) usados nos processos de gravação são quase impossíveis de substituir devido à sua eficácia na criação das estruturas detalhadas necessárias para microchips avançados. Infelizmente, esses gases têm um GWP (Potencial de Aquecimento Global) milhares de vezes maior que o dióxido de carbono, tornando seu impacto na mudança climática desproporcionalmente grande.

Limpeza: Os wafers devem ser meticulosamente limpos em várias etapas para remover impurezas. O uso de solventes, ácidos e bases é integral para alcançar os níveis extremos de pureza exigidos para dispositivos semicondutores. Infelizmente, esses produtos químicos são frequentemente perigosos e criam um fluxo significativo de resíduos.

Dopagem: O processo de adicionar impurezas ao material semicondutor para alterar suas propriedades elétricas. Produtos químicos como arsina e fosfina, que são altamente tóxicos, são comumente usados na dopagem.

Inovações em Processos Químicos para Sustentabilidade

Reconhecendo o impacto ambiental desses processos químicos, a indústria de semicondutores está cada vez mais explorando alternativas e inovações para tornar a produção mais sustentável. Aqui estão alguns dos desenvolvimentos mais promissores:

1. Solventes e Agentes de Limpeza Mais Ecológicos

Uma das principais áreas de inovação tem sido o desenvolvimento de solventes e agentes de limpeza mais ecológicos que têm um menor impacto ambiental. Solventes tradicionais como o álcool isopropílico, embora eficazes, podem ser perigosos em grandes quantidades. Os fabricantes estão agora pesquisando solventes alternativos que são biodegradáveis e menos tóxicos, reduzindo os efeitos nocivos dos processos de limpeza no ambiente.

Por exemplo, as empresas estão explorando o uso de soluções de limpeza à base de água que usam a água como solvente principal. Essas soluções podem limpar eficazmente os wafers enquanto reduzem drasticamente a necessidade de produtos químicos nocivos. Além disso, estão sendo desenvolvidos novos agentes de limpeza que podem ser reciclados e reutilizados, reduzindo significativamente o desperdício químico​.

Os produtos químicos de alta preocupação na limpeza de semicondutores são N-metilpirrolidona (NMP) e hidróxido de tetrametilamônio (TMAH), bem como o solvente comumente usado dimetilsulfóxido (DMSO). Portanto, empresas como Merck KGaA estão reformulando e introduzindo novos produtos que usam produtos químicos menos tóxicos e mais seguros, sem usar NMP, TMAH ou DMSO.

2. Redução de Gases com Alto GWP

Pesquisadores estão trabalhando no desenvolvimento de gases alternativos com GWPs mais baixos que ainda possam alcançar a precisão requerida nos processos de gravação. Por exemplo, o trifluoreto de nitrogênio (NF3) foi introduzido como substituto em algumas aplicações, pois possui um GWP menor do que os PFCs tradicionais.

Além disso, melhorias no equipamento de processo podem ajudar a reduzir a quantidade de gás usada durante a gravação, diminuindo assim as emissões. Técnicas avançadas de gravação que utilizam processos baseados em plasma também estão sendo exploradas. Esses métodos podem reduzir significativamente a quantidade de produtos químicos nocivos necessários, contribuindo para um processo de produção mais sustentável.

Mais sobre a transição de PFCs para NF pelo Consórcio de PFAS de Semicondutores.

3. Sistemas de Reciclagem Química em Circuito Fechado

Outra inovação promissora é a adoção de sistemas de reciclagem química em circuito fechado, que permitem aos fabricantes reutilizar produtos químicos em vez de descartá-los após um único uso. Isso é particularmente importante para produtos químicos usados em processos de limpeza e gravação, pois representam uma grande parte dos resíduos gerados na fabricação de semicondutores.

Usando tecnologias avançadas de filtração e purificação, os fabricantes podem recuperar e reutilizar produtos químicos, reduzindo tanto o desperdício quanto a necessidade de matérias-primas. Isso não apenas reduz o impacto ambiental, mas também diminui os custos operacionais, criando um cenário vantajoso para os fabricantes​.

Para atender à crescente demanda por matérias-primas conforme os processos de fabricação avançam, a TSMC colaborou com fornecedores para iniciar o "Projeto de Reciclagem de Químicos de Grau Eletrônico". Esta iniciativa foca no desenvolvimento de tecnologia para reciclar materiais de resíduos de processos, convertendo-os em produtos de grau eletrônico para reutilização na TSMC, assim, realçando o valor do modelo de reciclagem em circuito fechado da TSMC. Em 2023, resíduos de ciclopentanona foram refinados com sucesso em ciclopentanona de grau eletrônico que atendeu aos rigorosos padrões de qualidade da TSMC. Este químico reprocessado foi oficialmente introduzido em novembro na instalação avançada de embalagem e teste AP3 da TSMC e espera-se que reduza a aquisição anual de líquidos em 750 toneladas e corte as emissões de carbono em 380 toneladas, exemplificando a fabricação verde e avançando a sustentabilidade ambiental.

4. Técnicas de Processamento a Seco

Técnicas de processamento a seco foram desenvolvidas para reduzir o uso de água e a geração de resíduos. Essas técnicas, como a gravação a seco, eliminam a necessidade de produtos químicos líquidos ao usar gases ou plasmas em vez disso.

A gravação a seco, em particular, desempenhou um papel significativo na transição para opções mais sustentáveis, eliminando a necessidade de produtos químicos tóxicos e reduzindo o consumo de água. Métodos de limpeza baseados em plasma também estão ganhando tração, oferecendo benefícios similares ao usar menos água e energia comparado aos métodos convencionais de limpeza úmida​.

Esforços da Indústria e Impacto Global

Em resposta às crescentes preocupações ambientais, as empresas de semicondutores estão investindo cada vez mais em estratégias para reduzir os impactos ambientais de suas operações de fabricação. De acordo com Deloitte, essas empresas estão focando na adoção de processos de fabricação que utilizam materiais com menor potencial de aquecimento global (GWP). Isso inclui a reforma de plantas existentes e a construção de novas instalações para incorporar processos que dependem de químicos e gases com emissões mais baixas.

A fabricação tradicional de semicondutores utiliza intensivamente gases com alto GWP, como os PFCs, hidrofluorcarbonetos, trifluoreto de nitrogênio (NF3) e hexafluoreto de enxofre. Infelizmente, até 80% desses gases fluorados são frequentemente liberados na atmosfera após o processamento. Os PFCs são difíceis de substituir, mas progressos estão sendo feitos. Por exemplo, a Samsung Semiconductor está desenvolvendo gases de processo com menor GWP para substituir os PFCs em etapas chave de fabricação, como gravação e deposição química de vapor, tendo já implementado esses em vários produtos desde 2018. Da mesma forma, a Tokyo Electron Limited (TEL) introduziu um processo de gravação de alta relação de aspecto que opera em temperaturas criogênicas, usa químicos alternativos e reduz significativamente tanto o consumo de energia quanto as emissões de gases de efeito estufa.

Embora esses esforços sejam promissores, a Deloitte observa que a transição para gases alternativos é um processo lento que muitas vezes resulta em melhorias incrementais. 

O Caminho a Seguir

Ao fazer a transição para alternativas mais verdes sempre que possível e otimizando o uso, os fabricantes podem reduzir sua pegada de carbono, mitigar os impactos ecológicos de suas operações e avançar em direção aos seus compromissos com o carbono. As inovações mencionadas em químicos mais verdes, técnicas de processamento a seco e sistemas de reciclagem em circuito fechado representam passos críticos em direção a um futuro mais sustentável para a indústria.

Embora os desafios permaneçam, o crescente comprometimento dos líderes da indústria e a crescente disponibilidade de novas tecnologias oferecem esperança para um processo de fabricação de semicondutores mais amigo do meio ambiente. À medida que as empresas continuam a investir em soluções sustentáveis, a indústria está preparada para fazer avanços significativos na redução de seu impacto ambiental, garantindo que os chips que alimentam nosso mundo moderno sejam produzidos de uma maneira que esteja mais em harmonia com o planeta.