Химические процессы могут сделать производство полупроводников более устойчивым

Хотя производство полупроводников является неотъемлемой частью современной жизни, оно требует большого потребления энергии и ресурсов, включая электричество, воду, химикаты и газы, используемые в процессах, что приводит к увеличению энергопотребления и воздействию на окружающую среду — к сожалению, эта проблема усугубляется из-за увеличения сложности производства передовых микросхем и растущего спроса. 

"Если текущий путь роста будет продолжаться без изменений, выбросы углекислого газа от производства полупроводников могут увеличиваться примерно на 8% ежегодно в ближайшие годы и не достигнут пика до примерно 2045 года," говорит Boston Consulting Group.

В ответ на эти вызовы — и увеличивающееся давление, поскольку правительства по всему миру начинают внедрять более строгие экологические нормы — индустрия полупроводников нацеливается на инициативы инноваций и усилия в области исследований и разработок в сторону более экологичных процессов. Альтернативные решения начинают набирать популярность.

Здесь мы рассмотрим основные вызовы, с которыми сталкиваются компании, как химические процессы эволюционируют, чтобы сделать производство полупроводников более устойчивым, и лидеров индустрии, которые возглавляют этот переход.

Критические вызовы на пути к устойчивости

Одной из самых больших проблем на пути к более устойчивому производству полупроводников является то, что многие химические вещества, используемые в производстве, одновременно необходимы для процесса и опасны для окружающей среды. Несмотря на необходимость, если их не контролировать должным образом, эти вещества часто токсичны и представляют риски для здоровья человека и окружающей среды. Отходы от этих химикатов также могут быть сложными в утилизации, что приводит к дополнительным экологическим проблемам. 

Полупроводниковая промышленность подвергалась критике за значительное воздействие на окружающую среду, в основном из-за выбросов газов с высоким GWP, а также значительного потребления воды и энергии. Хотя эти химические вещества необходимы для функциональности и производительности полупроводников, достаточно взглянуть немного назад, чтобы полностью оценить их экологические последствия.

В 1970-х по 1990-е годы, когда Соединенные Штаты были доминирующей силой в производстве полупроводников, экологические опасности, связанные с заводами по их изготовлению, не были широко признаны. В этот период Кремниевая долина, где находилось множество производств, стала местом нескольких объектов Суперфонда — территорий, настолько загрязненных, что они были включены в Национальный приоритетный список для федеральной очистки. Например, на объекте Intel, который работал с 1968 по 1981 год, EPA (Агентство по охране окружающей среды) выявило более дюжины загрязнителей в грунтовых водах, включая мышьяк, хлороформ и свинец. 

Хотя сейчас индустрия принимает агрессивную, проактивную позицию в отношении устойчивого развития, эти события подчеркивают важность баланса между технологическим прогрессом и экологической ответственностью.

Роль химикатов в производстве полупроводников

Производство полупроводников включает в себя различные химические процессы, критически важные для травления, очистки, легирования и формирования материалов. Хотя эти химикаты необходимы для производства высокопроизводительных чипов, они часто сопряжены с серьезными экологическими недостатками, включая опасные отходы и выбросы парниковых газов. Например:

Травление: Удаление слоев материала с поверхности пластины для создания сложных узоров, определяющих функциональность чипа. Перфторуглероды (PFC), используемые в процессах травления, практически невозможно заменить из-за их эффективности в создании детализированных структур, необходимых для современных микросхем. К сожалению, эти газы имеют потенциал глобального потепления (GWP), в тысячи раз выше, чем у углекислого газа, что делает их влияние на изменение климата несоразмерно большим.

Очистка: Пластины должны быть тщательно очищены на различных этапах для удаления примесей. Использование растворителей, кислот и оснований является неотъемлемой частью достижения крайних уровней чистоты, требуемых для полупроводниковых устройств. К сожалению, эти химические вещества часто являются опасными и создают значительный поток отходов.

Легирование: Процесс добавления примесей к полупроводниковому материалу для изменения его электрических свойств. В легировании обычно используются высокотоксичные химические вещества, такие как арсин и фосфин.

Инновации в химических процессах для устойчивости

Осознавая экологическое воздействие этих химических процессов, полупроводниковая промышленность все чаще исследует альтернативы и инновации для более устойчивого производства. Вот некоторые из наиболее перспективных разработок:

1. Более экологичные растворители и чистящие средства

Одной из ключевых областей инноваций стало развитие более экологичных растворителей и чистящих средств, оказывающих меньшее воздействие на окружающую среду. Традиционные растворители, такие как изопропиловый спирт, хоть и эффективны, могут быть опасны в больших количествах. Производители теперь исследуют альтернативные растворители, которые являются биоразлагаемыми и менее токсичными, сокращая вредное воздействие процессов очистки на окружающую среду.

Например, компании изучают использование водных растворов для очистки, в которых вода является основным растворителем. Эти растворы могут эффективно очищать пластины, значительно сокращая потребность в вредных химикатах. Кроме того, разрабатываются новые чистящие средства, которые можно перерабатывать и повторно использовать, значительно сокращая химические отходы​.

Химические вещества, вызывающие большую озабоченность при очистке полупроводников, - это N-метилпирролидон (NMP) и тетраметиламмоний гидроксид (TMAH), а также широко используемый растворитель диметилсульфоксид (DMSO). Поэтому такие компании, как Merck KGaA, переформулируют и внедряют новые продукты, использующие менее токсичные, более безопасные химические вещества без использования NMP, TMAH или DMSO.

2. Сокращение выбросов газов с высоким потенциалом глобального потепления

Исследователи работают над разработкой альтернативных газов с более низким потенциалом глобального потепления (GWP), которые все еще могут обеспечить необходимую точность в процессах травления. Например, трехфторид азота (NF3) был введен в качестве замены в некоторых приложениях, поскольку он имеет более низкий GWP по сравнению с традиционными перфторуглеродами (PFC).

Кроме того, улучшения в оборудовании для процессов могут помочь сократить количество используемого газа во время травления, тем самым снижая выбросы. Также исследуются передовые методы травления, использующие плазменные процессы. Эти методы могут значительно сократить количество необходимых вредных химических веществ, способствуя более устойчивому производственному процессу.

Больше о переходе от PFC к NF от Консорциума по PFAS в полупроводниковой промышленности.

3. Системы замкнутого цикла химической переработки

Еще одно многообещающее нововведение - принятие систем замкнутого цикла химической переработки, которые позволяют производителям повторно использовать химикаты, вместо того чтобы утилизировать их после однократного использования. Это особенно важно для химикатов, используемых в процессах очистки и травления, поскольку они составляют большую часть отходов, генерируемых при производстве полупроводников.

Используя передовые технологии фильтрации и очистки, производители могут восстанавливать и повторно использовать химикаты, сокращая как отходы, так и потребность в сырье. Это не только снижает воздействие на окружающую среду, но и уменьшает операционные расходы, создавая выигрышную ситуацию для производителей​.

Чтобы удовлетворить растущий спрос на сырье по мере развития производственных процессов, TSMC совместно с поставщиками инициировала проект "Переработка химикатов электронного качества". Эта инициатива сосредоточена на разработке технологии переработки отходов процессов, превращая их в продукты электронного качества для повторного использования в TSMC, тем самым повышая ценность модели замкнутого цикла переработки TSMC. В 2023 году отходы циклопентанона были успешно очищены до циклопентанона электронного качества, соответствующего строгим стандартам качества TSMC. Этот переработанный химикат был официально представлен в ноябре на передовом объекте TSMC AP3 по упаковке и тестированию и, как ожидается, позволит сократить ежегодные закупки жидкости на 750 тонн и уменьшить выбросы углерода на 380 тонн, что является примером зеленого производства и продвижения экологической устойчивости.

4. Техники сухой обработки

Были разработаны техники сухой обработки для сокращения использования воды и генерации отходов. Такие методы, как сухое травление, исключают необходимость в жидких химикатах, используя вместо этого газы или плазму.

В частности, сухое травление сыграло значительную роль в переходе к более устойчивым вариантам, исключая необходимость в токсичных химикатах и снижая потребление воды. Методы очистки на основе плазмы также набирают популярность, предлагая аналогичные преимущества за счет использования меньшего количества воды и энергии по сравнению с традиционными методами влажной очистки​.

Усилия отрасли и глобальное воздействие

В ответ на растущую обеспокоенность по поводу окружающей среды, полупроводниковые компании все чаще инвестируют в стратегии по сокращению воздействия их производственных операций на окружающую среду. Согласно Deloitte, эти компании сосредотачиваются на принятии производственных процессов, использующих материалы с более низким потенциалом глобального потепления (GWP). Это включает модернизацию существующих заводов и строительство новых объектов для внедрения процессов, основанных на использовании химикатов и газов с более низким уровнем выбросов.

Традиционное производство полупроводников активно использует газы с высоким GWP, такие как перфторуглероды (PFCs), гидрофторуглероды, трехфторид азота (NF3) и гексафторид серы. К сожалению, до 80% этих фторсодержащих газов часто выбрасываются в атмосферу после обработки. PFCs трудно заменить, но достигается прогресс. Например, компания Samsung Semiconductor разрабатывает газы для процессов с более низким GWP для замены PFCs на ключевых этапах производства, таких как травление и химическое осаждение из паровой фазы, и с 2018 года уже внедрила их в несколько продуктов. Аналогично, Tokyo Electron Limited (TEL) представила процесс травления с высоким аспектным соотношением, который работает при криогенных температурах, использует альтернативные химикаты и значительно снижает как потребление энергии, так и выбросы парниковых газов.

Хотя эти усилия многообещающи, Deloitte отмечает, что переход на альтернативные газы - это медленный процесс, который часто приводит к постепенным улучшениям. 

Путь вперед

Переходя на более экологичные альтернативы, где это возможно, и оптимизируя использование, производители могут сократить свой углеродный след, снизить экологическое воздействие своей деятельности и продвигаться вперед к выполнению своих углеродных обязательств. Упомянутые инновации в области более экологичных химикатов, технологий сухой обработки и систем замкнутого цикла переработки представляют собой критические шаги на пути к более устойчивому будущему для отрасли.

Несмотря на оставшиеся вызовы, растущая приверженность лидеров отрасли и увеличение доступности новых технологий дают надежду на более экологичный процесс производства полупроводников. Поскольку компании продолжают инвестировать в устойчивые решения, отрасль находится на пороге совершения значительных шагов в снижении своего воздействия на окружающую среду, обеспечивая производство чипов, питающих наш современный мир, более гармоничным с планетой способом.