Quy trình hóa học có thể làm cho việc sản xuất bán dẫn trở nên bền vững hơn

Mặc dù là yếu tố thiết yếu trong cuộc sống hiện đại, việc sản xuất bán dẫn tiêu thụ nhiều năng lượng và tài nguyên, đòi hỏi sự tiêu thụ cao hơn về điện, nước, hóa chất và khí quy trình, tất cả những yếu tố này đều góp phần vào việc sử dụng năng lượng và tác động môi trường lớn hơn - một thực tế đáng tiếc được làm trầm trọng thêm bởi sự phức tạp tăng lên của việc sản xuất chip tiên tiến và nhu cầu tăng cao. 

"Nếu con đường tăng trưởng hiện tại tiếp tục không kiểm soát, lượng khí thải carbon từ sản xuất bán dẫn sẽ tăng khoảng 8% hàng năm trong những năm tới và không đạt đến đỉnh điểm cho đến khoảng năm 2045," The Boston Consulting Group cho biết.

Để đối phó với những thách thức này—và áp lực tăng lên khi các chính phủ trên toàn thế giới bắt đầu áp dụng quy định môi trường nghiêm ngặt hơn—ngành công nghiệp bán dẫn đã hướng tới các sáng kiến đổi mới và nỗ lực nghiên cứu và phát triển về các quy trình thân thiện với môi trường hơn. Các giải pháp thay thế đã bắt đầu nhận được sự chú ý.

Ở đây, chúng ta sẽ khám phá những thách thức chính mà các công ty phải đối mặt, cách các quy trình hóa học đang phát triển để làm cho sản xuất bán dẫn bền vững hơn, và những nhà lãnh đạo ngành đang dẫn đầu sự chuyển đổi.

Thách thức Quan trọng trong Việc Đạt được Sự Bền vững

Một trong những trở ngại lớn nhất để làm cho việc sản xuất bán dẫn trở nên bền vững hơn là thực tế rằng nhiều hóa chất được sử dụng trong sản xuất vừa là thiết yếu cho quá trình và vừa có hại cho môi trường. Mặc dù cần thiết, nếu không được quản lý đúng cách, những chất này thường độc hại và gây rủi ro cho sức khỏe con người và môi trường. Chất thải phát sinh từ những hóa chất này cũng có thể khó xử lý, dẫn đến thêm nhiều thách thức môi trường. 

Ngành công nghiệp bán dẫn đã phải đối mặt với chỉ trích về ảnh hưởng môi trường đáng kể của mình, chủ yếu do việc thải ra khí GWP cao và tiêu thụ nước và năng lượng đáng kể. Mặc dù những hóa chất này là thiết yếu cho chức năng và hiệu suất của bán dẫn, chúng ta chỉ cần nhìn lại một thời gian ngắn để hoàn toàn nhận thức được hậu quả môi trường của chúng.

Từ những năm 1970 đến những năm 1990, khi Hoa Kỳ là một lực lượng thống trị trong sản xuất bán dẫn, những nguy cơ môi trường liên quan đến các nhà máy sản xuất không được nhận biết rộng rãi. Trong khoảng thời gian này, Thung lũng Silicon, nơi có nhiều nhà máy sản xuất, trở thành địa điểm của một số địa điểm Superfund - những khu vực bị ô nhiễm đến mức chúng được đưa vào Danh sách Ưu tiên Quốc gia để dọn dẹp của liên bang. Chẳng hạn, tại một địa điểm của Intel hoạt động từ năm 1968 đến 1981, Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) đã xác định hơn một chục chất ô nhiễm trong nước ngầm, bao gồm asen, chloroform và chì. 

Mặc dù ngành công nghiệp hiện nay có một lập trường tích cực, chủ động về bền vững, những sự kiện này nhấn mạnh sự cần thiết phải cân bằng giữa tiến bộ công nghệ và trách nhiệm bảo vệ môi trường.

Vai trò của Hóa chất trong Sản xuất Bán dẫn

Sản xuất bán dẫn bao gồm các quá trình hóa học khác nhau quan trọng cho việc ăn mòn, làm sạch, doping và tạo mẫu vật liệu. Mặc dù cần thiết để sản xuất các chip hiệu suất cao, những hóa chất này thường đi kèm với những hậu quả môi trường đáng kể, bao gồm chất thải nguy hại và phát thải khí nhà kính. Ví dụ:

Khắc: Loại bỏ các lớp vật liệu khỏi bề mặt wafer để tạo ra các mẫu phức tạp định nghĩa chức năng của chip. Perfluorocarbons (PFCs) được sử dụng trong quá trình khắc gần như không thể thay thế do hiệu quả của chúng trong việc tạo ra các cấu trúc chi tiết cần thiết cho microchip tiên tiến. Thật không may, những khí này có GWP cao hơn hàng nghìn lần so với carbon dioxide, làm cho ảnh hưởng của chúng đối với biến đổi khí hậu lớn một cách không cân xứng.

Làm sạch: Wafer phải được làm sạch tỉ mỉ ở các giai đoạn khác nhau để loại bỏ tạp chất. Việc sử dụng dung môi, axit và bazơ là không thể thiếu để đạt được mức độ tinh khiết cực độ cần thiết cho thiết bị bán dẫn. Thật không may, những hóa chất này thường nguy hiểm và tạo ra một lượng chất thải đáng kể.

Pha tạp: Quá trình thêm tạp chất vào vật liệu bán dẫn để thay đổi tính chất điện của nó. Các hóa chất như arsine và phosphine, rất độc hại, thường được sử dụng trong pha tạp.

Đổi mới trong Quy Trình Hóa Học vì Sự Bền Vững

Nhận thức được ảnh hưởng môi trường của những quy trình hóa học này, ngành công nghiệp bán dẫn ngày càng tìm kiếm các phương án thay thế và đổi mới để sản xuất bền vững hơn. Dưới đây là một số phát triển hứa hẹn nhất:

1. Chất tẩy rửa và dung môi xanh hơn

Một trong những lĩnh vực đổi mới chính là sự phát triển của các chất tẩy rửa và dung môi xanh hơn có tác động môi trường thấp hơn. Các dung môi truyền thống như cồn isopropyl, mặc dù hiệu quả, nhưng có thể gây hại nếu sử dụng với số lượng lớn. Các nhà sản xuất hiện đang nghiên cứu các dung môi thay thế có khả năng phân hủy sinh học và ít độc hại hơn, giảm thiểu tác động xấu của quá trình làm sạch đối với môi trường.

Ví dụ, các công ty đang khám phá việc sử dụng các dung dịch làm sạch dựa trên nước sử dụng nước là dung môi chính. Những dung dịch này có thể làm sạch wafer một cách hiệu quả đồng thời giảm đáng kể nhu cầu sử dụng hóa chất độc hại. Ngoài ra, các chất tẩy rửa mới đang được phát triển có thể tái chế và sử dụng lại, giảm đáng kể lượng chất thải hóa chất​.

Các hóa chất được quan tâm cao trong việc làm sạch bán dẫn bao gồm N-methyl pyrrolidone (NMP) và tetramethylammonium hydroxide (TMAH), cũng như dung môi thường được sử dụng là dimethyl sulfoxide (DMSO). Do đó, các công ty như Merck KGaA đang tái cấu trúc và giới thiệu các sản phẩm mới sử dụng các hóa chất ít độc hại, an toàn hơn mà không sử dụng NMP, TMAH hoặc DMSO.

2. Giảm Lượng Khí GWP Cao

Các nhà nghiên cứu đang phát triển các loại khí thay thế có GWP thấp hơn nhưng vẫn đạt được độ chính xác cần thiết trong quá trình ăn mòn. Chẳng hạn, nitơ trifluoride (NF3) đã được giới thiệu làm chất thay thế trong một số ứng dụng, vì nó có GWP thấp hơn so với các PFC truyền thống.

Ngoài ra, việc cải thiện thiết bị quy trình có thể giúp giảm lượng khí sử dụng trong quá trình ăn mòn, từ đó giảm lượng khí thải. Các kỹ thuật ăn mòn tiên tiến sử dụng quy trình dựa trên plasma cũng đang được nghiên cứu. Những phương pháp này có thể giảm đáng kể lượng hóa chất độc hại cần thiết, góp phần vào quy trình sản xuất bền vững hơn.

Thêm thông tin về sự chuyển đổi từ PFCs sang NF từ The Semiconductor PFAS Consortium.

3. Hệ Thống Tái Chế Hóa Chất Kín

Một đổi mới hứa hẹn khác là việc áp dụng hệ thống tái chế hóa chất kín, cho phép các nhà sản xuất tái sử dụng hóa chất thay vì vứt bỏ chúng sau một lần sử dụng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các hóa chất được sử dụng trong quá trình làm sạch và ăn mòn, vì chúng chiếm một phần lớn lượng chất thải được tạo ra trong sản xuất bán dẫn.

Bằng cách sử dụng công nghệ lọc và tinh chế tiên tiến, các nhà sản xuất có thể thu hồi và tái sử dụng hóa chất, giảm cả lượng chất thải và nhu cầu về nguyên liệu thô. Điều này không chỉ giảm tác động môi trường mà còn giảm chi phí hoạt động, tạo ra một tình huống có lợi cho các nhà sản xuất​.

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về nguyên liệu thô khi các quy trình sản xuất tiến bộ, TSMC đã hợp tác với các nhà cung cấp để khởi xướng "Dự án Tái chế Hóa chất Điện tử." Sáng kiến này tập trung vào việc phát triển công nghệ tái chế chất thải quy trình, chuyển đổi chúng thành sản phẩm cấp điện tử để tái sử dụng tại TSMC, từ đó nâng cao giá trị của mô hình tái chế kín của TSMC. Vào năm 2023, chất thải cyclopentanone đã được tinh chế thành cyclopentanone cấp điện tử đạt tiêu chuẩn chất lượng khắt khe của TSMC. Hóa chất này đã được chính thức giới thiệu vào tháng 11 tại cơ sở đóng gói và kiểm tra tiên tiến AP3 của TSMC và dự kiến sẽ giảm mua hàng nước hàng năm 750 tấn và cắt giảm lượng khí thải carbon 380 tấn, làm nổi bật việc sản xuất xanh và thúc đẩy bền vững môi trường.

4. Kỹ thuật Xử lý Khô

Kỹ thuật xử lý khô đã được phát triển để giảm sử dụng nước và sinh ra chất thải. Những kỹ thuật này, như khắc khô, loại bỏ nhu cầu sử dụng hóa chất lỏng bằng cách sử dụng khí hoặc plasma thay thế.

Đặc biệt, khắc khô đã đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang các lựa chọn bền vững hơn, loại bỏ nhu cầu sử dụng hóa chất độc hại và giảm tiêu thụ nước. Các phương pháp làm sạch dựa trên plasma cũng đang được chú ý, mang lại lợi ích tương tự bằng cách sử dụng ít nước và năng lượng hơn so với các phương pháp làm sạch ướt truyền thống​.

Nỗ lực của Ngành và Tác động Toàn cầu

Đáp lại những lo ngại ngày càng tăng về môi trường, các công ty bán dẫn đang tăng cường đầu tư vào các chiến lược nhằm giảm tác động môi trường từ hoạt động sản xuất của họ. Theo Deloitte, các công ty này đang tập trung vào việc áp dụng các quy trình sản xuất sử dụng vật liệu có chỉ số GWP thấp hơn. Điều này bao gồm việc nâng cấp các nhà máy hiện có và xây dựng các cơ sở mới để tích hợp các quy trình dựa trên hóa chất và khí thải có lượng phát thải thấp hơn.

Quy trình sản xuất bán dẫn truyền thống sử dụng nhiều khí có GWP cao, như PFCs, hydrofluorocarbons, nitrogen trifluoride (NF3), và sulfur hexafluoride. Thật không may, đến 80% các khí fluorinated này thường được thải ra không khí sau khi xử lý. PFCs khó có thể thay thế, nhưng đã có tiến triển. Ví dụ, Samsung Semiconductor đang phát triển các khí quy trình có GWP thấp hơn để thay thế PFCs trong các bước sản xuất chính như khắc và hóa hơi hóa học, và đã áp dụng chúng trong một số sản phẩm kể từ năm 2018. Tương tự, Tokyo Electron Limited (TEL) đã giới thiệu quy trình khắc tỷ lệ cao hoạt động ở nhiệt độ cryogenic, sử dụng hóa chất thay thế, và giảm đáng kể cả lượng tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính.

Mặc dù những nỗ lực này rất hứa hẹn, Deloitte lưu ý rằng quá trình chuyển đổi sang khí thay thế là một quá trình chậm chạp thường chỉ mang lại những cải thiện từng bước. 

Hướng Đi Phía Trước

Bằng cách chuyển sang sử dụng các phương án thay thế thân thiện với môi trường mỗi khi có thể và tối ưu hóa việc sử dụng, các nhà sản xuất có thể giảm bớt dấu chân carbon của mình, giảm thiểu tác động sinh thái của hoạt động sản xuất và tiến bộ về cam kết carbon của họ. Những đổi mới được đề cập trước đây về hóa chất xanh, kỹ thuật chế biến khô và hệ thống tái chế kín đại diện cho những bước tiến quan trọng hướng tới một tương lai bền vững hơn cho ngành công nghiệp.

Mặc dù vẫn còn những thách thức, sự cam kết ngày càng tăng từ các nhà lãnh đạo ngành và sự có sẵn ngày càng nhiều của các công nghệ mới mang lại hy vọng cho một quy trình sản xuất bán dẫn thân thiện với môi trường hơn. Khi các công ty tiếp tục đầu tư vào các giải pháp bền vững, ngành công nghiệp đang đứng trước cơ hội thực hiện những bước tiến đáng kể trong việc giảm tác động môi trường, đảm bảo rằng các chip cung cấp năng lượng cho thế giới hiện đại của chúng ta được sản xuất theo cách hài hòa hơn với hành tinh.