Химические процессы могут сделать производство полупроводников более устойчивым

Хотя производство полупроводников является неотъемлемой частью современной жизни, оно требует значительных энергоресурсов, включая повышенное потребление электроэнергии, воды, химикатов и газов, что приводит к большему использованию энергии и воздействию на окружающую среду. Эта проблема усугубляется усложнением технологий производства передовых микросхем и увеличением спроса.

«Если текущий рост останется без контроля, выбросы углекислого газа от производства полупроводников будут ежегодно увеличиваться примерно на 8% в ближайшие годы и достигнут пика только к 2045 году», — утверждает Boston Consulting Group.

В ответ на эти вызовы, а также в условиях усиливающегося давления со стороны правительств, которые вводят более строгие экологические нормы, полупроводниковая индустрия начала внедрять инновационные инициативы и направлять усилия на исследования и разработки более экологически чистых процессов. Альтернативные решения начинают набирать популярность.

В этом материале мы рассмотрим ключевые проблемы, с которыми сталкиваются компании, как химические процессы эволюционируют для более устойчивого производства полупроводников и кто из лидеров индустрии возглавляет этот переход.

Ключевые проблемы в достижении устойчивости

Потенциал глобального потепления (GWP) — это показатель того, сколько тепла удерживает парниковый газ в атмосфере за определённый период (обычно 100 лет) по отношению к углекислому газу (CO₂). Газы с более высоким GWP больше способствуют глобальному потеплению.

Одной из главных проблем на пути к устойчивому производству полупроводников является то, что многие химические вещества, используемые в процессе производства, одновременно необходимы и опасны для окружающей среды. Несмотря на их важность, если не управлять ими должным образом, эти вещества могут быть токсичными и представлять угрозу для здоровья человека и окружающей среды. Отходы, образующиеся при использовании этих химикатов, также трудно утилизировать, что создаёт дополнительные экологические проблемы.

Полупроводниковая индустрия подвергается критике за значительное воздействие на окружающую среду, в основном из-за выбросов газов с высоким GWP и большого потребления воды и энергии. Хотя эти химические вещества необходимы для функциональности и производительности полупроводников, стоит оглянуться на недавнюю историю, чтобы понять последствия для экологии.

В период с 1970-х по 1990-е годы, когда США доминировали в производстве полупроводников, экологические риски, связанные с заводами по производству микросхем, не были широко признаны. В это время Силиконовая долина, где находилось множество фабрик, стала местом нескольких объектов Суперфонда — территорий, настолько загрязнённых, что они были включены в Национальный список приоритетов для федеральной очистки. Например, на объекте Intel, который функционировал с 1968 по 1981 год, Агентство по охране окружающей среды (EPA) выявило более десятка загрязнителей в подземных водах, включая мышьяк, хлороформ и свинец.

Несмотря на то, что индустрия сейчас активно работает над устойчивым развитием, эти события подчёркивают важность баланса между технологическим прогрессом и заботой об окружающей среде.

Роль химических веществ в производстве полупроводников

Производство полупроводников включает множество химических процессов, необходимых для травления, очистки, легирования и нанесения узоров на материалы. Хотя эти процессы важны для создания высокопроизводительных микросхем, они часто сопровождаются серьёзными экологическими последствиями, такими как образование опасных отходов и выбросы парниковых газов. Например:

• Травление: Удаление слоёв материала с поверхности пластины для создания сложных узоров, которые определяют функциональность чипа. Перфторуглероды (PFC), используемые в процессе травления, практически невозможно заменить из-за их эффективности в создании детализированных структур для передовых микросхем. Однако эти газы обладают потенциалом глобального потепления (GWP), который в тысячи раз выше, чем у углекислого газа, что делает их воздействие на изменение климата крайне серьёзным.

• Очистка: Пластины необходимо тщательно очищать на разных этапах производства для удаления примесей. Для достижения требуемой чистоты полупроводниковых устройств используются растворители, кислоты и основания, которые, к сожалению, часто опасны и создают значительные объёмы отходов.

• Легирование: Добавление примесей в материал полупроводника для изменения его электрических свойств. В процессе легирования обычно применяются высокотоксичные вещества, такие как арсин и фосфин.

Инновации в химических процессах для повышения устойчивости

Осознавая воздействие химических процессов на окружающую среду, полупроводниковая промышленность всё чаще исследует альтернативы и разрабатывает инновации для повышения устойчивости производства. Вот некоторые из наиболее перспективных разработок:

Экологичные растворители и чистящие средства

Одной из ключевых областей инноваций стало развитие экологичных растворителей и чистящих средств с меньшим воздействием на окружающую среду. Традиционные растворители, такие как изопропиловый спирт, хотя и эффективны, могут быть опасными в больших количествах. В настоящее время производители исследуют альтернативные растворители, которые являются биоразлагаемыми и менее токсичными, что снижает негативное воздействие на окружающую среду.

Например, разрабатываются водные чистящие растворы, в которых основным растворителем является вода. Эти решения эффективно очищают пластины, существенно сокращая потребность в вредных химических веществах. Кроме того, создаются новые чистящие средства, которые можно перерабатывать и повторно использовать, что значительно снижает количество химических отходов.

Химические вещества, представляющие наибольшую опасность при очистке полупроводников, включают N-метилпирролидон (NMP), тетраметиламмоний гидроксид (TMAH), а также диметилсульфоксид (DMSO). Компании, такие как Merck KGaA, разрабатывают новые продукты, исключающие использование этих токсичных веществ.

Снижение использования газов с высоким GWP

Исследователи работают над разработкой альтернативных газов с более низким потенциалом глобального потепления (GWP), которые могут обеспечить необходимую точность в процессах травления. Например, азотная трифторид (NF₃) уже используется в некоторых приложениях, так как он обладает более низким GWP по сравнению с традиционными перфторуглеродами.

Кроме того, улучшения в технологическом оборудовании помогают снизить количество газа, используемого при травлении, что сокращает выбросы. Исследуются также методы травления с использованием плазменных процессов, которые могут значительно снизить количество вредных химических веществ, необходимых для производства, способствуя более устойчивому процессу.

Замкнутые системы рециркуляции химикатов

Ещё одной перспективной инновацией является внедрение замкнутых систем рециркуляции химикатов, которые позволяют производителям повторно использовать химические вещества вместо того, чтобы утилизировать их после одного использования. Это особенно важно для химических веществ, используемых в процессах очистки и травления, так как они составляют значительную часть отходов, образующихся при производстве полупроводников.

Использование передовых технологий фильтрации и очистки позволяет производителям восстанавливать и повторно использовать химические вещества, что уменьшает как количество отходов, так и потребность в сырье. Это не только снижает воздействие на окружающую среду, но и сокращает операционные расходы, создавая ситуацию, выгодную как для производителей, так и для экологии.

Для решения проблемы растущего спроса на сырьё по мере усложнения производственных процессов компания TSMC объединилась с поставщиками, запустив проект по переработке химикатов электронной чистоты. Этот проект направлен на разработку технологий для переработки отходов, полученных в процессе производства, в продукцию электронной чистоты для повторного использования на заводах TSMC, что усиливает замкнутую модель рециркуляции компании. В 2023 году отходы циклопентанона успешно были переработаны в электронную продукцию, соответствующую строгим стандартам качества TSMC. Этот переработанный химикат был официально внедрён в ноябре на объекте AP3 TSMC для продвинутой упаковки и тестирования, что позволит сократить закупку жидких веществ на 750 тонн в год и уменьшить выбросы углерода на 380 тонн. Этот пример зелёного производства продвигает устойчивое развитие.

Технологии сухой обработки

Для сокращения потребления воды и объёма отходов были разработаны методы сухой обработки, такие как сухое травление, которые устраняют необходимость в жидких химикатах, используя вместо них газы или плазму.

Сухое травление сыграло значительную роль в переходе к более устойчивым методам, устраняя необходимость в токсичных химикатах и снижая потребление воды. Методы плазменной очистки также набирают популярность, поскольку требуют меньше воды и энергии по сравнению с традиционными методами влажной очистки.

Усилия индустрии и глобальное воздействие

В ответ на растущие экологические проблемы полупроводниковые компании всё больше инвестируют в стратегии по снижению экологического воздействия своих производственных операций. По данным Deloitte, эти компании сосредоточены на внедрении производственных процессов, использующих материалы с более низким потенциалом глобального потепления (GWP). Это включает модернизацию существующих заводов и строительство новых объектов с учётом использования химикатов и газов, которые имеют более низкий уровень выбросов.

Традиционное производство полупроводников широко использует газы с высоким GWP, такие как перфторуглероды (PFC), гидрофторуглероды, трифторид азота (NF₃) и гексафторид серы. К сожалению, до 80% этих фторированных газов часто выбрасываются в атмосферу после обработки. Хотя заменить PFC сложно, прогресс идёт. Например, компания Samsung Semiconductor разрабатывает технологические газы с более низким GWP для замены PFC на ключевых этапах производства, таких как травление и химическое осаждение из паровой фазы. Эти газы были внедрены в несколько продуктов с 2018 года. Токийская компания Tokyo Electron Limited (TEL) также представила процесс травления с высоким соотношением сторон, который работает при криогенных температурах, использует альтернативные химикаты и значительно снижает потребление энергии и выбросы парниковых газов.

Несмотря на эти многообещающие усилия, Deloitte отмечает, что переход на альтернативные газы — это медленный процесс, который часто приводит к постепенным улучшениям.

Путь вперёд

Переход на более экологичные альтернативы и оптимизация их использования позволяют производителям уменьшить углеродный след, снизить экологические последствия своих операций и продвигаться к выполнению своих углеродных обязательств. Инновации в области более чистых химических веществ, сухих методов обработки и замкнутых систем рециркуляции химикатов представляют собой важные шаги к более устойчивому будущему отрасли.

Хотя вызовы остаются, растущая приверженность лидеров индустрии и увеличение доступности новых технологий вселяют надежду на более экологичное производство полупроводников. По мере того, как компании продолжают инвестировать в устойчивые решения, отрасль готова сделать значительные шаги в снижении своего воздействия на окружающую среду, обеспечивая, чтобы чипы, которые питают наш современный мир, производились с большей заботой о планете.

Каталог электронных компонент: https://components.ru/catalog/