Risolvere le sfide della chimica dei gas serra nei semiconduttori

Una parte significativa dell’attenzione alla sostenibilità nel settore dei semiconduttori è rivolta alle emissioni Scope 2 e Scope 3. Stiamo lavorando per ridurre l’energia necessaria per far funzionare le fabbriche che producono semiconduttori e apparecchiature per la produzione di semiconduttori, oppure i gas serra (GHG) prodotti una volta che i semiconduttori o le apparecchiature sono stati spediti a un utente finale. Sebbene una quantità significativa di emissioni di gas serra derivanti dai semiconduttori sia il risultato dell’energia necessaria per riscaldare, raffreddare ed elaborare i wafer, ci sono anche sostanze chimiche utilizzate nel processo che hanno un notevole impatto sui gas serra e che generalmente rientrano nella categoria ambito 1. La Figura 1 mostra l’impatto dei principali agenti chimici responsabili dei gas serra utilizzati nell’industria manifatturiera dei semiconduttori, in particolare nel settore etch and clean.

I prodotti chimici utilizzati per produrre chip semiconduttori rientrano nelle emissioni Scope 1 o Scope 3. Sebbene queste sostanze chimiche abbiano un’impronta di gas serra molto significativa, fortunatamente la maggior parte degli scarichi di un sistema di incisione passa attraverso un sistema di abbattimento e quindi un successivo depuratore. Ciò riduce al minimo l’impatto; tuttavia, i sistemi di abbattimento non sono efficaci al 100% e parte del gas riesce a passare attraverso il sistema. L’abbattimento richiede anche un forte consumo di energia, il che si aggiunge al problema delle emissioni di gas serra. I gas serra possono anche fuoriuscire durante la produzione, l’installazione e il trasporto.

Un’altra preoccupazione emersa riguarda gli alchili perfluorurati o le sostanze chimiche PFAS. Risolverlo sarà una sfida importante per l’industria dei semiconduttori. Nei processi di incisione con rapporti di aspetto elevati o dove è necessaria un’elevata selettività, si formano polimeri che, una volta rimossi durante il processo di pulizia, probabilmente contengono alcuni PFAS come sottoprodotto. Le organizzazioni sanitarie e ambientali stanno lavorando per limitare e ridurre l’uso di PFAS in tutto il mondo. Ciò avrà un impatto significativo sull’industria dei semiconduttori poiché i prodotti chimici utilizzati per l’incisione e altri processi verranno trasformati in modo significativo.

Cambiare le sostanze chimiche nel processo dei semiconduttori non è un compito facile. Per molti anni, i processi che utilizzano sostanze chimiche ad alto potenziale di riscaldamento dell’effetto serra (GWP) sono stati perfezionati e sono ben compresi. L’introduzione di nuove sostanze chimiche richiede anni di sviluppo per essere prima create o identificate in laboratorio, quindi testate e valutate per garantire che non vi siano danni al prodotto semiconduttore finale. La rimozione di sostanze chimiche come i PFAS dal flusso di rifiuti è estremamente impegnativa. Fortunatamente, l’industria sta riconoscendo i problemi legati ai gas serra e alla chimica e si sta preparando ad affrontare la sfida.

Al Semicon West 2023, la sostenibilità è stata uno degli obiettivi principali dello spettacolo. Durante la sessione principale del CEO, Tony Kawai di TEL ha esposto una parte significativa dell’attenzione dell’azienda alla sostenibilità, ma, cosa ancora più importante, Kawai ha annunciato un nuovo processo di incisione ad alto rapporto d’aspetto che riduce significativamente sia l’energia che la CO₂ impronta dell’incisione (Figura 2). L’attacco viene eseguito a temperature criogeniche e utilizza una chimica alternativa al processo attuale. Kawai ha affermato che l’incisione è 2,5 volte più veloce, utilizza il 43% in meno di energia e riduce le emissioni di gas serra dell’83%. Si tratta di un passo avanti significativo. Sarà interessante vedere il tasso di adozione di questo nuovo processo di attacco e ancora più interessante vedere se la nuova chimica dell’attacco sarà condivisa con altre società di attacco.

Prima di SEMICON West, EMD Electronics ha pubblicato un blog intitolato Investire in un futuro sostenibile dei semiconduttori: i materiali contano. Ha discusso delle emissioni di gas serra e di alcune delle sfide che stanno affrontando cercando di ridurre il GWP modificando i prodotti chimici.

Il fluorocarburo che scegli per incidere il tuo materiale può avere un impatto significativo sulle emissioni di gas serra della tua azienda. La Figura 3 mostra la durata di alcuni tipici fluorocarburi di attacco e il GWP delle molecole. Quindi, se si potesse sostituire il CF4 con il C4F6, si avrebbe un enorme impatto sulle emissioni di gas serra dell’industria dei semiconduttori. Il blog sull’elettronica EMD sottolinea che cambiare i prodotti chimici non è banale, ma bisogna pur iniziare da qualche parte e, per raggiungere gli obiettivi di neutralità del carbonio entro il 2030, un cambiamento dei prodotti chimici sarebbe di grande aiuto.

Sia i produttori di apparecchiature per semiconduttori che i produttori di chip raramente si toccano quando si tratta di modifiche o miglioramenti dei processi. Tuttavia, se sono seriamente intenzionati a collaborare per ridurre l’impronta di carbonio del settore, dovremmo iniziare a vedere un maggiore dialogo intersettoriale per quanto riguarda la rimozione dei gas serra dalle linee di produzione e il potenziale per la concessione di licenze incrociate della tecnologia per contribuire a ridurre l’impronta di gas serra. .

Sul fronte PFAS, come sostituire queste sostanze chimiche sta causando un po’ di confusione. I PFAS sono fondamentali per il processo dei semiconduttori e, sfortunatamente, si disperdono nell’ambiente. Al SEMICON West S3 Summit, Graphec, una startup S3, sta esaminando metodi per rimuovere PFAS dal flusso di rifiuti. Graphec fa passare il flusso di rifiuti attraverso un sistema elettrochimico che i suoi studi su scala di laboratorio eliminano circa il 77% dei materiali PFAS. Spero che i gruppi di venture capital S3 possano ampliare questa tecnologia con successo e rapidamente, non solo per l’industria dei semiconduttori ma anche per la rimozione dei PFAS dall’ambiente.

L’industria dei semiconduttori è sempre stata una fonte di innovazione per la creazione di nuovi processi e tecnologie. È bello vedere che l’industria sta applicando le sue risorse innovative per risolvere non solo i problemi legati ai gas serra e ai flussi di rifiuti delle industrie dei semiconduttori, ma anche guardando alle questioni più ampie relative ai gas serra e ai materiali che tutti noi dobbiamo affrontare.