De tijd is nu: duurzame productie van halfgeleiders

Vluchtige perfluorkoolstofverbindingen (PFC's) hebben in het verleden een belangrijke rol gespeeld in de productie van halfgeleiders als bron van reactieve fluoratomen die worden gebruikt om materiaal te verwijderen in ets- en kamerreinigingsprocessen. Ze zijn stabiel en hebben doorgaans een lange levensduur in de atmosfeer, waardoor ze krachtige broeikasgassen met een hoog opwarmingspotentieel zijn.

In 1999, vrij vroeg in de geschiedenis van het bewustzijn van de opwarming van de aarde, beloofden halfgeleiderfabrikanten om de uitstoot van PFC's de komende 10 jaar voor elke regio met ten minste 10% onder de referentiewaarden te verminderen. Tegen 2010 hadden ze een vermindering van 32% bereikt, ver boven het oorspronkelijke doel. Op dat moment zetten ze zich opnieuw in voor verdere verminderingen, waarbij ze streven naar een genormaliseerde emissiegraad (NER – kilogram CO2 e per cm2 silicium) die 30% lager ligt dan de basislijn van 2010.

Tegen 2020 hadden ze een daling van 22,9% bereikt, ondanks steeds complexere producten met meer lagen en geavanceerde etsprocessen die nieuwe gassen gebruiken. Het WSC werkt nu aan het vaststellen van een nieuwe PFC-reductiedoelstelling voor 10 jaar die de emissies zal schatten aan de hand van de nieuwste methodologieën van 2019 van het IPCC. (AFBEELDING 1). Het PFC-verhaal geeft een uitstekend voorbeeld van de uitdagingen bij het zoeken naar oplossingen voor complexe milieuproblemen.

Het succes bij het verminderen van PFC-emissies had twee belangrijke componenten: de overstap naar niet-PFC NF3 voor veel kamerreinigingstoepassingen en de invoering van bestrijdingstechnologieën die onverbruikte PFC-gassen die de proceskamer verlaten, kunnen vernietigen. PFC's kunnen worden vernietigd door een plasma- of brandstofbrander. Plasma heeft het voordeel dat er geen koolstofuitstoot van de verbrande brandstof wordt toegevoegd. In de praktijk wordt de technologiekeuze echter vaak bepaald door de relatieve kosten en beschikbaarheid van elektriciteit in vergelijking met brandstofgas.

Zelfs wanneer elektrische energie beschikbaar en kosteneffectief is, moet de bron van die energie, d.w.z. kolen of hernieuwbare energie, ook in aanmerking worden genomen bij de berekening van netto-nul koolstof Scope 2. De oplossing wordt nog ingewikkelder door het ontwerp van de brander. Hoewel NF3 zelf geen koolstof bevat, kan het verbranden ervan in een open vlam van koolwaterstofbrandstof PFC's veroorzaken.

Het probleem komt voort uit de grote temperatuurschommelingen over een open vlam en de oplossing ligt in een speciaal ontworpen brander, een zogenaamde inwaarts gestookte verbrandingskamer, die een uniformere temperatuur in de kritieke gebieden handhaaft en de koolstofhoudende brandstof grotendeels scheidt van de procesgassen.

Fabrikanten van halfgeleiders zijn al lang gevoelig voor de hoge stroomvereisten van hun productieprocessen, zo niet vanuit het oogpunt van het milieu, dan vanuit het oogpunt van de kosten. Volgens de meeste schattingen bedraagt het aandeel energie dat door procesapparatuur wordt verbruikt iets minder dan de helft van het totale verbruik van een fabriek. Daarvan wordt ongeveer de helft gebruikt door de pompen die worden gebruikt om de vacuümomstandigheden te handhaven die voor veel processen nodig zijn.

Pompfabrikanten hebben de energie-efficiëntie van hun producten sinds het begin van de industrie voortdurend verbeterd. Nieuwe mechanismen, hogere assnelheden, vermogensomzettertechnologie en nieuwe materialen hebben allemaal bijgedragen. Veel van de laaghangende vruchten zijn al lang geplukt, maar er zijn nog steeds gebieden waar verdere verbeteringen mogelijk zijn.

Een van de meest veelbelovende is de implementatie van een stationaire modus, soms de groene modus genoemd, waarbij de pomp in een lage vermogenstoestand wordt gezet wanneer het proces dat hij bedient stationair is. De grootste uitdaging is de nauwe coördinatie die nodig is tussen de procesapparatuur in de fabriek en de pompen in de subfab.

Er bestaan al technologieën ter ondersteuning van deze coördinatie en een deel van de weerstand tegen de implementatie ervan moet worden toegeschreven aan de terughoudendheid van operators om elk aspect van een productieproces met een hoge opbrengst en grote volumes te veranderen. Groene bedrijfsactiviteiten kunnen op korte termijn leiden tot een vermindering van de uitstoot van broeikasgassen zonder dat fundamentele veranderingen in de lopende productie nodig zijn.

Helaas hebben andere processen die nu online komen op geavanceerde nodes het potentieel om het stroomverbruik aanzienlijk te verhogen, waaronder EUV-lithografie, die ongeveer 10 keer zoveel stroom verbruikt als conventionele 193 nm-immersielithografie. Er zijn compenserende factoren, zoals een vermindering van het aantal verwerkingsstappen. Toch schatte een IMEC-analyse [4] een toename van het energieverbruik van 3,46 en een toename van de broeikasgasemissies per wafer van het 28nm-knooppunt naar het 2nm-knooppunt met 2,5 keer.

De eerste fabrikant die EUV-lithografie implementeerde in de productie van grote volumes, een grote gieterij, zag zijn genormaliseerde energieverbruik (KWH per 8-inch equivalente wafermaskerlaag) toenemen met meer dan 25%, tot 12,5 KWH in 2019, nadat het enkele jaren net onder 10 KWH lag.

Hoewel de trend in de productie van halfgeleiders duidelijk is dat het energieverbruik toeneemt (AFBEELDING 3), is de oplossing even duidelijk. Het energieverbruik moet overschakelen op hernieuwbare bronnen.

Het is een oplossing die niet verloren gaat bij grote fabrikanten. In 2020 ondertekende dezelfde gieterij 's werelds grootste aankoopovereenkomst voor hernieuwbare energie, een overeenkomst voor 20 jaar om alle energie te kopen van een offshore windpark van 920 megawatt dat in de buurt wordt gebouwd, en beloofde tegen 2050.100% hernieuwbare energie te gebruiken. [6]. Het grootste Amerikaanse IDM heeft zich in 2030 toegezegd op 100% hernieuwbare energie. Andere grote spelers hebben gelijkaardige toezeggingen gedaan, maar zoals altijd zit het duivel in de details.

De wetenschappelijk onderbouwde conclusies van het IPCC zijn ondubbelzinnig: de mens veroorzaakt de opwarming van de omgeving. De voorspellingen zijn slecht en de kosten van inactiviteit, zowel menselijk als economisch, overstijgen de kosten van beperking ver. Hoewel de halfgeleiderindustrie vandaag niet tot de grootste uitstoters van broeikasgassen behoort, zijn onze emissies aanzienlijk en groeien ze snel.

Er bestaan maatregelen die de broeikasgasemissies van het productieproces van halfgeleiders op korte termijn kunnen verlagen, waaronder goed ontworpen PFC-reductie en de werking van vacuümpompen in de groene modus. De veruit meest kritische verandering is de verschuiving naar hernieuwbare energiebronnen in de hele industrie en in de hele toeleveringsketen. Met de terugkeer van de Verenigde Staten naar het Akkoord van Parijs omvat de conferentie van partijen opnieuw alle grote economische machten. We moeten gecoördineerd leiderschap en financiële verbintenissen eisen van onze nationale leiders en blijven werken op alle niveaus, lokaal tot wereldwijd, om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen.

DR. CZERNIAK is Environmental Solutions Business Development Manager bij Edwards Vacuum, waar hij in de loop van zijn lange carrière eerder een aantal leidinggevende functies bekleedde. Hij is ook gastprofessor industriële scheikunde aan de universiteit van Bristol en vertegenwoordiger van de halfgeleiderindustrie bij het IPCC, waar hij deelnam als reviewer van het recente beoordelingsverslag (AR6).