Czas na zrównoważoną produkcję półprzewodników

W przeszłości lotne związki perfluorowęglowodorowe (PFC) odgrywały ważną rolę w produkcji półprzewodników jako źródło reaktywnych atomów fluoru używanych do usuwania materiału w procesach trawienia i czyszczenia komory. Są stabilne i mają tendencję do długiego życia w atmosferze, dzięki czemu są silnymi gazami cieplarnianymi o wysokim potencjale ocieplenia.

W 1999 roku, dość wcześnie w historii świadomości globalnego ocieplenia, producenci półprzewodników zobowiązali się do zmniejszenia emisji PFC o co najmniej 10% poniżej wartości bazowych dla każdego regionu w ciągu najbliższych 10 lat. Do roku 2010 osiągnęli oni spadek o 32%, znacznie przekraczając pierwotny cel. W tym czasie ponownie zobowiązali się do dalszych redukcji, dążąc do osiągnięcia znormalizowanego wskaźnika emisji (NER - kilogramy CO2 e na cm2 krzemu) o 30% niższego niż poziom wyjściowy z 2010 r.

Do 2020 roku osiągnęli oni spadek o 22,9%, pomimo coraz bardziej złożonych produktów z większą liczbą warstw i zaawansowanych procesów trawienia wykorzystujących nowe gazy. WSC pracuje obecnie nad ustanowieniem nowego 10-letniego celu redukcji PFC, który będzie szacować emisje przy użyciu najnowszych metodologii IPCC z 2019 roku. (RYSUNEK 1). Historia PFC jest doskonałym przykładem wyzwań, z którymi trzeba się zmierzyć w poszukiwaniu rozwiązań złożonych problemów środowiskowych.

Sukces w zmniejszaniu emisji PFC miał dwa główne składniki: przejście na NF3 bez PFC w wielu zastosowaniach czyszczenia komory oraz wdrożenie technologii oczyszczania, które mogłyby zniszczyć niezużyte gazy PFC, które opuszczały komorę technologiczną. PFC mogą być niszczone przez palnik plazmowy lub oparty na paliwie. Plazma ma tę zaletę, że nie dodaje emisji dwutlenku węgla ze spalania paliwa. Jednak w praktyce wybór technologii często zależy od względnych kosztów i dostępności energii elektrycznej w porównaniu z gazem opałowym.

Nawet jeśli energia elektryczna jest dostępna i opłacalna, źródło tej energii, tj. węgiel lub energia odnawialna, musi być również brane pod uwagę w obliczeniach zerowej emisji dwutlenku węgla w zakresie 2. Rozwiązanie jest jeszcze bardziej skomplikowane ze względu na konstrukcję palnika. Chociaż sam NF3 nie zawiera węgla, spalanie go w otwartym ogniu węglowodorowego paliwa może tworzyć PFC.

Problem wynika z dużych wahań temperatury w otwartym płomieniu, a rozwiązaniem jest specjalnie zaprojektowany palnik, zwany palnikiem palonym do wewnątrz, który utrzymuje bardziej jednorodną temperaturę w obszarach krytycznych i w dużej mierze oddziela paliwo zawierające węgiel od gazów procesowych.

Producenci półprzewodników od dawna są wrażliwi na duże zapotrzebowanie na moc w swoich procesach produkcyjnych, jeśli nie z perspektywy środowiskowej, to z perspektywy kosztów. Większość szacunków wskazuje, że udział energii zużywanej przez urządzenia technologiczne wynosi nieco mniej niż połowę całkowitego zużycia energii przez fabrykę. Około połowa z nich jest wykorzystywana przez pompy używane do utrzymania warunków próżni wymaganych do działania wielu procesów.

Producenci pomp nieustannie poprawiają efektywność energetyczną swoich produktów od początku istnienia branży. Przyczyniły się do tego nowe mechanizmy, wyższe prędkości obrotowe wału, technologia falowników i nowe materiały. Wiele nisko zawieszonych owoców zostało zebranych dawno temu, ale niektóre obszary nadal wymagają poprawy.

Jednym z najbardziej obiecujących jest wdrożenie trybu bezczynności, czasami nazywanego trybem zielonym, w którym pompa przechodzi w stan niskiej mocy, gdy proces, który obsługuje, jest bezczynny. Największym wyzwaniem jest ścisła koordynacja wymagana między urządzeniami technologicznymi w zakładzie a pompami w podzakładzie.

Istnieją już technologie wspierające tę koordynację, a część oporu wobec jej wdrożenia należy przypisać niechęci operatorów do zmiany jakiegokolwiek aspektu wysokowydajnej produkcji wielkoseryjnej. Operacje w trybie ekologicznym mogłyby zapewnić krótkoterminową redukcję emisji gazów cieplarnianych bez konieczności wprowadzania fundamentalnych zmian w bieżącej produkcji.

Niestety, inne procesy wprowadzane teraz do zaawansowanych węzłów mogą znacznie zwiększyć zużycie energii, w tym litografia EUV, która zużywa około 10 razy więcej energii niż konwencjonalna litografia zanurzeniowa 193 nm. Istnieją czynniki kompensujące, takie jak zmniejszenie liczby etapów obróbki. Mimo to analiza IMEC [4] szacuje wzrost zużycia energii o 3,46 i 2,5-krotny wzrost emisji gazów cieplarnianych na płytkę przechodzącą z węzła 28 nm do węzła 2 nm.

Pierwszy producent, który wdrożył litografię EUV w produkcji wielkoseryjnej, duży odlewnia, zaobserwował wzrost znormalizowanego zużycia energii (KWH na 8-calową ekwiwalentną warstwę maski płytkowej) o ponad 25%, do 12,5 KWH w 2019 r. po kilku latach, gdy spadło ono tuż poniżej 10 KWH.

Chociaż tendencja w produkcji półprzewodników jest wyraźnie związana ze wzrostem zużycia energii (RYSUNEK 3), rozwiązanie jest równie oczywiste. Zużycie energii musi przejść na źródła odnawialne.

Jest to rozwiązanie, którego nie tracą wiodący producenci. W 2020 roku ta sama odlewnia podpisała największą na świecie umowę zakupu energii odnawialnej, 20-letnią umowę kupna całej energii z pobliskiej 920-megawatowej przybrzeżnej farmy wiatrowej i zobowiązała się do wykorzystania 100% energii odnawialnej do 2050 roku. [6]. Największa amerykańska firma IDM zobowiązała się do 2030 roku do stosowania w 100% energii odnawialnej. Inni ważni gracze podjęli podobne zobowiązania, ale jak zawsze diabeł tkwi w szczegółach.

Wnioski IPCC oparte na dowodach są jednoznaczne: ludzie powodują ocieplenie środowiska. Jego prognozy są straszne, a koszty braku działań, zarówno ludzkich, jak i ekonomicznych, znacznie przewyższają koszty łagodzenia skutków. Chociaż branża półprzewodników nie jest obecnie jednym z największych emiterów gazów cieplarnianych, nasze emisje są znaczne i szybko rosną.

Istnieją środki, które mogą zapewnić krótkoterminową redukcję emisji gazów cieplarnianych z procesu produkcji półprzewodników, w tym dobrze zaprojektowana redukcja PFC i eksploatacja pompy próżniowej w trybie ekologicznym. Zdecydowanie najważniejszą zmianą jest przejście na odnawialne źródła energii w całej branży i w całym łańcuchu dostaw. Po powrocie Stanów Zjednoczonych do porozumienia paryskiego konferencja stron ponownie obejmuje wszystkie główne mocarstwa gospodarcze. Musimy wymagać skoordynowanego przywództwa i zobowiązań finansowych od naszych liderów krajowych i kontynuować pracę na wszystkich poziomach, od lokalnego po globalny, w celu zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych.

DR CZERNIAK jest kierownikiem ds. rozwoju biznesowego w dziale rozwiązań środowiskowych w firmie Edwards Vacuum, gdzie w ciągu długiej kariery pracował na wielu stanowiskach kierowniczych. Jest również profesorem chemii przemysłowej na Uniwersytecie w Bristolu oraz przedstawicielem przemysłu półprzewodnikowego w IPCC, w którym uczestniczył jako recenzent niedawnego raportu oceniającego (AR6).