Đã đến lúc: Sản xuất chất bán dẫn bền vững

Trong lịch sử, các hợp chất perfluorocarbon dễ bay hơi (PFC) đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất chất bán dẫn như một nguồn nguyên tử flo phản ứng được sử dụng để loại bỏ vật liệu trong quy trình khắc và vệ sinh buồng. Chúng ổn định và có xu hướng có tuổi thọ lâu dài trong khí quyển, khiến chúng trở thành khí nhà kính mạnh với tiềm năng tăng nhiệt cao.

Năm 1999, khá sớm trong lịch sử nhận thức về sự nóng lên toàn cầu, các nhà sản xuất chất bán dẫn cam kết giảm ít nhất 10% lượng phát thải PFC dưới mức cơ sở cho mỗi khu vực trong 10 năm tới. Đến năm 2010, họ đã đạt được mức giảm 32%, vượt xa mục tiêu ban đầu. Vào thời điểm đó, họ cam kết giảm thêm, nhằm mục tiêu tỷ lệ phát thải được chuẩn hóa (NER - kilogram CO2 e trên mỗi cm2 silicon) thấp hơn 30% so với mức cơ bản năm 2010.

Đến năm 2020, họ đã đạt được mức giảm 22,9%, mặc dù các sản phẩm ngày càng phức tạp với nhiều lớp hơn và các quy trình khắc tiên tiến sử dụng khí mới. WSC hiện đang làm việc để thiết lập một mục tiêu giảm PFC trong 10 năm mới sẽ ước tính phát thải bằng cách sử dụng các phương pháp mới nhất năm 2019 từ IPCC. (HÌNH 1). Câu chuyện PFC cung cấp một ví dụ tuyệt vời về những thách thức gặp phải trong việc tìm kiếm giải pháp cho các vấn đề môi trường phức tạp.

Thành công trong việc giảm phát thải PFC có hai thành phần chính: chuyển đổi sang NF3 không chứa PFC cho nhiều ứng dụng vệ sinh buồng và áp dụng các công nghệ xử lý có thể phá hủy khí PFC chưa tiêu thụ thoát khỏi buồng xử lý. PFC có thể bị phá hủy bằng máy đốt plasma hoặc nhiên liệu. Plasma có ưu điểm là không thêm phát thải carbon từ nhiên liệu đốt cháy. Tuy nhiên, trong thực tế, lựa chọn công nghệ thường được thúc đẩy bởi chi phí tương đối và tính khả dụng của điện so với khí nhiên liệu.

Ngay cả khi có điện và tiết kiệm chi phí, nguồn điện đó, tức là than hoặc năng lượng tái tạo, cũng phải được xem xét trong tính toán không phát thải carbon net Phạm vi 2. Giải pháp này còn phức tạp hơn nữa do thiết kế của buồng đốt. Mặc dù bản thân NF3 không chứa carbon, nhưng việc đốt cháy nó trong ngọn lửa hở của nhiên liệu hydrocacbon có thể tạo ra PFC.

Vấn đề bắt nguồn từ sự thay đổi nhiệt độ rộng trên ngọn lửa trần, và giải pháp nằm ở một đầu đốt được thiết kế đặc biệt, được gọi là bộ đốt cháy bên trong, duy trì nhiệt độ đồng nhất hơn ở các khu vực quan trọng và tách phần lớn nhiên liệu chứa cacbon khỏi khí quy trình.

Các nhà sản xuất chất bán dẫn từ lâu đã nhạy cảm với nhu cầu năng lượng lớn của quy trình sản xuất, nếu không phải từ góc độ môi trường, thì từ góc độ chi phí. Hầu hết các ước tính cho thấy tỷ lệ năng lượng được sử dụng bởi thiết bị xử lý chỉ dưới một nửa tổng năng lượng được sử dụng bởi một nhà máy sản xuất. Khoảng một nửa trong số đó được sử dụng bởi các máy bơm được sử dụng để duy trì điều kiện chân không cần thiết cho nhiều quy trình vận hành.

Các nhà sản xuất bơm đã liên tục cải thiện hiệu quả năng lượng của sản phẩm kể từ những ngày đầu của ngành. Các cơ chế mới, tốc độ trục cao hơn, công nghệ biến tần và vật liệu mới đều đã góp phần. Phần lớn trái cây treo thấp đã được thu hoạch từ lâu, nhưng một số khu vực vẫn có thể cải thiện hơn nữa.

Một trong những điều hứa hẹn nhất là việc thực hiện hoạt động chế độ không hoạt động, đôi khi được gọi là chế độ xanh, trong đó bơm được đưa vào trạng thái công suất thấp khi quy trình mà bơm phục vụ không hoạt động. Thách thức lớn nhất là sự phối hợp chặt chẽ cần thiết giữa thiết bị xử lý trong nhà máy và máy bơm trong SubFab.

Các công nghệ đã tồn tại để hỗ trợ sự phối hợp này và một số trở ngại đối với việc triển khai phải được quy cho sự miễn cưỡng của người vận hành để thay đổi bất kỳ khía cạnh nào của hoạt động sản xuất hàng loạt năng suất cao. Hoạt động chế độ xanh có thể giúp giảm phát thải khí nhà kính trong thời gian ngắn mà không cần thay đổi cơ bản về sản xuất đang diễn ra.

Thật không may, các quy trình khác hiện đang trực tuyến tại các nút tiên tiến có tiềm năng tăng đáng kể mức tiêu thụ năng lượng, trong số đó là quang điện EUV sử dụng công suất gấp khoảng 10 lần so với quang điện ngâm 193nm thông thường. Có các yếu tố bù đắp, chẳng hạn như giảm số lượng bước xử lý. Tuy nhiên, một phân tích IMEC [4] ước tính tăng 3,46 lần tiêu thụ điện năng và tăng 2,5 lần lượng phát thải khí nhà kính trên mỗi tấm wafer khi chuyển từ nút 28nm sang nút 2nm.

Nhà sản xuất đầu tiên triển khai công nghệ quang điện EUV trong sản xuất khối lượng lớn, một nhà máy đúc lớn, đã thấy mức tiêu thụ năng lượng chuẩn hóa (KWH trên mỗi lớp mặt nạ wafer tương đương 8 inch) tăng hơn 25%, lên 12,5KWH vào năm 2019 sau khi di chuyển vài năm dưới 10KWH.

Mặc dù xu hướng trong sản xuất chất bán dẫn rõ ràng là một trong những xu hướng tăng tiêu thụ điện năng (HÌNH 3), nhưng giải pháp cũng rõ ràng như vậy. Tiêu thụ năng lượng phải chuyển sang các nguồn tái tạo.

Đây là một giải pháp không bị mất cho các nhà sản xuất lớn. Năm 2020, cùng một nhà máy đúc đã ký thỏa thuận mua năng lượng tái tạo lớn nhất thế giới, một thỏa thuận 20 năm mua tất cả năng lượng từ một trang trại điện gió ngoài khơi 920 megawatt đang được xây dựng gần đó, và cam kết sử dụng 100% năng lượng tái tạo vào năm 2050. [6]. IDM lớn nhất của Hoa Kỳ đã cam kết sử dụng 100% năng lượng tái tạo vào năm 2030. Những người chơi lớn khác đã thực hiện các cam kết tương tự, tuy nhiên, như mọi khi, ma quỷ nằm ở chi tiết.

Các kết luận dựa trên bằng chứng của IPCC rất rõ ràng: con người đang làm ấm lên môi trường. Dự đoán của họ là khủng khiếp, và chi phí không hành động, về mặt con người và kinh tế, vượt xa chi phí giảm thiểu. Mặc dù ngành công nghiệp bán dẫn ngày nay không phải là một trong những công ty phát thải khí nhà kính lớn nhất, nhưng lượng khí thải của chúng tôi là đáng kể và đang phát triển nhanh chóng.

Có các biện pháp có thể giúp giảm phát thải khí nhà kính trong thời gian ngắn từ quy trình sản xuất chất bán dẫn, bao gồm giảm PFC được thiết kế tốt và vận hành bơm chân không chế độ xanh. Cho đến nay, sự thay đổi quan trọng nhất là sự chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo trong toàn ngành và trong toàn bộ chuỗi cung ứng. Khi Hoa Kỳ trở lại Thỏa thuận Paris, hội nghị các bên một lần nữa bao gồm tất cả các cường quốc kinh tế lớn. Chúng ta phải yêu cầu sự lãnh đạo phối hợp và cam kết tài chính từ các nhà lãnh đạo quốc gia của mình và tiếp tục làm việc ở tất cả các cấp, từ địa phương đến toàn cầu, để giảm phát thải khí nhà kính.

DR. CZERNIAK là Giám đốc Phát triển Kinh doanh Giải pháp Môi trường tại Edwards Vacuum, nơi trong một sự nghiệp lâu dài, ông đã từng đảm nhiệm một số vị trí lãnh đạo. Ông cũng là một giáo sư công nghiệp thăm quan về hóa học tại Đại học Bristol và là đại diện ngành công nghiệp bán dẫn tại IPCC, với vai trò là người đánh giá báo cáo đánh giá gần đây (AR6).