Un futuro sostenibile per i semiconduttori

La sostenibilità è destinata a diventare un fattore sempre più importante all’interno dell’industria dei semiconduttori. Alcune grandi multinazionali, come Apple, Google e Microsoft, rappresentano importanti clienti finali in questo settore e si sono già impegnate a raggiungere zero emissioni per l’intera catena produttiva. Di conseguenza anche i produttori di semiconduttori, che costituiscono una parte sostanziale della supply chain, sono chiamati ad adottare una produzione più sostenibile e a ridurre le emissioni per soddisfare le richieste dei loro principali committenti.

I primi risultati di questo nuovo orientamento si cominciano già a intravedere. Intel si è recentemente impegnata ad azzerare le emissioni di gas serra entro il 2040 e si è posta come obiettivo intermedio l’utilizzo al 100% di energia rinnovabile entro il 2030. Un altro grande produttore di semiconduttori, Infineon, programma di ridurre le emissioni di gas serra del 70% entro il 2025 e punta a raggiungere la carbon neutrality entro la fine del 2030. Nei prossimi mesi o anni si prevede che un numero sempre maggiore di aziende produttrici di semiconduttori si impegneranno a ridurre le emissioni.

Nelle fabbriche di semiconduttori gran parte delle emissioni sono legate all’energia necessaria per far funzionare i grandi impianti: linee di produzione, forni ad alta temperatura, camere bianche di grandi dimensioni che richiedono il controllo del clima e dell’umidità, refrigeratori, purificatori dell’acqua e sistemi per l’abbattimento dei gas.
Altre emissioni derivano dai gas di processo utilizzati durante l’incisione dei wafer, la pulizia delle camere e altre attività. Questi gas includono PFC, HFC, NF3 e N20. Hanno un elevato potenziale di riscaldamento globale (GWP). Inoltre si prevede che il fabbisogno energetico negli impianti di produzione crescerà in modo significativo man mano che le dimensioni dei nodi dei chip continueranno a diminuire.

La riduzione dei consumi energetici nelle fabbriche di semiconduttori può avvenire sostituendo le attuali attrezzature di produzione con strumenti più efficienti dal punto di vista energetico e implementando sistemi di controllo intelligenti. Altre ottimizzazioni possono venire dall’uso esclusivo di energia da fonti rinnovabili, dalla maggiore efficienza energetica degli edifici che ospitano gli impianti produttivi e dalla sostituzione dell’illuminazione esistente nelle fabbriche con apparecchi a LED.

Per garantire che sia sempre disponibile una quantità sufficiente di energia, le fabbriche di semiconduttori spesso impiegano una combinazione di elettricità proveniente dalla rete elettrica e da fonti fuori rete. La maggior parte dell’energia off-grid è generata da centrali elettriche a combustibili fossili di proprietà delle fabbriche stesse. I produttori di semiconduttori possono ridurre significativamente il consumo energetico basato su questi sistemi obsoleti e passare a combustibili alternativi come il biogas o l’idrogeno verde, il fotovoltaico, le celle a combustibile e i sistemi di accumulo dell’energia delle batterie.

Per quanto riguarda la rete elettrica, le fabbriche possono scegliere di acquistare elettricità rinnovabile. In Europa e negli Stati Uniti, ad esempio, l’approvvigionamento da fonti rinnovabili è normalmente disponibile. Ma in molte parti dell’Asia l’approvvigionamento può essere difficile a causa della disponibilità limitata. L’accesso all’energia rinnovabile può diventare un fattore importante per la scelta del luogo dove costruire le prossime fabbriche ora che si cerca di aumentare la capacità produttiva per alleviare la carenza di chip attraverso la realizzazione di nuovi impianti per la produzione di semiconduttori.

Le emissioni di gas di processo variano in base al livello di aggiornamento dello stabilimento e alla tecnologia di abbattimento impiegata. I produttori di semiconduttori possono ridurre le emissioni regolando i parametri di processo, come la temperatura e la pressione della camera. Gli ingegneri di processo spesso trascurano questa ottimizzazione e si concentrano, invece, esclusivamente sul rendimento. Ulteriori riduzioni delle emissioni possono derivare dalla sostituzione delle sostanze chimiche inquinanti con prodotti che hanno un impatto ambientale inferiore.
Per ridurre le emissioni di gas i produttori possono anche catturare e raffinare i gas di processo e i sottoprodotti non utilizzati attraverso vari mezzi, come la separazione della membrana, il recupero criogenico, l’assorbimento e il desorbimento. Affinché questo recupero diventi economicamente praticabile, i ricercatori dovranno però sviluppare tecnologie più efficaci per la separazione dei flussi dei gas di processo e la purificazione.