Nachhaltigkeit in der Halbleiterei Wie können wir die Belastung der Umwelt bei der Chipherstellung reduzieren?

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imec Interuniversity Micro Electronics Centre

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Der Boom der Halbleiterindustrie treibt nicht nur Innovation, sondern auch Emissionen in die Höhe. Simulationen zeigen, wie neue Technologien helfen können, CO₂, Wasser- und Ressourcenverbrauch messbar zu senken.

Die Halbleiterindustrie expandiert in einem beispiellosen Tempo. Der globale Chipmarkt, der 2024 einen Umsatz von 627,6 Milliarden US-Dollar erzielte, wird voraussichtlich bis 2030 über eine Billion US-Dollar erreichen, angekurbelt durch die Nachfrage aus Rechenzentren, der drahtlosen Kommunikation und Automobilanwendungen. Gleichzeitig verstärkt das Wachstum der KI-Infrastruktur diesen Trend, da die Chips, die KI-Modelle antreiben, erheblich zu den Emissionen beitragen – sie machen 30 Prozent des gesamten CO₂-Fußabdrucks in KI-gesteuerten Rechenzentren aus. Diese rasante Expansion trägt zu den bestehenden Umweltbedenken bei.

Die Halbleiterfertigung gehört zu den ressourcenintensivsten Branchen und erfordert große Mengen an Energie, Wasser und Chemikalien. Allein die Produktion von integrierten Schaltkreisen (ICs) verursacht jährlich 185 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalent-Emissionen und trägt damit wesentlich zum globalen CO₂-Fußabdruck bei. Der Einsatz verschiedener Chemikalien in der Halbleiterfertigung führt zu Treibhausgasemissionen und langfristiger Umweltverschmutzung. Weiterhin ist die Branche bei der Waferherstellung auf einen hohen Wasserverbrauch angewiesen und produziert gefährliche chemische Abfälle, was die Umweltressourcen weiter belastet. Da die Nachfrage nach hochentwickelten Chips steigt, ist es von entscheidender Bedeutung, diese Nachhaltigkeitsherausforderungen anzugehen, um die Bedeutung des Sektors für die allgemeine Klimawandelproblematik zu verringern.

In diesem Artikel analysieren wir verschiedene simulierte Nachhaltigkeitsszenarien und zeigen Beispiele aus der Praxis für die Reduzierung der Umweltauswirkungen bei Lithografie-, Ätz- und Nassprozessen. Die Simulationen wurden mit dem Framework von imec.netzero durchgeführt, das die Prozesse mit dem höchsten CO₂-Fußabdruck identifizieren, Ineffizienzen aufzeigen und gezielte Verbesserungen vorschlagen kann. Durch die Kombination von Modellierungserkenntnissen mit Daten aus der realen Welt zeigen wir umsetzbare Strategien auf, die zu einer Reduzierung der Emissionen, des Wasserverbrauchs und des Ressourcenverbrauchs in der gesamten Halbleiterfertigung führen können.

Einordnung von Emissionen nach Bereichen

Die Halbleiterindustrie trägt aufgrund ihres hohen Energieverbrauchs und des umfangreichen Einsatzes von Prozessgasen und -materialien erheblich zu den Treibhausgasemissionen bei. Diese Emissionen stammen aus direkten Prozessemissionen, dem Stromverbrauch und der Lieferkette. Um sie systematisch zu bewerten, klassifiziert das Greenhouse Gas (GHG) Protocol die Emissionen in drei Bereiche: Scope 1 (direkte Emissionen aus Prozessgasen), Scope 2 (indirekte Emissionen aus dem Stromverbrauch) und Scope 3 (vor- und nachgelagerte Emissionen aus Materialien und Ausrüstung).

Die Quantifizierung der Emissionen in CO₂-Äquivalenten bietet eine einheitliche Messgröße für den Vergleich der Umweltauswirkungen verschiedener Halbleiterprozesse und stellt sicher, dass alle wesentlichen Emissionsquellen bei der Entwicklung von Nachhaltigkeitsstrategien berücksichtigt werden.

Reduzierung der Scope-2-Emissionen in der Lithografie

Mit der Weiterentwicklung der Halbleitertechnologien steigt auch der Energiebedarf für die Herstellung jedes einzelnen Wafers kontinuierlich an. Ein Vergleich der Auswirkungen von N28- und N2-Logik-Knoten zeigt, dass ein fortschrittlicher N2-Logik-Knoten pro Wafer etwa 1.600 kg CO₂-Äquivalent erzeugt, wobei allein Trockenätzen und Lithografie fast 40 Prozent der Gesamtemissionen ausmachen.

Die Modellierung auf Prozessebene zeigt darüber hinaus, dass der Stromverbrauch der Lithografie mit jedem Technologieknoten steigt, was auf den hohen Energiebedarf moderner Belichtungsgeräte und die zunehmende Komplexität der erforderlichen Strukturierungsschritte zurückzuführen ist. Infolgedessen machen die Scope-2-Emissionen aus dem Stromverbrauch mittlerweile 60 Prozent des gesamten CO₂-Fußabdrucks aus, was den Bedarf an energieeffizienten Prozessinnovationen und kohlenstoffarmen Energiequellen deutlich macht.

Eine effektive Strategie zur Emissionsreduzierung bei der Patterning-Technologie ist der Übergang zur Extrem-Ultraviolett-Lithografie (EUV), bei der viele der bei der Tief-Ultraviolett-Lithografie (DUV) erforderlichen Multi-Patterning-Schritte entfallen. Eine Analyse der Herstellung von N7-Logik-Knoten zeigt beispielsweise, dass die Umstellung von einem 193i-basierten Prozess auf einen EUV-basierten Prozess den Energieverbrauch pro Wafer erheblich senkt und damit die Gesamtemissionen reduziert. Trotz dieser Vorteile bleibt die Lithografie jedoch einer der energieintensivsten Schritte in der Halbleiterfertigung und muss weiter optimiert werden.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Reduzierung der Belichtungsdosis – die Minimierung der Energie, die für die Belichtung des Fotolacks erforderlich ist, bei Beibehaltung der erforderlichen Belichtungsleistung. Eine Verringerung der Belichtungsdosis verbessert den Durchsatz der Anlagen (Wafer pro Stunde) und senkt damit den Gesamtenergieverbrauch pro Wafer. Durch die Optimierung der Resistmaterialien und Prozessbedingungen konnte imec eine Reduzierung der Belichtungsdosis um 18 Prozent für ein 28-nm-Pitch-Muster (beispielhaft für den N5-Logik-Knoten von imec) erzielen. Dies reduziert nicht nur die Scope-2-Emissionen, sondern senkt auch den Gesamtressourcenverbrauch.

Es geht nicht nur um Emissionen

Der Scope 1-3-Rahmen bietet zwar eine strukturierte Methode zur Kategorisierung von Emissionen, vermittelt jedoch nicht immer ein vollständiges Bild der Umweltauswirkungen einzelner Prozessoptimierungen. Es ist wichtig, bei der Optimierung eines Faktors zu vermeiden, dass sich die Umweltbelastung verlagert. Am konkreten Beispiel der Lithografie geht es bei der Verringerung der Umweltauswirkungen nicht nur um die Reduzierung der Scope-2-Emissionen, die durch den Stromverbrauch entstehen, sondern auch um Faktoren wie Materialkreislauf und Ressourcenverbrauch.

Durch die Einbeziehung des Materialverbrauchs und des Wasserverbrauchs neben den Emissionen lassen sich verschiedene Strategien nebeneinander bewerten, insbesondere bei komplexen Schritten wie bei der Lithografie, in der Energieverbrauch, Chemikalienauswahl und Durchsatz voneinander abhängig sind.

Reduzierung der Scope-1-Emissionen beim Trockenätzen

Da die Halbleiterindustrie schrittweise auf umweltfreundlichere Energiequellen wie Solar-, Wind- und kohlenstoffarme Stromnetze umstellt, sinken die Emissionen aus dem Stromverbrauch (Scope 2). Durch diese Umstellung werden jedoch direkte Prozessemissionen aus Gasen (Scope 1) zum dominierenden Faktor für den CO₂-Fußabdruck der Halbleiterfertigung. Bei einem N2-Logik-Knoten ist das Trockenätzen die größte Quelle für Scope-1-Emissionen, was in erster Linie auf die Verwendung von Gasen mit hohem Treibhauspotenzial (GWP) wie CF4 und NF3 zurückzuführen ist. Durch Emissionsminderungsmaßnahmen können diese Emissionen zwar um den Faktor 10 reduziert werden, CF4 bleibt jedoch aufgrund seiner geringen Destruction and Removal Efficiency (DRE) während der Emissionsminderung eine große Herausforderung.

Es gibt drei grundlegende Strategien zur Reduzierung von Trockenätzemissionen:

• Verringerung der Emissionen: Eine einfache Lösung, die jedoch Restemissionen hinterlässt und einen eigenen Energie- und Material-Fußabdruck mit sich bringt.

• Optimierung von Prozessrezepturen: Ein komplexerer, aber effektiverer Ansatz, der den Gasverbrauch an der Quelle reduziert.

• Umstellung auf alternative Gase mit niedrigem Treibhauspotenzial: Eine langfristige Lösung, die zwar erhebliche Entwicklungsanstrengungen erfordert, jedoch ein hohes Wirkungspotenzial aufweist.

Als Beispiel für die Rezepturoptimierung hat imec das Transient Assisted Processing (TAP) entwickelt, eine neuartige Ätztechnik, die den Prozessgasverbrauch reduziert. Im Gegensatz zum herkömmlichen reaktiven Ionenätzen (RIE), bei dem Gase kontinuierlich strömen, werden beim TAP extrem kurze, kontrollierte Gasimpulse eingesetzt, wodurch das Restgas in der Kammer effizienter genutzt werden kann. Bei Anwendung auf einen Hard-Mask-Open-Prozess konnte TAP zwei von drei Gasen mit hohem Treibhauspotenzial vollständig eliminieren und den CF4-Verbrauch im Vergleich zum ursprünglichen Prozess um 98 Prozent reduzieren, wodurch die Scope-1-Emissionen deutlich gesenkt wurden.

Die erste Umweltbewertung ergab jedoch unbeabsichtigte Kompromisse: Während die Scope-1-Emissionen sanken, führte die längere Prozesszeit zu einem höheren Scope-2-Energie- und Materialverbrauch, was insgesamt zu einer höheren Umweltbelastung führte. Ein hybrider Ansatz, bei dem TAP mit RIE für die dickste Schicht kombiniert wurde, stellte den Gesamtdurchsatz wieder her und hielt gleichzeitig den geringeren Prozessverbrauch der Gase mit hohem GWP aufrecht.

Dieser Fall verdeutlicht die Bedeutung umfassender Nachhaltigkeitskennzahlen. Während Scope-1-3-Rahmenwerke Emissionsquellen genau identifizieren, gewährleistet eine ausgewogene Betrachtung, dass Optimierungen tatsächlich zu einer Verringerung der Gesamtumweltbelastung führen und nicht lediglich zu einer Verlagerung der Belastung an anderer Stelle.

Bekämpfung von Scope-3-Emissionen durch Senkung des Materialverbrauchs

Mit dem Übergang der Branche zu niedrigem CO₂-Ausstoß und der Umsetzung wirksamer Emissionsminderungsmaßnahmen werden die Scope-3-Emissionen einen größeren Anteil am Gesamt-CO₂-Fußabdruck ausmachen. Die Halbleiterindustrie ist auf eine Vielzahl kritischer Materialien angewiesen, darunter Silizium, Kupfer und Seltenerdelemente, die alle einer steigenden Nachfrage sowohl aus der Elektronikbranche als auch aus dem Bereich der grünen Technologien (z. B. Windkraftanlagen, Photovoltaik und Elektrofahrzeuge) ausgesetzt sind. Dieser Wettbewerb um Materialien erhöht den Druck auf die Lieferkette und trägt durch die energieintensiven Prozesse bei der Gewinnung, dem Transport und der Verarbeitung dieser Materialien zu Scope-3-Emissionen bei.

Ebenso verbraucht die Halbleiterfertigung selbst große Mengen an Chemikalien und ultrareinem Wasser (UPW), was zu den Scope-3-Emissionen beiträgt. Simulationen für einen N2-Logik-Knoten zeigen, dass die Nassbearbeitung den Materialverbrauch dominiert und ~50 Prozent des gesamten Chemikalienverbrauchs pro Wafer sowie einen Großteil des UPW-Verbrauchs ausmacht. Angesichts dessen bietet die Reduzierung des Materialverbrauchs in Nassprozessen eine große Chance zur Verringerung der Scope-3-Auswirkungen.

Der Reinigungsprozess der Waferrückseite bietet etwa eine Möglichkeit zur Verbesserung der Materialeffizienz. Diese Methode, die traditionell als SCROD (Single-Wafer-Spin-Cleaning mit wiederholter Verwendung von ozonisiertem Wasser und verdünnter HF) bekannt ist, wird seit über 30 Jahren eingesetzt und basiert auf einem zyklischen Oxidations-Ätzprozess. Dieser Prozess ist zwar effektiv, erfordert jedoch einen hohen Verbrauch an Chemikalien und ultrareinem Wasser (UPW).

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte imec das HydroFluorierte Ozonierte Mixtur (FOM) Reinigungsverfahren; einen effizienteren, einstufigen und selbstlimitierenden Prozess, der durch Zeit, Temperatur und chemische Konzentration gesteuert wird. Tests haben gezeigt, dass FOM Clean in Bezug auf Siliziumverlust, Partikelentfernung und Oberflächenrauheit eine ähnliche Leistung wie das SCROD-Verfahren erzielt. Es bietet jedoch erhebliche Vorteile in Bezug auf die Nachhaltigkeit, da es den Ressourcenverbrauch deutlich reduziert, darunter eine Halbierung des Wasserverbrauchs, und dank seiner schnelleren Verarbeitungszeit den Durchsatz erhöht.

Der reduzierte ökologische Fußabdruck von FOM ist auf Verbesserungen in mehreren Wirkungskategorien zurückzuführen, darunter Scope-3-Emissionen (durch geringeren Chemikalien- und Wasserverbrauch), Scope-2-Emissionen (durch reduzierten Energieverbrauch) und ADP (durch geringeren Verbrauch natürlicher Ressourcen).

Umstellung auf Kreislaufwirtschaft: Wiederverwendung und Recycling

Über die Reduzierung des absoluten Materialverbrauchs hinaus kann die Verbesserung der Kreislaufwirtschaft – beispielsweise durch das Recycling von Chemikalien oder die Wiederverwendung von ultrareinem Wasser – die Nachhaltigkeit weiter vorantreiben und die Abhängigkeit vom Markt verringern.

Die Lieferkette für Halbleiter umfasst verschiedene Stufen, von den in Geräten und Bauteilen verbauten Rohstoffen bis zu den in Fabriken, bei der Auftragsfertigung und in den Endprodukten verbrauchten Materialien. Jede dieser Stufen bietet konkrete Möglichkeiten zur Verbesserung der Materialkreislaufwirtschaft. Maßnahmen wie die Rückgewinnung und Wiederverwendung vor Ort, die Rückgewinnung von Materialien außerhalb des Standorts und das Recycling von Verpackungsmaterialien können Abfall erheblich reduzieren, wertvolle Ressourcen schonen und dazu beitragen, den Druck auf die Rohstoffversorgung in der Lieferkette zu verringern.

Die Verbesserung der Materialkreislaufwirtschaft in der Halbleiterfertigung kann den steigenden Bedarf an endlichen Ressourcen (Kupfer, Kobalt und seltene Erden) verringern und letztlich die Scope-3-Emissionen reduzieren. Durch das Recycling und die Wiederverwendung kritischer Materialien innerhalb der Lieferkette kann die Branche ihre Abhängigkeit von der Rohstoffgewinnung und -verarbeitung verringern und so sowohl der Ressourcenknappheit als auch den Emissionen entgegenwirken.

Es ist unerlässlich, Prozessänderungen auf Fabrik- oder Prozessebene in Verbindung mit Strategien zur Aufrechterhaltung einer hohen Ausbeute zu berücksichtigen. Selbst geringfügige Verluste bei der Ausbeute können zu erheblichen Emissionssteigerungen führen. In einem hochmodernen N2-Logik-Knoten beispielsweise führt ein Ausbeuteverlust von 2 Prozent bei einem großen Chip zu CO₂-Äquivalentemissionen in Höhe von etwa 42 Tonnen – das Dreifache der gesamten Pro-Kopf-Emissionen in den USA im Jahr 2023. Angesichts eines nachhaltigen Pro-Kopf-Ziels von etwa 2 Tonnen CO₂-Äquivalent pro Jahr ist die Optimierung der Ausbeute entscheidend für die Minimierung der Umweltbelastung. Die Aufrechterhaltung einer hohen Ausbeute bei gleichzeitiger Umsetzung nachhaltiger Praktiken stellt sicher, dass Emissionsreduktionen sinnvoll sind und nicht versehentlich durch einen erhöhten Ressourcenverbrauch ausgeglichen werden.

Chancen und Hindernisse für Nachhaltigkeit in der Halbleiterindustrie

Die Halbleiterindustrie kann ihre Umweltbelastung erheblich reduzieren, indem sie sich auf mehrere Schlüsselstrategien konzentriert. Zunächst ist es entscheidend, Effizienzpotenziale auf Prozessebene zu identifizieren und auf kohlenstoffarme Energiequellen umzustellen. Zweitens können klimabewusste Verfahren sowie Möglichkeiten zur Reduzierung, Wiederverwendung und zum Recycling von Materialien die Nachhaltigkeit entlang der gesamten Lieferkette weiter vorantreiben.

Allerdings gibt es Hindernisse. Die Kosten für Veränderungen stellen eine erhebliche Herausforderung dar. Um diese zu überwinden, ist es notwendig, bereits in einer frühen Entwicklungsphase umweltfreundlichere Prozesse einzuführen und Mittel für neue Ansätze zu budgetieren. Eine weitere Herausforderung ist die Notwendigkeit eines stärkeren Bewusstseins für die Umweltauswirkungen verschiedener Prozesse. Dies kann durch den Einsatz von Tools zur Quantifizierung und Kommunikation der Umweltleistung im gesamten Unternehmen erreicht werden.

Neben den Vorteilen für die Umwelt bringen diese Maßnahmen zur Nachhaltigkeit auch erhebliche Vorteile für die Halbleiterindustrie mit sich. So können etwa eine verbesserte Materialeffizienz und ein geringerer Energieverbrauch zu niedrigeren Betriebskosten führen. Dazu gehören potenzielle Einsparungen durch schnellere Verarbeitungszeiten, geringere Abhängigkeiten von Rohstoffen und eine effektivere Nutzung vorhandener Ressourcen. Die Optimierung des Ressourceneinsatzes reduziert außerdem Abfall und verbessert die Ausbeute, was sich direkt in Kosteneinsparungen niederschlägt. (sb)

Literatur

For a deeper dive into this topic, check out the keynote presentation by Emily Gallagher (imec) titled "Transformation: Climate-Aware IC Manufacturing" at the recent 2025 SPIE Advanced lithography + Patterning conference, Paper 13424-6.

You can find more details about EUV dose reduction in this research paper: Mihir Gupta, et al. “EUV dose reduction for pitch 28 nm line-space” SPIE Photomask Technology + EUV Lithography, 2024.

Stay tuned for more information about the hybrid TAP approach in the upcoming paper: A Fathzadeh, P Bezard, et al. – Transient –Assisted Processing: the path to sustainable patterning - Manuscript in preparation

Complementary to this article, you can find more information on imec’s efforts to reduce PFAS in photoresists and other lithographic processes in the 2025 SPIE Advanced lithography + Patterning conference, paper 13428-37.

* Emily Gallagher ist Programmdirektorin bei imec und konzentriert sich auf Nachhaltigkeit in der Halbleiterfertigung. Emily promovierte in Physik am Dartmouth College, wo sie sich mit Freie-Elektronen-Lasern befasste. Nach ihrem Abschluss begann sie bei IBM und vertiefte ihre Kenntnisse in der Halbleitertechnologie. Dort hatte sie verschiedene Positionen in der Waferfertigung inne, von der Funktionscharakterisierung bis zur Prozessintegration. Zuletzt leitete sie die Entwicklung von EUV-Masken. Sie kam 2014 zu imec, um ihre Arbeit im Bereich der EUV-Entwicklung fortzusetzen. Emily hat über 100 Fachartikel verfasst, hält rund 30 Patente, ist SPIE Fellow, Mitherausgeberin von JM3 und aktives Mitglied des Semiconductor Climate Consortium von SEMI und des PFAS Consortium.

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