ENGINEERINGNET.BE - Alors que la demande en puces électroniques plus sophistiquées augmente sous l’impulsion de l’IA, du secteur automobile et de l’infrastructure cloud, l’industrie des ‘chips’ doit, elle, réduire son empreinte. Cela concerne diverses émissions, la consommation d’eau mais aussi les produits chimiques nocifs comme les PFAS. Pour relever ce défi sans nuire à la rapidité d’innovation, il faut intégrer la durabilité dès la première ébauche d’un concept.
Le progrès technologique a un coût
Depuis l’observation de Gordon Moore - ‘le nombre de transistors sur une puce électronique double environ tous les deux ans – nous savons que l’innovation est la pierre angulaire du développement de l’industrie des puces. Celle-ci fournit à son tour les éléments constitutifs d’applications révolutionnaires dans divers domaines et est à l’origine de nombreuses success stories économiques. Les avancées en miniaturisation, performances et puissance de calcul ont considérablement façonné notre société moderne.
Cependant, les progrès s’accompagnent invariablement de conséquences environnementales importantes. La production croissante de puces demande énormément d’énergie, d’eau et de produits chimiques. L’utilisation croissante de puces, par exemple dans les centres de données énergivores, entraîne une empreinte écologique considérable. Les émissions liées à la fabrication de puces basée sur l’IA devraient atteindre 16 millions de tonnes de CO₂ en 2030. Un plus grand nombre de puces implique une consommation d’énergie et de matériaux plus importante, des émissions plus élevées et un impact plus important.
Comment en est-on arrivé là ? Les choix de conception dans la production de puces sont optimisés en fonction du rendement, de la capacité de traitement et de la stabilité. La durabilité est moins déterminante dans la phase de conception. Et une fois la technologie choisie pour la production, les ajustements deviennent difficiles. Même des changements incrémentiels peuvent entraîner des coûts élevés, des risques techniques et des longs délais de qualification. La solution ? Ne pas traiter la durabilité comme un défi distinct mais l’intégrer dès les premières phases de conception.
Pour réaliser cette transition, plusieurs obstacles sont à surmonter.
Obstacle 1: Le problème de visibilité de l’impact sur l’environnement
Contrairement aux statistiques comme le rendement, la vitesse de traitement ou les coûts, les facteurs environnementaux tels que les émissions, la consommation d’eau ou de matériaux sont rarement mesurés au niveau des processus. Par conséquent, ils sont peu pris en compte dans les décisions de développement.
Cette dynamique commence à changer car des initiatives mondiales imposent des rapports environnementaux et des évaluations d’impact sur l’environnement plus stricts. Le Green Deal européen et la réglementation proposée dans la Corporate Sustainability Reporting Directive (CSRD) obligent les fabricants de semi-conducteurs à divulguer leurs émissions en trois Scopes – 1, 2 et 3 – de l’extraction des matières premières au traitement des déchets en fin de vie d’un appareil. Les normes plus populaires en matière d’analyses du cycle de vie (LCA) permettent aux entreprises d’identifier les principaux points d’intervention dans le cycle de vie.
La transparence des données permet de quantifier l’impact environnemental des choix de matériaux et de prendre des décisions éclairées à un stade précoce de la conception. En rendant l’impact quantifiable, les considérations environnementales peuvent être évaluées parallèlement aux performances techniques et aux coûts.
Barrière 2: le coût incertain du changement
Le coût du changement est souvent invoqué pour expliquer pourquoi les actions en faveur du développement durable sont considérées comme un défi dans l’industrie des semi-conducteurs. Remplacer un matériau, modifier un processus ou qualifier un nouvel outil peut entraîner des coûts considérables, tant en termes d’investissement en capital que de temps de développement.
De plus, un changement n’est pas une garantie de succès : parfois, le nouveau processus n’est pas meilleur que l’original. Un nouveau procédé d’usinage chimique peut par exemple éliminer un gaz à effet de serre mais s’il consomme plus d’énergie, son impact global sur le changement climatique peut être plus important. Compte tenu de la complexité des processus de production et de leur échelle d’application, même des changements progressifs peuvent entraîner des risques techniques et des coûts considérables.
Il est à noter ici que les coûts de changements sont étroitement liés au timing. Au plus tôt les considérations de durabilité sont intégrées au développement, plus il existe d’options pour en réduire l’impact sans nuire au rendement ou aux performances d’une technologie. C’est logique : les décisions de conception prises à un stade précoce, avant que la standardisation des processus, peuvent éviter des reconceptions coûteuses ou des ajustements majeurs des processus à un stade ultérieur.
Cela signifie-t-il qu’il n’existe pas de possibilités simples dans les processus établis ? Absolument pas. Les étapes de processus ont tendance à s’accumuler au fil du temps, souvent sans être révisées. Nombre d’entre elles ont été introduites pour résoudre des problèmes spécifiques dans les nœuds précédents, puis ont été mises en œuvre. Réévaluer les étapes devenues obsolètes et superflues peut être un moyen relativement sans risque de réduire les émissions, l’utilisation de matières premières ou la durée du processus sans avoir à repenser un nouveau concept.
Obstacle 3: les obstacles techniques
Les défis liés à la durabilité dans la production de semi-conducteurs ne sont pas uniquement une question de coûts mais souvent aussi de nature technique. Nombre de matériaux aujourd’hui interdits, comme les PFAS, ont été initialement introduits parce qu’ils répondaient à des exigences spécifiques, telles qu’une stabilité exceptionnelle, une résistance chimique et des performances dans des environnements de processus extrêmes. Il n’est pas évident de trouver des alternatives offrant les mêmes résultats sans les inconvénients indésirables, par exemple en matière de sécurité.
Les problèmes techniques ne sont bien entendu pas propres au développement durable et n’ont jamais freiné l’industrie des semi-conducteurs. L’industrie investit régulièrement dans des longs cycles de développement pour réaliser des avancées en termes de performances, de densité et d’efficacité énergétique. La lithographie EUV, l’optique à haute NA et l’intégration 3D sont quelques exemples de solutions autrefois inaccessibles mais désormais mises en pratique. Aborder l’impact sur l’environnement implique un engagement similaire et une perspective à long terme.
Plusieurs centres de recherche étudient des résines sans PFAS, des produits pour l’usinage chimique et des procédés de nettoyage à faible impact. Bien que ces technologies soient encore en développement à l’échelle laboratoire, elles démontrent que des progrès durables sont possibles, à condition de poursuivre les efforts de R&D et la collaboration entre diverses industries.
La durabilité comme priorité stratégique
Les obstacles à l’innovation durable – le manque de visibilité, les coûts ou la complexité technique – sont souvent renforcés par la manière dont les priorités sont fixées dans le développement des processus. Les performances, le rendement et le délai de mise sur le marché occupent généralement la première place, tandis que les considérations environnementales sont considérées comme secondaires, voire facultatives. Il est donc plus difficile de justifier à un stade précoce les investissements dans des alternatives à moindre impact, même si ces investissements peuvent réduire les risques ou les coûts opérationnels à long terme. Cependant, la responsabilité environnementale ne doit pas nécessairement être incompatible avec la rentabilité. Au contraire.
L’industrie des semi-conducteurs dépend de ressources critiques, comme les gaz à fort effet de serre, l’eau ultra pure et les produits chimiques spéciaux, qui ont un impact sur l’environnement et sont coûteuses, soumises aux fluctuations du marché et sujettes au débat réglementaire. Dans de nombreuses régions, la pénurie d’eau affecte déjà l’activité industrielle, entraînant une hausse des coûts et un risque opérationnel. Réduire la dépendance à ces ressources critiques améliore les chiffres de la durabilité mais aussi la résilience à long terme de chaque entreprise. De même, les améliorations en matière d’efficacité énergétique et des matériaux se traduisent souvent par une baisse des coûts, des temps de processus plus courts ou une meilleure utilisation des outils.
Réduire la consommation de ressources critiques et minimiser les risques réglementaires renforce la résilience des entreprises. Cela positionne immédiatement la durabilité comme une priorité stratégique.
La durabilité comme élément de la stratégie d’entreprise
Mais comment intégrer la durabilité dans la stratégie des entreprises de semi-conducteurs ? Se contenter d’un rapport annuel ne suffit pas. Si la durabilité doit influencer la stratégie fondamentale de l’entreprise, elle doit être ancrée à tous les niveaux de la prise de décision. Il faut l’intégrer aux fonctions clés de l’entreprise – de l’achat et de la sélection des matériaux aux stratégies d’investissement à long terme et aux accords avec les fournisseurs – non pas comme un élément secondaire, mais au même titre que le prix et la performance. Cette évolution exige que l’industrie des semi-conducteurs considère la durabilité comme un pilier essentiel de son activité, soutenu par des indicateurs de responsabilité clairs et une volonté d’investir dans des solutions à long terme.
Enfin, l’optimisme est de mise. L’industrie a toujours travaillé à la limite de ce qui est techniquement possible pour résoudre les problèmes les plus complexes. Maintenant que la durabilité est devenue un élément indispensable d’une croissance responsable, le secteur parviendra également à innover dans ce domaine.
Emily Gallagher est directrice de programme à l’imec et se consacre à la durabilité dans la production de semi-conducteurs. Elle a obtenu son doctorat en physique au Dartmouth College, où elle a mené des recherches sur les lasers à électrons libres. Après avoir obtenu son diplôme, elle a rejoint IBM et s’est spécialisée dans la technologie des semi-conducteurs. Elle a occupé divers postes dans le domaine de la fabrication des wafers. Sa dernière fonction a consisté à diriger le développement de masques EUV. En 2014, elle a rejoint l’imec pour poursuivre son travail de développement EUV. Emily Gallagher a publié plus de 100 articles techniques, détient environ 30 brevets, est SPIE Fellow, rédactrice associée chez JM3 et membre actif du Semiconductor Climate Consortium et du PFAS Consortium de SEMI.
imec
En temps que centre de recherche précompétitif couvrant l’ensemble de la chaîne de valeur des semi-conducteurs, imec est bien placé pour explorer des nouvelles stratégies de production durables et stimuler une transition durable dans le secteur. Voici quatre exemples.
Imec.netzero est une application web qui modélise virtuellement la production pour quantifier l’impact environnemental, notamment les émissions de Scope 1-3, la consommation de matériaux et d’eau. En intégrant les données au niveau des processus, elle aide les ingénieurs à identifier les leviers les plus efficaces pour réduire les émissions, tout en préservant au maximum le rendement et les performances. À l’avenir, les inventaires de matériaux seront étendus pour inclure les émissions intégrées et les PFAS, ce qui fournira des données plus complètes pour un concept de processus durable.
L’imec collabore avec des fournisseurs de matériaux dans le domaine des résistances exemptes de PFAS. Les premiers résultats montrent que les résines CAR sans PFAS peuvent fournir des performances de modèles similaires, même s’il reste des défis à relever en termes de résolution.
En remplaçant un ancien procédé par un nettoyage au fluorure d’hydrogène et à l’ozone, qui consomme deux fois moins d’eau et est deux fois plus rapide, les chercheurs d’imec ont limité à la fois l’utilisation de matières premières et la durée du processus.
Les efforts visant à réduire les doses d’EUV ont permis d’accélérer la capacité de traitement et de réduire la consommation d’énergie sans compromettre les paramètres lithographiques importants comme la résolution et le nombre de défauts.
