Woda - nieoczywisty surowiec do produkcji półprzewodników

Dla porównania średni dobowy pobór wody w USA wynosi około 310 litrów na osobę co oznacza, że w średniej wielkości mieście ze 122 tys. mieszkańców jej dzienne zużycie sięga 38 mln litrów. Szacuje się, że sumarycznie przemysł elektroniczny rocznie potrzebuje nawet 1000 miliardów litrów wody. W obliczu kryzysu klimatycznego skutkującego suszami również od tej branży zaczyna się zatem oczekiwać efektywniejszego nią gospodarowania.

Najwięcej, około trzy czwarte, wody w fabrykach układów scalonych jest zużywanej w procesie obróbki (mycia) płytek półprzewodnikowych. W tym celu wykorzystywana jest woda ultra czysta (Ultra Pure Water, UPW), której stawiane są określone wymagania jakościowe – podczas gdy woda pitna może mieć czystość od 100 do 800 μS/cm (miara przewodności elektrycznej stosowana jest jako jeden ze wskaźników skażenia), woda ultra czysta powinna mieć mniej niż 0,055 μS/cm.

UPW wymaga zatem specjalnego przygotowania. Wytwarzanie ultraczystej wody jest złożonym, wieloetapowym procesem (jedną ze stosowanych technik jest odwrócona osmoza), podczas którego zużywane są duże ilości energii. Zwykle w fabrykach półprzewodników wprowadzone są oddzielne obiegi UPW i wody o mniejszej czystości (Lower Purity, LP). W zakładach produkujących układy scalone woda jest też wykorzystywana do utrzymania w czystości (płukania) sprzętu produkcyjnego i jego chłodzenia. Z wody korzystają też oczywiście pracownicy takich fabryk.

Jej zasoby są różne zależnie od regionu. Tak się niestety składa, że największe ośrodki przemysłu półprzewodnikowego są zlokalizowane właśnie w częściach świata charakteryzujących się dużym obciążeniem wodnym wyrażanym stosunkiem wody pobranej do tej dostępnej. Tamtejsza branża elektroniczna i lokalne władze borykają się w związku z tym z różnymi wyzwaniami. Różnie też sobie z nimi radzą.

Jak się oszczędza wodę w Singapurze?

Przykład to Singapur, mały kraj wyspiarski z ograniczonymi zasobami słodkiej wody. Pod wieloma względami może być on wzorem do naśladowania w zakresie proaktywnej gospodarki wodnej. Przede wszystkim wyróżnia się pod względem nakładów inwestycyjnych, które zostały poniesione na instalacje odsalania i recyklingu ścieków do użytku przemysłowego – tylko te ostatnie rocznie produkują 150 mln m³ wody. Zapotrzebowanie fabryk półprzewodników na wodę jest natomiast szacowane na 100 mln litrów dziennie. To stanowi 11% krajowego poboru wody używanej do celów niegospodarczych i odpowiada zużyciu około 86 tys. gospodarstw domowych w USA.

Co kluczowe wszystkie zakłady produkujące płytki półprzewodnikowe w Singapurze wdrożyły jakąś formę odzysku wody, a wskaźniki recyklingu wahają się od 23% do 65%, przy średniej 45%. W fabrykach układów scalonych są one niższe i wynoszą od 0% do 80%, a średnio 23%.

Na Tajwanie również wiele zakładów produkujących półprzewodniki jest zlokalizowanych na obszarach o dużych niedoborach wody. Przykładem jest TSMC, które zużywa dziennie wodę w ilości odpowiadającej zapotrzebowaniu 170 tys. gospodarstw domowych w USA. Z drugiej strony jednak wskaźnik recyklingu wody w tej firmie jest bardzo wysoki – w latach 2016–2020 wynosił średnio ponad 85%. Na Tajwanie wdrożono także zintegrowany program zarządzania zasobami wodnymi, który zakłada m.in. dywersyfikację źródeł oraz magazynowanie i wykorzystanie wody deszczowej.

Ile wody zużywa Samsung?

W przypadku Chin o wiarygodne informacje jest trudniej – nie jest przykładowo jasne jak obliczane są wskaźniki recyklingu wody. Z danych z 2016 wynika, że 40% półprzewodników było produkowanych w prowincji Jiangsu, gdzie zasoby wody na mieszkańca są stosunkowo niskie, a w 2017 na ten cel wykorzystano 27% całkowitego poboru wody. Na przykład fabryki SMIC w 2020 roku zużywały ją dziennie w ilości odpowiadającej zapotrzebowaniu 37 tys. gospodarstw domowych w USA, przy wskaźnikach recyklingu od 65% do 72% w latach 2016–2020.

Generalnie jednak Chiny sporo ostatnio zainwestowały w projekty w zakresie gospodarki wodnej – nakłady na ten cel szacuje się na łączną kwotę 470 mld dolarów w latach 2014–2020. Miały one na celu zwiększenie dostaw wody o 122 mld m³ rocznie (20%) i jej oszczędności o 22 mld m³.

Większość fabryk układów scalonych w Korei Południowej również znajduje się na obszarach o średnim albo wysokim niedoborze wody. Przykładowo Samsung, największy producent półprzewodników w tym kraju, w 2020 na ten cel zużył wodę w ilości odpowiadającej zapotrzebowaniu 340 tys. gospodarstw domowych w USA, z czego połowę dzięki recyklingowi wykorzystał ponownie. Ponadto w Korei niedawno zostały przyjęte przepisy dotyczące zintegrowanej gospodarki wodnej. Poniesiono także znaczące nakłady (20 mln dolarów) na badania dotyczące wdrożenia inteligentnej (smart) sieci wodociągowej.

Również w USA większość fabryk półprzewodników mieści się w południowozachodnich stanach charakteryzujących się dużym niedoborem wody. Przykład to zakład Intela, który rocznie pobiera wodę w ilości odpowiadającej zapotrzebowaniu 28 tys. gospodarstw domowych w USA. Firma ta zamierza też zbudować kolejną megafabrykę o wartości 20 mld dolarów pod Columbus w stanie Ohio. I chociaż na tym terenie znajdują się już trzy elektrownie wodne, planowana jest budowa czwartej właśnie częściowo po to, aby zaspokajała potrzeby nowego zakładu Intela.

Infrastruktura towarzysząca

Stany Zjednoczone starają się uruchomiać jak najwięcej fabryk półprzewodników, co ma na celu uczynienie kraju niezależnym technologicznie. Tylko w zeszłym roku Kongres przeznaczył ponad 50 mld dolarów na zwiększenie rodzimej produkcji układów scalonych.

Firmy, które chcą skorzystać z tego wsparcia budują obok swoich fabryk nowe zakłady uzdatniania wody. Również władze miast, które zamierzają przyciągnąć inwestorów w fabryki finansowane na mocy tych przepisów najpierw poddają analizie ich potencjalne wpływy na zaopatrzenie w wodę na danym terenie. Czasami badania ujawniają, że konieczne jest zabezpieczenie dopływu wody, a czasami trzeba zainstalować nową infrastrukturę do jej recyklingu, która będzie wykorzystywana przez te zakłady.

Przykładowo w Arizonie TSMC planuje budowę nowego zakładu recyklingu wody w celu obsługi swoich nowych fabryk budowanych w Phoenix. By z kolei przygotować się na uruchomienie wartego 100 mln dolarów zakładu producenta pamięci firmy Micron w północnej części stanu Nowy Jork zainstalowano już ogromne zbiorniki na wodę, z których każdy może pomieścić około 56 mln litrów.

Wyzwania - oczyszczanie ścieków, recykling wody

Ze względu na kluczową rolę, jaką woda odgrywa w produkcji układów scalonych, recykling ścieków w fabrykach półprzewodników jest priorytetem. Im więcej wody uda się odzyskać, tym mniej trzeba będzie jej pobrać z lokalnego źródła. Odsetek ścieków, które można recyklingować różni się w zależności od procesów produkcyjnych realizowanych w zakładzie. Oczyszczanie wody zanieczyszczonej w produkcji półprzewodników jest skomplikowanym zadaniem przede wszystkim ze względu na złożony charakter zanieczyszczeń.

Przykładowo procesy litograficzne i trawienie płytek powodują powstawanie ścieków o odczynie kwaśnym – są przykładowo zanieczyszczone kwasem fluorowodorowym. Proces szlifowania płytek krzemowych jest z kolei źródłem cząstek krzemu zawieszonych w ściekach. Użyte rozpuszczalniki, jak alkohol izopropylowy, mogą natomiast skutkować obecnością węgla organicznego. Pomimo tych trudności branża elektroniczna jest generalnie na zaawansowanym poziomie jeśli chodzi o technologie recyklingu swoich ścieków.

Co można zrobić?

Dostępność wody zależy od wielu czynników, w tym pogody, klimatu oraz lokalnej infrastruktury wodnokanalizacyjnej. Wpływ zmian klimatycznych na jej ilość jest niezaprzeczalny i obejmuje wysychanie zbiorników, większe ryzyko i częstość powodzi, podnoszenie się poziomu morza, pogarszanie się jakości wody morskiej. Wiadomości są pełne doniesień o suszach i powodziach na całym świecie. Generalnie woda staje się coraz cenniejsza i coraz bardziej jej brakuje.

Co zatem może zrobić branża półprzewodników, żeby chronić jej zasoby. Przede wszystkim należy podnosić świadomość w zakresie wpływu produkcji układów scalonych na jej dostępność. Ponadto przydatne mogłoby się okazać wprowadzenie wytycznych dla przemysłu elektronicznego w zakresie gospodarowania wodą na wzór regulacji SEMI S23. Zostały w niej opisane zalecenia dla producentów sprzętu do produkcji półprzewodników dotyczące jego efektywności energetycznej.

Ważne jest też zachowanie równowagi między skutecznością i wydajnością recyklingu, a zużyciem energii mu towarzyszącym. By lepiej zarządzać ryzykiem wyczerpywania się zasobów wody w miarę wzrostu produkcji przemysłowej potrzebne jest również kompleksowe podejście angażujące fabryki, władze lokalne oraz krajowe.

Monika Jaworowska