Dans le cadre de son plan de développement durable SSTS (Sustainable semiconductor technologies and system), l’Imec, centre belge de recherche en microélectronique basé à Louvain, a développé une usine virtuelle de puces. Avec des partenaires industriels, il l’utilise comme plateforme de modélisation et d’évaluation de l'impact environnemental du processus de structuration des circuits intégrés avancés. Le travail se focalise sur deux étapes clés de fabrication: la lithographie et la gravure. Cette plateforme numérique permet d’évaluer l’impact des choix actuels de fabrication, d'identifier les améliorations possibles et d’obtenir des projections dans l'avenir.
Selon l’Imec, les émissions de CO2 associées à la fabrication de semi-conducteurs devraient quadrupler au cours de la prochaine décennie, en raison de la complexité croissante des technologies de pointe et du doublement prévu du marché d’ici à 2030. Pour contrer ce scénario, les trois principaux fabricants européens se sont engagés à atteindre la neutralité carbone : en 2027 pour STMicroelectronics, en 2030 pour Infineon Technologies et en 2035 pour NXP. La production de puces se caractérise par un fort impact environnemental en raison de sa gourmandise en énergie, en eau et en produits chimiques. Et de son utilisation de nombreuses substances dangereuses pour la santé et l’environnement.
Recyclage de 70% de l'hydrogène
Avec sa plateforme de modélisation, l’Imec, en collaboration avec des équipementiers de semi-conducteurs, a pour la première fois quantifié l'impact environnemental des étapes de structuration de circuits intégrés logiques, comme les microprocesseurs, pour différentes technologies de production allant de 28 à 3 nanomètres. Il a notamment démontré que la lithographie et la gravure sont responsables de 45% des émissions de carbone dans les champs d'application 1 (les émissions directes du processus de fabrication) et 2 (les émissions indirectes liées à l'énergie achetée) de l’ensemble du processus de fabrication en technologie de 3 nanomètres.
Il a également mis en évidence l’intérêt de la dernière génération de lithographie, celle aux ultraviolets extrêmes (EUV), dans la technologie de 7 nanomètres, considérée comme le premier palier des technologies avancées de production. Son utilisation réduit les émissions de CO2 par rapport à la génération précédente de lithographie aux ultraviolets profonds (DUV). L'outil de modélisation permet de quantifier les gains associés à différents scénarios. Par exemple, la réduction de 10% de la dose d’exposition aux UV en lithographie EUV génère une économie d’environ 0,4 kilo d'équivalent CO2 par plaquette de puces. Cela correspond à environ 40 tonnes d’équivalent CO2 par mois en moins dans une grande usine comme celles de TSMC, de Samsung et d'Intel.
L'Imec complète cette plateforme virtuelle par son usine physique, qu’il utilise comme un environnement pilote concret pour explorer les processus de fabrication et les orientations de conception à plus fort impact environnemental. En collaboration avec Edwards, un fournisseur américain d’équipements de gestion des gaz de gravure sous vide, il a récemment installé un système de récupération d'hydrogène pour la lithographie EUV dans sa salle blanche fabriquant des puces sur plaquettes de 300 mm de diamètre. L’expérience a démontré qu’il est possible de réutiliser et de récupérer environ 70% de l'hydrogène injecté dans le processus de gravure.
Partenariat avec équipementiers et fournisseurs de matériaux
L’usine pilote est également exploitée pour tester différents dosages de lithographie EUV en vue de réduire à la fois l’impact environnemental et les coûts de cette phase clé de production. Les chercheurs de l’Imec concentrent actuellement leurs travaux sur la réduction globale de la consommation de gaz avec l’objectif de quantifier l'impact environnemental des solutions étudiées dans les flux complets du processus de fabrication des semi-conducteurs. Les modèles d’optimisation développés dans l’usine virtuelle, puis testés dans l’usine physique, sont continuellement étalonnés et validés grâce à des partenariats avec des fournisseurs d'équipements et de matériaux. Ces partenariats sont jugés essentiels pour faire émerger des solutions pratiques de modélisation en vue de la réduction de l'empreinte carbone de l'industrie mondiale des semi-conducteurs.
Humbles, les chercheurs de l’Imec reconnaissent ne pas couvrir tous les impacts environnementaux de la chaîne de production de semi-conducteurs. D’autres travaux doivent être envisagés pour réduire l’empreinte carbone liée aux émissions de polluants atmosphériques dangereux (HAPS) et des substances chimiques per et polyfluoroalkylées (PFAS) contenues dans certaines résines photosensibles, comme celles souvent utilisées dans la lithographie EUV.
