Ökobilanzierung in der Halbleiterfertigung – Probleme und Herausforderungen 

Halbleiter sind die Bausteine moderner Technik. Sie sind in Smartphones, Laptops, Spielgeräten, Flugzeugen, Autos, nachhaltiger Energietechnologie und einer Vielzahl anderer Geräte und Gegenstände zu finden. 

Im Halbleitersektor war es jedoch vor allem externer Druck, der die Industrie dazu veranlasste, mehr über die Umweltauswirkungen ihrer Produkte zu erfahren (Villard et al., 2015). Dieses Muster bleibt bis heute unverändert, da Investoren die globale Erwärmung und andere Auswirkungen auf die Umwelt als potenzielle Gefahren für ihre Investitionen betrachten und direkten Druck auf die Unternehmen ausüben. 

Ein wichtiger Schritt zur Verringerung der Auswirkungen besteht darin, die Auswirkungen messen zu können. Die Lebenszyklusanalyse (LCA)/ bzw. Ökobilanzierung ist eine anerkannte Methode zur Bewertung der Umweltauswirkungen während der Lebensdauer eines Produkts, von der Rohstoffgewinnung bis zum Ende der Lebensdauer. 

Wo liegt das Problem? 

Halbleiterchips gehören zu den vielen Komponenten der (Informations- und Technologie-) IT-Infrastruktur, die am ressourcenintensivsten herzustellen und für Zwecke der Ökobilanz am schwierigsten zu charakterisieren sind (Boyd & Dornfeld, 2013). Während die Umweltauswirkungen eines Drahts oder eines Stifts einfach anhand ihrer Massen und Materialarten abgeschätzt werden können, werden die mit einem Halbleiterchip verbundenen Auswirkungen nicht effektiv von der tatsächlichen Substanz des Geräts widergespiegelt. Während das Wasser und die Chemikalien, die für die Herstellung eines Logikchips benötigt werden, viele Kilo wiegen, wiegt der Chip selbst möglicherweise nur wenige Gramm. 

In vielen LCA-Studien zur Elektronik wurde das Fehlen von LCA-Daten für Halbleiterchips als wichtiges Thema für zukünftige Arbeiten genannt. Die Notwendigkeit einer detaillierteren und transparenteren Lebenszyklus-Bestandsaufnahme für Halbleiterprodukte wurde bereits erwähnt (Boyd, 2012; Deng & Williams, 2008; Krishnan et al., 2014; Kuo et al., 2022; Pirson et al., 2023).

Darüber hinaus ist es für Halbleiterunternehmen ein wichtiges Thema, die Reduzierung von Treibhausgasen (THG) in ihre Energieeffizienzstrategien zu integrieren. Daher berichten die meisten Unternehmen heute über Scope-1-Emissionen (direkte Emissionen aus eigenen oder kontrollierten Quellen) und Scope-2-Emissionen (indirekte Emissionen aus der Erzeugung von Strom, Dampf, Wärme und Kälte, die vom berichtenden Unternehmen verbraucht werden). In den letzten Jahren hat sich das Augenmerk jedoch auf Scope-3-Emissionen (Emissionen aus der unternehmerischen Wertschöpfungskette) verlagert, da der größte Teil der THG-Emissionen vor- und nachgelagert in der Wertschöpfungskette anfällt. 

Herausforderungen 

• Der relativ kurze Entwicklungszyklus und der schnelle Technologiewechsel in Design und Fertigung machen die Bewertung bestehender Chips in wenigen Jahren obsolet (Kuo et al., 2022; Mullen & Morris, 2021).
• Die IC-Fertigung ist ebenfalls hochkomplex und umfasst Hunderte von Chemikalien und Dutzende verschiedener Arten von Prozessschritten, die in einem Prozessablauf kombiniert werden, der typischerweise Hunderte von Schritten enthält (Boyd, 2012; Krishnan et al., 2008; Kuo et al., 2022).
• Fragen des geistigen Eigentums schweren auch die Datenerfassung, da Halbleiterhersteller Prozessrezepte als ihr wertvollstes geistiges Eigentum betrachten, Chemikalienlieferanten die Formulierungen von Prozesschemikalien oft als Geschäftsgeheimnisse behandeln und Emissionsmessungen zeitaufwändig sind und spezielle Geräte und Methoden erfordern (Plepys, 2004).
• Auswirkungen auf die Produktionsphase sind in der Regel für die Forschung kaum zugänglich (Pirson et al., 2023), was zu einem Mangel an aktuellen Daten zur Modellierung der Umweltauswirkungen führt (Clément el al., 2020).
• Die Berichterstattung über Scope-3-Emissionen ist für die meisten Unternehmen eine komplizierte Herausforderung. Dies gilt insbesondere für komplexere Produkte wie Halbleiter. Es ist äußerst schwierig, CO₂-Emissionen aus der Lieferkette so zuzuordnen, dass ein Kunde wie Intel seinen Anteil an den Auswirkungen durch die Herstellung eines Materials abschätzen kann, das auch von anderen Kunden verwendet wird (Kuo et al., 2022).

Herstellung 

Der Herstellungsprozess von Halbleitern umfasst verschiedene Phasen, darunter die Waferherstellung, Verpackung, Prüfung und Montage, die zur Umweltbelastung beitragen. Während des Waferherstellungsprozesses werden energieintensive Geräte verwendet, um Materialien auf Siliziumwafern zu ätzen und abzuscheiden. Dieser Prozess erfordert große Mengen an Wasser, Chemikalien und Gasen, die bei unsachgemäßer Handhabung umweltschädlich sein können. Die Verpackungs-, Test- und Montagephasen erfordern auch Energie und Ressourcen wie Wasser und Kunststoffe, was zu einer erheblichen CO₂-Bilanz führt. Darüber hinaus fallen bei der Halbleiterherstellung gefährliche Abfälle wie Schwermetalle, Säuren und Lösungsmittel an, die die Umwelt schädigen können, wenn sie nicht ordnungsgemäß entsorgt werden. Die Auswirkungen der Halbleiterindustrie auf die Umwelt gehen über ihre Produktionsprozesse hinaus, da die Geräte selbst oft eine kurze Lebensdauer haben und zum Elektroschrott beitragen. Die wachsende Nachfrage nach neuen und verbesserten Technologien beschleunigt dieses Problem, was zu einer Zunahme von Elektroschrott und der Erschöpfung natürlicher Ressourcen führt. 

Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurde das Semiconductor Climate Consortium (SCC) von den Mitgliedern der 27. Klimakonferenz der Vereinten Nationen (COP) am 6. November 2022 in Ägypten gegründet, mit dem Ziel, eine Strategie zu entwickeln für nachhaltige Halbleiter. SCC-Mitglieder umfassen die gesamte Halbleiter-Wertschöpfungskette. Darüber hinaus arbeitet das SCC daran, technologische Fortschritte in der Chipsatz-Lieferkette zu koordinieren, um schädliche Emissionen zu reduzieren, mit dem Ziel, bis Ende 2050 null Emissionen in der Industrie zu erreichen, und wird jährlich über Fortschritte und Scope-1-, 2- und 3-Emissionen berichten (unter Semi.org finden Sie alle Neuigkeiten).

Im Fraunhofer-Leitprojekt NeurOSmart bündeln fünf Fraunhofer-Institute (ISIT, IPMS, IMS, IWU, IAIS) ihre fachliche Expertise und forschen gemeinsam an einem neuen Hochleistungssensorsystem, bei dem KI-unterstützte Vorverarbeitung und eine neuartige leistungsstarker, analog-neuromorpher, ultra-low-power In-Memory-Beschleuniger-Chip kombiniert werden. Eine der Aufgabenstellungen des Fraunhofer IWU ist dabei die ökologische Bewertung des Gesamtsystems. 

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Weitere Informationen über das NeurOSmart Projekt und zum Konsortium finden Sie auf der Fraunhofer-Homepage oder in diesem Blogbeitrag.

Titelbild/ Header: © asharkyu/Shutterstock 

Quellen:

​Boyd, Sarah B. (2012): Life-cycle assessment of semiconductors. New York: Springer. 

​Boyd, Sarah B.; Dornfeld, David A. (2013): Semiconductor Manufacturing. In David A. Dornfeld (Ed.): Green manufacturing. Fundamentals and applications. New York, NY [u.a.]: Springer (SpringerLink Bücher), pp. 153–178. Available online at https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4419-6016-0_7#citeas. 

​Clément, Louis-Philippe P.-V.P.; Jacquemotte, Quentin E.S.; Hilty, Lorenz M. (2020): Sources of variation in life cycle assessments of smartphones and tablet computers. In Environmental Impact Assessment Review 84, p. 106416. DOI: 10.1016/j.eiar.2020.106416. 

​Deng, Liqiu; Williams, Eric D. (2008): Measures and trends in energy use of semiconductor manufacturing. In : IEEE International Symposium on Electronics and the Environment, 2008. ISEE 2008. 2008 IEEE International Symposium on Electronics and the Environment (ISEE). San Francisco, CA, USA, 19.05.2008 – 22.05.2008: IEEE / Institute of Electrical and Electronics Engineers Incorporated, pp. 1–6. 

​Krishnan, Nikhil; Boyd, Sarah B.; Rosales, J.; Dornfeld, David A.; Raoux, Sebastién; Smati, R. (2004): Using a hybrid approach to evaluate semiconductor life cycle environmental issues a case study in interconnect module impacts. In : IEEE International Symposium on Electronics and the Environment 2004. IEEE International Symposium on Electronics and the Environment, 2004. Conference Record. 2004. Scottsdale, AZ, USA, 10-13 May 2004. Piscataway, N.J: IEEE Operations Center, pp. 86–90. 

​Krishnan, Nikhil; Williams, Eric D.; Boyd, Sarah B. (2008): Case studies in energy use to realize ultra-high purities in semiconductor manufacturing. In : IEEE International Symposium on Electronics and the Environment, 2008. ISEE 2008. 2008 IEEE International Symposium on Electronics and the Environment (ISEE). San Francisco, CA, USA, 19.05.2008 – 22.05.2008: IEEE / Institute of Electrical and Electronics Engineers Incorporated, pp. 1–6. 

​Kuo, Tsai-Chi; Kuo, Chien-Yun; Chen, Liang-Wei (2022): Assessing environmental impacts of nanoscale semi-conductor manufacturing from the life cycle assessment perspective. In Resources, Conservation and Recycling 182, p. 106289. DOI: 10.1016/j.resconrec.2022.106289. 

​Mullen, Eleanor; Morris, Michael A. (2021): Green Nanofabrication Opportunities in the Semiconductor Industry: A Life Cycle Perspective. In Nanomaterials (Basel, Switzerland) 11 (5). DOI: 10.3390/nano11051085. 

​Pirson, Thibault; Delhaye, Thibault P.; Pip, Alex; Le Brun, Gregoire; Raskin, Jean-Pierre; Bol, David (2023): The Environmental Footprint of IC Production: Review, Analysis and Lessons from Historical Trends. In IEEE Trans. Semicond. Manufact., p. 1. DOI: 10.1109/TSM.2022.3228311. 

​Plepys, A. (2004): The environmental impacts of electronics. going beyond the walls of semiconductor fabs. In : IEEE International Symposium on Electronics and the Environment 2004. IEEE International Symposium on Electronics and the Environment, 2004. Conference Record. 2004. Scottsdale, AZ, USA, 10-13 May 2004. Piscataway, N.J: IEEE Operations Center, pp. 159–165. 

​Villard, Aurélie; Lelah, Alan; Brissaud, Daniel (2015): Drawing a chip environmental profile: environmental indicators for the semiconductor industry. In Journal of Cleaner Production 86, pp. 98–109. DOI: 10.1016/j.jclepro.2014.08.061.​