Chips, es ist zu schwierig.

Die Auswirkungen der Digitalbranche auf die Umwelt sind zunehmend im Fokus der Aufmerksamkeit, und die Zunahme digitaler Produkte und Dienstleistungen in der globalisierten Gesellschaft verstärkt diesen Effekt. Die Materialität der Digitalbranche zeigt sich oft in den Auswirkungen des Bergbaus auf die Umwelt, was darauf hinweist, dass Digitalisierung nicht gleichbedeutend mit Immaterialität ist. Obwohl der Bergbau von großer Bedeutung ist, beschränken sich diese Diskussionen oft auf wenige Minerale, die zum Symbol der Bergbauindustrie geworden sind (z. B. Kobalt, Lithium).

Dieser Artikel untersucht die Materialität der Digitalbranche anhand der Vielfalt der Elemente in der Halbleiterindustrie und deren Reinheitsanforderungen. Halbleiter sind für die Herstellung der Schlüsselkomponenten der Digitalbranche, nämlich Mikrochips, verantwortlich. Angesichts der sehr speziellen Anforderungen der Halbleiterindustrie an ultrareine Materialien haben wir eine Studie an einigen globalen Unternehmen durchgeführt und so neue Schlüsselakteure in der komplexen Lieferkette aufgedeckt. Dies verdeutlicht die starke Abhängigkeit des Bergbaus von anderen Massenproduktionssektoren und die Notwendigkeit, die Wechselwirkungen zwischen Bergbau und chemischer Industrie (als Ergänzung zum Bergbau) tiefer zu erforschen.

Einführung

In den letzten Jahren hat das Bewusstsein für die Auswirkungen des digitalen Bereichs auf die Umwelt zugenommen, einschließlich Infrastruktur (z. B. Rechenzentren, Kommunikationsnetze), Produkte (z. B. Smartphones) und Dienstleistungen (z. B. Video-On-Demand-Streaming). Kürzlich ist der Trend zur Integration von Künstlicher Intelligenz und Edge-Künstlicher Intelligenz in vielen Bereichen zunehmend deutlich geworden, was die Sorgen um Umweltprobleme weiter verschärft hat. Große Technologieunternehmen weisen in ihren Umweltberichten auf ihre zunehmend wachsenden Umweltauswirkungen hin.

Bis jetzt wurde die Materialität des digitalen Sektors (hier definiert als „alle Extraktions- und Produktionsketten, die zur Herstellung endgültiger digitaler Produkte beitragen“) hauptsächlich aus der Perspektive des „Bergbaus“ betrachtet. Dabei wird darauf hingewiesen, dass Bergbauaktivitäten bestimmte Rohstoffe erfordern (z. B. Lithium/Kobalt für Batterien) sowie eine große Menge an Strom und Wasser für den Herstellungsprozess. Die neuesten Daten der Vereinten Nationen zeigen jedoch, dass die Schlüsselelemente für Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT), wie Gallium (Ga), Germanium (Ge), Indium (In), Seltene Erden (REE), Selen (Se), Tantal (Ta) und Tellur (Te), nur 0,77 % aller im Jahr 2018 geförderten Elemente (ohne Kohle) ausmachen.

Obwohl unbestritten ist, dass IKT-Produkte und -Dienstleistungen ohne die Produktion des Bergbaus nicht existieren würden, scheinen die mineralischen Bedürfnisse auf den ersten Blick begrenzt. Um die Materialität der Digitalbranche umfassender zu verstehen, ist es notwendig, die Produktionskette aus einem ergänzenden Blickwinkel zu erforschen. Als Kern der Digitalbranche wird die Halbleiterherstellung aufgrund ihrer Materialströme und Umweltauswirkungen zunehmend in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückt. Dennoch wird trotz zunehmender Beweise für Umweltauswirkungen und Verschmutzung die Branche nicht angemessen geprüft. Die Materialität der Branche wurde bisher vernachlässigt, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, ihre Lieferkette zu identifizieren und zu analysieren. Dies liegt vor allem an ihrer Komplexität und Weite, sowie der Undurchsichtigkeit von Bergbauern, Raffineuren und Technologieunternehmen.

Da jedoch alle IKT-Produkte und -Dienstleistungen im Wesentlichen auf diesen als Mikrochips bezeichneten Hardwarekomponenten basieren, ist die Materialität der Digitalbranche tief in die Materialität der Halbleiterindustrie verwurzelt, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 1: Vereinfachte Ansicht der Halbleiterindustrie, die digitale Waren und Dienstleistungen unterstützt

Mikrochips sind wohl die komplexesten Produkte, die der Mensch bisher hergestellt hat. Sie erfordern nicht nur die größte Vielfalt an Grundmaterialien, sondern auch eine extrem hohe Reinheit. Tatsächlich werden die technologischen Fortschritte in der Halbleiterindustrie hauptsächlich von Miniaturisierung, Leistung und Kosteneffizienz angetrieben. Diese Verbesserungen erfordern eine größere Vielfalt an Materialien, um die physikalischen und elektrischen Eigenschaften bei kleinerer Größe zu verbessern.

Mit der Verkleinerung der Technologienodes erfordern nicht nur die Transistoren (FEOL: Front-End-Prozess) neue (und alte) Materialien mit höchster Reinheit; auch der Interkonnektstapel (BEOL: Back-End-Prozess) wird immer spezieller (in Bezug auf die Materialverwendung) und komplexer. Jede Generation erfordert neue Legierungen, um bei kleineren Technologienodes Interkonnektoren mit niedrigerem Widerstand zu realisieren. Anfang des 21. Jahrhunderts hatten Kupferinterkonnektoren nur 3 - 4 Schichten, während heute die Metallinterkonnektoren in den neuesten Nvidia- oder Apple-Mikrochips über 20 Schichten haben und die Verkabelungslänge mehrere tausend Kilometer beträgt. Abbildung 2 zeigt die Elementaufteilung des typischen BEOL-Metallstapels in modernen CMOS-Technologienodes und verdeutlicht die Komplexität dieses Evolutionsprozesses. Informationen über die neuesten Nodes, sei es in der Produktion (z. B. 2 Nanometer) oder in der Forschungsphase (z. B. 0,8 Nanometer), sind streng geheimgehalten und würden sicherlich noch mehr Elemente in diese Abbildung einfügen.

Abbildung 2: Entwicklung der BEOL-Materialien nach Technologienodes

Die Vorstellung, dass Mikrochips hauptsächlich aus Halbleitern (Silizium, Germanium usw.) und einigen vereinzelten Elementen bestehen, ist längst veraltet. Tatsächlich ist es selbst für Fachleute schwierig, alle Elemente aufzulisten, die für moderne Prozessoren benötigt werden. Diese Liste sollte nicht nur die Elemente innerhalb des Mikrochips enthalten, sondern auch viele andere Elemente, die für die Herstellung von Nanotransistoren erforderlich sind (in einem typischen High-End-Prozessor sind Milliarden solcher Transistoren erforderlich).

Nach unseren besten Schätzungen (Abbildung 3) benötigt die Halbleiterindustrie jetzt über 85 % der nichtradioaktiven Elemente aus dem Periodensystem. In den letzten 30 Jahren ist dieser Übergang von wenigen Elementen zu fast allen möglichen Elementen relativ unbemerkt verlaufen. Die Herstellung von Mikrochips erfordert nicht nur eine große Menge an Materialien, sondern diese Materialien müssen auch extrem rein sein.

Tatsächlich bedeutet dies, dass die Konzentration von Verunreinigungen (unerwünschte Elemente und Defekte) kontrolliert und auf ein äußerst niedriges Niveau gesenkt werden muss. Dies liegt vor allem daran, dass fortschrittliche Technologien auf komplexen Herstellungsprozessen basieren, die immer höhere Reinheitsanforderungen stellen: Je kleiner die Merkmalsgröße, desto größer ist die relative Größe eines einzelnen Verunreinigungselements.

Beispielsweise hat die globale Halbleiterbranchenvereinigung SEMI Richtlinien für chemische Prozesse und Gase von Klasse A bis E festgelegt. Chemikalien der Klasse A, B und C sind für Geometrien zwischen 1,2 Mikrometern und 90 Nanometern geeignet. Für Größen unterhalb dieser Werte werden neue Klassen D, E und höher benötigt, und die Nachweisgrenze für Verunreinigungen muss unter einer Billionstel (unter 0,1 ppt) liegen. Diese Klassen wurden in der Vergangenheit auch als Elektronikqualität (EG), VLSI und bis unter 90 Nanometer als XLSI bezeichnet und definieren die erforderliche chemische Reinheit für jede Größe.

Die nächste Entsprechung für die Reinheitsanforderungen könnte aus der pharmazeutischen Industrie stammen, in der Reinheitsgrade im ppm- und ppb-Bereich üblich sind, während die Halbleiterindustrie ppt- oder noch strengere Anforderungen stellt. Es ist ebenfalls offensichtlich, dass die Herstellung von Elementen mit höherer Reinheit mehr Verarbeitungsschritte erfordert, einschließlich der Verwendung anderer hochreiner (oft giftiger) Gase sowie Energie- und Wasserverbrauch. Angesichts der speziellen und entscheidenden Rolle der Reinheitsanforderungen in der Mikrochipherstellung würde die Vernachlässigung dieser Aspekte zu einem unvollständigen Verständnis der Bedeutung des digitalen Bereichs führen und möglicherweise die Umweltauswirkungen der Halbleiterindustrie unterschätzen.

Abbildung 3: Elemente, die in der Halbleiterindustrie von den 1980er bis 2010er Jahren verwendet wurden, adaptiert und aktualisiert aus früheren Arbeiten von O'Connor

Ziel dieses Artikels ist es, zu untersuchen, wie die Berücksichtigung der Reinheit das aktuelle Verständnis der Materialität digitaler Produkte und Dienstleistungen neu gestaltet und verbessert. Wir untersuchen, wie die Herstellung von Mikrochips aus der Perspektive der Reinheit betrachtet werden kann, um deren sekundäre Materialisierung und Engpässe aufzudecken, die nicht nur für die Umweltauswirkungen, sondern auch für die Branchenlieferkette von Bedeutung sind. Dazu stellen wir eine ergänzende Methode vor, die auf den speziellen Materialeigenschaften der Mikrochipindustrie basiert. Diese Industrie hat in zwei Aspekten sehr spezielle Anforderungen: (i) Vielfalt, d. h. die Anzahl der enthaltenen Elemente; (ii) (Ultra-)Reinheitsanforderungen. Dies gilt für viele Materialien, die in der Halbleiterherstellungsprozesse beteiligt sind, einschließlich Metallen und Gasen, unabhängig davon, ob sie in abtragenden Herstellungsprozessen verwendet werden oder dauerhaft auf dem Wafer (und schließlich im Endprodukt) verbleiben. Wir zeigen, wie diese beiden Eigenschaften der Schlüssel für eine feinere Methode sind, um die Materialität der Halbleiterindustrie upstream zu identifizieren und separat zu analysieren.

Der Rest dieses Artikels ist wie folgt strukturiert. Der Abschnitt „Methode“ beschreibt den Untersuchungsumfang, den Datengewinnungsprozess sowie Fallstudien mit Schwerpunkt auf vier Elementen. Anschließend werden die Ergebnisse der Analyse der Elementreinheitsanforderungen und der Fallstudien präsentiert. Schließlich erläutert der Abschnitt „Diskussion“ die Stärken und Schwächen der reinheitsbasierten Methode, um das Verständnis der Wichtigkeit der Materialien upstream der Halbleiterherstellung zu verbessern.

Methode

Beim Betrachten der Wichtigkeit der Halbleiterindustrie aus der Perspektive der Reinheitsanforderungen ergeben sich mehrere Fragen: Welche Elemente werden derzeit in der Herstellung digitaler Komponenten verwendet? Welchen Reinheitsgrad müssen Mikrochiphersteller heute erreichen? Welche industriellen Prozesse sind bei der Reinigung beteiligt? Wo werden diese Prozesse durchgeführt? Inwieweit verändert die hohe Reinheitsanforderung die Wichtigkeit der Elemente? Wie unterscheidet sie sich von anderen industriellen Anforderungen? Die in diesem Artikel vorgeschlagene Reinheitsmethode beinhaltet die Schätzung dreier Hauptmerkmale:

• Vergleich des Standardreinheitsgrads mit dem erforderlichen Halbleiterreinheitsgrad;
• Industrielle Herstellungsprozesse, die zur Erreichung eines hohen Reinheitsgrads erforderlich sind;
• Materialanforderungen der Waferfabrikationsausrüstung (z. B. Gase, die in den Excimerlasern von DUV-Lithographieanlagen verwendet werden).

Die Elementliste in Abbildung 3 stammt aus wenigen Informationen, die von TSMC und Intel, den beiden größten globalen Fabrikationsunternehmen, veröffentlicht wurden. Die weitere Einteilung der spezifischen Verwendungen dieser Elemente (z. B. zur Dotierung, Abscheidung, Musterung, Ätzung, Substrat) kann jedoch äußerst schwierig sein. Die Anwendungsfälle können auch zwischen verschiedenen Technologienodes und Fabrikationsunternehmen erheblich variieren.

Es ist zu beachten, dass obwohl wir in der wissenschaftlichen Literatur keine ähnliche Übersicht über das Periodensystem der Elemente gefunden haben, dies dennoch eine nicht erschöpfende Übersicht über die Elemente ist, die derzeit in der Halbleiterherstellung verwendet werden. Diese kann durch weitere Forschung erweitert und mit industriellen Daten ergänzt werden. Wenn die Reinheitsanforderungen hinzugefügt werden, kann eine solche Analyse helfen, die Materialanforderungen der Halbleiterindustrie aus einer völlig anderen Perspektive zu verstehen.

Da es schwierig ist, eine einheitliche Informationsquelle für industrielle und Halbleiterreinheitsgrade zu finden, mussten wir eine Datenbank aus heterogenen Quellen rekonstruieren. Wir haben zunächst Informationen aus den Katalogen der Hauptlieferanten gesammelt: Gaslieferanten wie Linde Gas, Sumitomo Seika und Airgas; Lieferanten von Elementen, die in Sputtertargets verwendet werden, wie Umicore, Stanford Materials, Applied Materials, Honeywell und Materion; und Verbindungsstofflieferanten wie Solvay und der American Chemistry Council.

Anschließend haben wir auf der Grundlage unserer ersten Untersuchung für jedes Element eine spezielle Suche in der Fachliteratur über Reinigungsprozesse und in Patentdatenbanken durchgeführt. Darüber hinaus haben wir soweit möglich Regierungsberichte oder institutionelle Literatur von Forschungsinstituten herangezogen, um Lücken zu schließen.

A: Untersuchungsumfang

Diese Studie konzentriert sich auf die Halbleiterherstellung, da sie einige der Schlüsselhardwarekomponenten für digitale Produkte und Dienstleistungen liefert. Da die Halbleiterindustrie einen wichtigen Teil der Materialströme im digitalen Bereich konzentriert, ist sie ein Bereich, der besondere Aufmerksamkeit erfordert. Genauer gesagt, befassen wir uns mit der Mikrochipherstellung und den dazugehörigen industriellen Herstellungsprozessen, da viele dieser Prozesse abtragend sind, d. h. nur ein kleiner Teil des Materials wird schließlich im Endprodukt verwendet.

B: Datengewinnung zu Reinheitsanforderungen

Wie viele andere Branchen hat auch die Halbleiterindustrie ihre Geschäftsgeheimnisse. Angesichts der Tatsache, dass moderne Mikrochips möglicherweise die komplexesten Serienprodukte aller Zeiten sind, ist die Geheimhaltung in der Regel viel höher als in anderen Branchen. Da nur wenige Hauptakteure (TSMC, Samsung, SMIC, Intel usw.) in der Lage sind, die neuesten Technologienodes herzustellen, ist es nicht verwunderlich, dass es nur wenige Details über die tatsächlichen Prozessschritte und die verwendeten Formulierungen gibt.

Um zu verstehen, welche Elemente derzeit in der Halbleiterherstellung verwendet werden und welchen Reinheitsgrad Mikrochiphersteller derzeit benötigen, haben wir uns auf die öffentlichen Dokumente der Hauptakteure in der Branche (TSMC, STMicroelectronics, ASML, Applied Materials) sowie die Katalogen und Datenblätter der industriellen Lieferanten (Umicore, Materion, Linde, SAMaterials, Solvay, Air Products) bezogen. Die Reinheitss