Halbleiterfertigung nutzt Ressourcen immer effizienter

Die Produktion von Chips erfordert große Mengen an Energie und Wasser sowie den Einsatz klimaschädlicher Gase. Laut Deloitte sinkt die Ressourcenintensität aber – und es bleiben noch Effizienzreserven.

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Die Halbleiterindustrie wächst. Bis zum Jahr 2030 dürfte sich ihr Umsatz gegenüber 2023 fast verdoppeln. Und die Fertigung von Chips ist ressourcenintensiv. Bis zu 100 MWh in der Stunde verbraucht eine Halbleiterfabrik, um Silizium zu schmelzen, Hochleistungslaser für die Lithographie zu betreiben, Vakuum zu erzeugen oder für zahllose Reinigungsprozesse. Dazu kommt ein hoher Wasserbedarf für Herstellung, Kühlung und Abgasreinigung sowie der Einsatz von zum Teil sehr klimaschädlichen Gasen wie PFCs, NF3 oder SF6.

Dabei sind der Ausstoß und der Verbrauch einer Fabrik umso höher, je kleiner die produzierten Knoten sind: Die Herstellung eines 2-nm-Knotens erfordert 3,5 Mal so viel Energie und 2,3 Mal so viel Wasser wie die eines 28-nm-Knotens und sie verursacht 2,5 Mal so viel Treibhausgase. Heute entfallen etwa 0,2 % der globalen Treibhausgasemissionen auf die Chipindustrie. Soll sich der Ausstoß bis 2030 nicht verdoppeln, gilt es, Ressourcen in der Herstellung effizienter zu nutzen.

Energieintensität sinkt kontinuierlich

Dass sich die Industrie hier auf einem guten Weg befindet, davon sind Experten von Deloitte überzeugt. Laut Prognosen des Beratungsunternehmens wird die Energieintensität – also der Energieverbrauch je Dollar Warenwert – im Laufe des Jahres 2024 um fast 14 % unter dem Wert des Jahres 2020 liegen. Dieser seit einigen Jahren beobachtete Trend einer sinkenden Energieintensität ist eng mit der Inbetriebnahme neuer Chipfabriken (Greenfield) mit in der Regel effizienteren Produktionstechnologien verknüpft. In der Zukunft könnte laut Deloitte jedoch auch die Modernisierung bestehender Fabriken (Brownfield) maßgeblich zur Einsparung von Ressourcen beitragen.  

Wichtige Ansätze in diesem Zusammenhang sieht Deloitte im Einsatz von digitalen Zwillingen, generativer KI und privaten 5G-Netzwerken sowie vernetzten Sensoren, wodurch der Verbrauch von Energie, Wasser und Prozessgasen transparent wird. Zudem wirke sich der Umstieg auf erneuerbare Energien aus, der sich 2024 gegenüber 2020 bereits auf 28 % am Gesamtenergiemix in der globalen Halbleiterfertigung verdoppelt habe.

Umgang mit Abgasen mit Potenzial

Groß ist auch der Wasserbedarf in der Halbleiterfertigung. Im Jahr 2019 verwendete die globale Chipindustrie etwa 1 Billion Liter Wasser für die Fertigung (79 %), in Kühltürmen (9 %) und in Wäschern (11 %), wobei laut Deloitte in einigen Fabriken über 80 % des Wassers im Kreislauf bleiben – also nicht beispielsweise durch Verdunstung verloren gehen. Besonders durch bedarfsgerecht gesteuerte Prozesse in der Abgasreinigung ließe sich laut Deloitte die Wassernutzung hier um bis zu 98 % senken.

Im Bereich der Prozessgase fanden sich zuletzt Alternativen, die etwas weniger klimaschädlich sind, als Ersatz für Gase wie PFCs, deren Einsatz bereits weitgehend auf ein Minimum reduziert wurde. Größeres Potenzial für den Umgang mit den Gasen sieht Deloitte in der Verbrennung oder der Umwandlung dieser Gase nach Gebrauch in weniger schädliche Produkte.

Schlägt der Rebound-Effekt die Effizienz?

Ob mit kontinuierlich nachhaltiger produzierten Chips jedoch auch der absolute ökologische Fußabdruck der Chipindustrie sinkt, wird sich laut Deloitte jedoch noch zeigen müssen, denn einerseits wirken sich auch andere Teile des Lebenszyklus wie die Ressourcengewinnung, das Packaging oder der Vertrieb aus, wärhend anderseits der Rebound-Effekt droht: dass also Chips, die effizienter hergestellt werden, auch in größerer Stückzahl produziert und eingesetzt werden und so die Einsparungen möglicherweise überkompensieren.