Das benötigte Volumen kann riesig sein. In den USA verbrauchen Chipfabriken weitaus weniger Wasser als die Landwirtschaft und die Energieerzeugungsindustrie, und Halbleiter haben auf nationaler Ebene keine politischen Spannungen um Wasserressourcen angeheizt, sagt Chris Miller, Geschichtsprofessor an der Tufts University in Massachusetts und Autor der jüngsten Studie Buch Chip-Krieg. Dennoch gaben die Engpässe in TSMCs Heimat Taiwan Anlass zur Sorge, wo Dürren die örtlichen Bauern, deren Bewässerungssysteme abgeschaltet wurden, gegen den Chiphersteller aufbringen mussten.
Nicht irgendein Wasser reicht aus. So wie die Luft in einer Chip-Fabrik so staubfrei sein muss, dass die Menschen umfassende Schutzanzüge tragen müssen, verwendet die Halbleiterindustrie eine spezielle Kategorie von „ultrareinem“ Wasser, um Siliziumwafer während des gesamten Herstellungsprozesses zu reinigen. Während normales Trinkwasser eine Reinheit von 100 bis 800 Mikrosiemens pro Zentimeter haben kann – ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit, das als Indikator für Kontamination dient – hat ultrareines Wasser laut Gradiant, einem Wasserrecycling-Startup mit Sitz in Boston, weniger als 0,055 Mikrosiemens pro Zentimeter Das funktioniert mit Chipherstellern. Reinstwasser muss eine extrem niedrige Leitfähigkeit haben, was nur einer geringen Anzahl störender Ionen oder geladener Atome entspricht.
„Wenn man die höchstmögliche Leistung des Materials erreichen will, muss man sehr oft auf extreme Reinheit umsteigen“, sagt Grace Xing, Professorin für Elektro- und Computertechnik an der Cornell University, die auch ein neues, universitätsübergreifendes Halbleiterforschungszentrum leitet HÖCHSTE. „Das ist einer der Gründe, warum die Halbleiterindustrie viel Wasser benötigt.“
Die Herstellung von hochreinem Wasser ist ein mehrstufiger Prozess, der eine Vielzahl von Verunreinigungen entfernt, darunter Mikroben und andere mikroskopisch kleine Lebewesen, die Sie möglicherweise in Ozeanen und Seen finden, sowie kleinere Partikel, darunter sogar Salzionen. Eine verwendete Technik ist die Umkehrosmose, die auch in Entsalzungsanlagen eingesetzt wird. Dabei wird Wasser durch eine Membran gedrückt, deren Poren klein genug sind, um Salze herauszufiltern. (Chipfabriken verwenden auch weniger reines Wasser, ähnlich dem, das aus Haushaltshähnen fließt, um Produktionsanlagen zu kühlen.)
Angesichts der entscheidenden Rolle von Wasser bei der Chipherstellung ist die Rückgewinnung und Wiederverwendung von Abwasser für die Industrie zu einer Priorität geworden. Je mehr davon in einer Fabrik wiederverwendet werden kann, desto geringer ist die Notwendigkeit, die örtliche Wasserversorgung anzuzapfen. Derzeit variiert der Anteil des Abwassers, der recycelt werden kann, je nach Unternehmen und Fabrik, abhängig von den verwendeten Herstellungsprozessen und den Investitionen in die Wasseraufbereitung. Dennoch stehen sie alle vor dem gleichen Grundproblem: Bei der Reinigung der Wafer wird Reinstwasser verunreinigt und muss gründlich gereinigt werden, bevor es in einer Fabrik wiederverwendet oder in ein öffentliches Abwasseraufbereitungssystem eingeleitet werden kann.
Die Reinigung des verschmutzten Wassers ist ein komplizierter Prozess, da sich im Fabrikabwasser unzählige Schadstoffe befinden. Durch Lithografie und Ätzen kann saures Abwasser entstehen, das sogar mit starker Flusssäure verunreinigt werden kann. Schwebende Siliziumpartikel können beim Ausdünnen der Wafer sichtbar werden, während die Verwendung von Lösungsmitteln wie Isopropylalkohol organische Kohlenstoffrückstände hinterlassen kann.
„Die Industrie hat Methoden entwickelt, um verschiedene Bestandteile dieses Abwassers zu trennen, ähnlich wie die allgemeine Bevölkerung Recycling sortiert“, sagt Prakash Govindan, Mitbegründer und COO von Gradiant. „Die Halbleiterindustrie ist tatsächlich sehr weit fortgeschritten, wenn es um den Umgang mit Abwasser geht“, sagt er. „Die fortschrittlichen Unternehmen, die amerikanischen multinationalen Konzerne, mit denen wir zusammenarbeiten – aber auch die koreanischen und taiwanesischen Unternehmen, mit denen wir zusammenarbeiten – alle trennen ihr Abwasser in mindestens mehr als zehn Arten, einige davon in 15 oder 16.“