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Les impacts environnementaux liés à la production du silicium

Les impacts environnementaux liés à la production de composants électroniques à base de silicium débutent avec l’exploitation des carrières d’où sont extraits les sables nécessaires à cette industrie. La poursuite du processus nécessite des combustibles fossiles comme le charbon, du charbon de bois dont respectivement l’extraction et la production ont également un impact environnemental. Rappelons ici que l’usage intensif du charbon de bois dans les forges a été à l’origine d’importantes déforestations dans la Chine antique ainsi que l’Europe romaine puis médiévale. Enfin, les divers processus de purification nécessaires à l’obtention de la qualité électronique du silicium auront également un poids considérable dans l’impact environnemental global des puces électroniques.

Les impacts imputables à l’exploitation des carrières

Une activité aussi répandue que l’exploitation de carrières de silice, de sables ou de graviers n’est pas sans laisser des traces qui vont au delà du simple aspect visuel, mais qui posent de véritables problèmes d’érosion des sols et de dégradation de l’environnement aux alentours de ces sites. Bien que l’impact environnemental de chacune de ces carrières peu sembler limité, leurs impacts combinés sont considérables en raison de leur large dispersion sur la région d’extraction [[A geomorphological design for the rehabilitation of an abandoned sand quarry in central Spain, JF Martin Duque et al., Landscape and Urban Planning 42(1998) 1-14]]. Ceci est dû à plusieurs raisons :

– une durée de vie moyenne extrêmement limitée: de nouvelles carrières sont constamment ouvertes et les anciennes abandonnées
– cette activité a été poursuivie depuis des siècles
– cette activité s’accentue dans les années récentes

L’extraction de sable conduit à une série d’impacts environnementaux négatifs qui ont été décrits et évalués avec des méthodes standardisées [[Leopold et al., 1971; Gonzalez Alonzo et al., 1991]]:

– les effets sur le paysage ont été jugés critiques
– les impacts sur la qualité de l’eau ont été jugés sévères (augmentation des écoulements, de l’érosion et de la turbidité en aval)
– les impacts sur le sol et la végétation ont également été jugés sévères (érosion, atteinte aux zones boisées et aux pâturages)

Les impacts liés à la production du silicium

En 1990, la production mondiale de silicium de qualité métallique atteignait 800 000 tonnes. Seulement 32 000 tonnes ont obtenu la qualité électronique. Après les dernières étapes de purification et d’importants déchets de fabrication, seules 3 200 tonnes finirent dans des cellules photovoltaïques et 750 tonnes dans des composants électroniques [[Vers une écologie industrielle, Suren Erkman, pp 86-88, 2004]]. Il aura fallu utiliser plus de 100 000 tonnes de chlore et 200 000 tonnes d’acides et solvant divers dont le traitement n’était pas assuré à l’époque. La pollution constatée depuis dans la “Silicon Valley” atteste que ces effluents toxiques ont été rejetés dans l’environnement, polluant les nappes phréatiques. Le traitement industriel du silicium est donc excessivement propice au gaspillage de matière première, gros consommateur de produits toxiques, d’eau et d’énergie.

La pression sur les ressources s’intensifie

Une étude de 1998 décrit les principaux flux matières de la chaîne de fabrication du silicium [[Forecasting material and economic flows in the global production chain for silicon, Eric Williams, Technological Forecasting & Social Change 70 (2003) 341–357 343]]. Ces chiffres ne prennent pas en compte l’eau, les produits chimiques, les gaz élémentaires nécessaires au processus (ces données sont rares), mais cela donne quand même une idée de l’impact global d’une telle activité. On voit clairement que le flux matière de loin le plus important est le charbon. L’impact environnemental lié à cette énergie fossile sera très différent selon le pays où cette extraction se déroule (pays émergent/pays développé).

Production de silicium métallique
Flux matière19982020
Charbon (millions de t)0.260.67
Charbon de bois (millions de t)0.641.7
Quartz (millions de t)2.77.1
Wafers (milliards de cm2)24.5133

Une production de plus en plus énergivore

Les différentes étapes pour transformer la ressource naturelle (silice) en wafer sont très consommatrices en énergie. L’énergie nécessaire à l’accomplissement de chaque étape de ce long processus a été évaluée et on remarque que c’est la chaîne de traitement du wafer qui est la phase la plus énergivore (cf. graphique ci-dessous) avec près de 73% de l’énergie totale nécessaire pour le processus global. Au total, 2933 kWh d’électricité sont nécessaires pour produire 1 kg de wafer en silicium. Ramené à la production d’1 cm2 de wafer, la dépense énergétique est de 0,34 kWh. Pour donner une échelle de grandeur, une famille française moyenne (4 personnes en maison individuelle), consomme environ 4500 kWh/an (source: projet REMODECE 2008 cabinet ENERTECH).
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La consommation énergétique mondiale des secteurs du charbon et des semi-conducteurs étaient respectivement de 1500 et 210 TJ (Téra Joules) en 1998. Si l’on prend en compte les progrès accomplis entre 1993 et 1999 en termes d’efficacité énergétique, on estime l’évolution de ces deux secteurs respectivement à 2300 et 1100 TJ en 2020. La consommation énergétique du secteur des semi-conducteurs est multipliée plus de 5 (comme la surface de wafers produits). On mesure combien l’industrie des semi-conducteurs est de plus en plus énergivore. Les améliorations des techniques de fabrication diminuent les flux matières nécessaires, mais cette avancée est plombée par une demande qui s’envole : c’est “l’effet rebond”. Produire du silicium de qualité électronique consomme 160 fois plus d’énergie que du silicium de qualité métallique : c’est la part de la purification extrême demandée pour l’électronique [[The 1.7 Kilogram Microchip: Energy and Material Use in the Production of Semiconductor Devices, Eric D. Williams et al, Environ.Sci.Technol.2002, 36,5504-5510]].

L’emploi de produits toxiques est permanent

L’industrie des semi-conducteurs est grosse consommatrice de produits chimiques, plusieurs en quantité importantes et plusieurs toxiques. Les effluents de ces produits ont des impacts potentiels sur la qualité de l’air, de l’eau, des sols et sur la santé des employés qui risquent de développer des maladies professionnelles.
Les données concernant l’emploi de produits chimiques dans le cadre de la chaîne de fabrication des semi-conducteurs sont difficiles à obtenir et varient sensiblement selon les sources. Toutefois, pour produire 1 cm2 de puce électronique, on peut dégager une fourchette 6 à 190 g de substances chimiques nécessaires en entrée, ainsi que de 1,2 à 160 g d’émissions de produits chimiques en sortie.
Une société qui préfère rester anonyme confie que pour produire 1 cm2 de wafer, il faut 45 g de produits chimiques :

– gaz dopants/déposition (silane, phosphine, dichlorosilane, diborane): 0,16 g
– photolithographie (acétone, peroxyde d’hydrogène, hydroxyde de tétraméthylammonium,…): 14 g
– gravure (protoxyde d’azote, ammoniaque, chlore, trichlorure de bore,…): 0,23 g
– acides/bases (acides phosphorique, nitrique, sulfurique, chlorhydrique, ammoniaque,…): 31 g

et en ce qui concerne les gaz élémentaires (azote, hélium, argon, hydrogène, oxygène): 556 g. En d’autres termes, ce ne sont pas moins de 280 kg de produits chimiques par kg de silicium produit. On peut en conclure que l’industrie électronique est excessivement consommatrice en produits chimiques.

L’utilisation d’importantes quantités d’eau en grande partie ultra pure

La chaîne de fabrication des semi-conducteurs a également besoin d’importantes quantités d’eau hautement purifiée. Une usine de fabrication de wafers de 6 pouces qui produit 40 000 wafers par mois, consomme de 7,57 à 11,35 millions de litres d’eau par mois, soit entre 18 et 27 litres d’eau par cm2 de silicium [[Peters, L. Semiconductor International 1998, 21(2), 71]].
Comme on a pu le voir dans la production des wafers (étape 10 du processus), une eau de qualité ultra pure est nécessaire au nettoyage des wafers. De par leur taille (pouvant aller jusqu’à 32 nm) les circuits présents sur les wafers ne tolèrent pas les éléments minéraux contenus dans une eau de qualité courante. Le traitement que devra subir l’eau du réseau dépend de sa qualité et des besoins requis par le processus industriel. La quantité d’eau ultra pure dépend de la taille du wafer mais aussi de la fonction des composants produits : les puces mémoires sont constituées de moins de couches que les puces logiques et plus il y a de couches, plus les besoins en eau sont importants. Les industriels déclarent que pour la fabrication d’un wafer de 300 mm, 8330 litres d’eau sont nécessaires (dont 68% doit être ultra pure) [[Pure water, semiconductors and the recession, http://www.globalwaterintel.com/archive/10/10/market-insight/pure-water-semiconductors-and-the-recession.html]].
Le procédé schématique de purification de l’eau s’établit de la manière suivante [[Water processes and production: High and ultra-high purity water, Anthony Bennett, Filtration & Separation Volume 46, Issue 2, March-April 2009, Pages 24-27]]:

– filtrations multiples et micro-floculation pour enlever les matières en suspension
– charbons actifs pour éliminer les composés organiques
– osmose inverse pour éliminer les sels dissous au niveau ionique

Les besoins en eau sont devenus tellement importants que l’extension de la production des semi-conducteurs est remise en question sur beaucoup de sites en raison des restrictions d’accès à l’eau.

Des effluents toxiques

Comme on vient de le voir, l’industrie des semi-conducteurs fait face à une consommation importante d’eau et par voie de conséquences, une quantité toute aussi importante d’effluents qui doivent être traités de même que les filtres qui doivent être régulièrement nettoyés par une combinaison d’agents de nettoyages acides et alcalins.
Tous les produits employés lors du processus d’élaboration des wafers se retrouvent dans ces eaux usées : arsenic, antimoine, phosphore, peroxyde d’hydrogène, acides nitrique, sulfurique et hydrofluorique, boues de pâte à polir et même des résidus métalliques (cuivre par exemple) [7]. Devant les pressions induites par les règlementations environnementales, ces eaux usées doivent être traitées et recyclées, ce qui commence à être réalisé. Les produits toxiques doivent être filtrés et les acides neutralisés.

L’emploi des gaz élémentaires

Si l’utilisation de gaz élémentaires comme l’oxygène, l’azote ou l’argon ne crée pas à proprement parler d’impact direct autre que les précautions à prendre lors de leur manipulation, il n’en reste pas moins vrai que l’énergie nécessaire à leur production et à leur purification est importante. Le laboratoire Lawrence Berkeley rapporte que 7% de sa consommation électrique est consacrée à la production d’azote liquide [5]. Pour le reste, très peu d’informations sont disponibles pour estimer l’énergie nécessaire à la production de ces gaz élémentaires.

Conclusion

L’industrie électronique est considérée comme une industrie plus propre que ses voisines (mines, chimie, pétrole) mais en réalité, son impact environnemental est bien plus important en regard de la quantité de ressources, d’eau, d’énergie et de produits toxiques en jeu par unité de produit final.

Suite de l’article : les aspects sociaux