Pourquoi l'eau ultrapure est essentielle à l'industrie microélectronique

L'industrie des semi-conducteurs fonctionne à un rythme sans équivalent dans le secteur manufacturier. Tous les deux ans, les entreprises lancent de nouvelles puces à géométrie plus petite, à densité de transistors supérieure et de conception plus complexe. Ces puces équipent des technologies qui vont des smartphones aux centres de données et qui, toutes, exigent des vitesses plus élevées, une plus grande puissance de traitement et une consommation d'énergie réduite. Ce cycle d'innovation effréné façonne les interactions de la société avec la technologie.

Mais chaque avancée technologique recèle un impératif souvent négligé : de l'eau ultrapure d'une qualité exceptionnelle. Les puces étant désormais plus fines qu'un cheveu humain et approchant la taille des brins d'ADN, l'eau utilisée dans leur production doit répondre à des spécifications qui excèdent même celles de l'eau de qualité pharmaceutique.

Contrairement à la plupart des industries où la qualité de l'eau est dictée par la conformité réglementaire, la fabrication de semi-conducteurs est soumise à une pression purement liée à la performance. La moindre particule contaminante peut détruire une puce d'une valeur de 50 000 à 60 000 USD, de sorte que le rendement et la rentabilité de la production sont directement tributaire de la pureté de l'eau.

Au cours de la dernière décennie, l'industrie a progressé au gré d'exigences de plus en plus strictes sur la qualité de l'eau. Le traitement classique des eaux industrielles se concentre ainsi sur des niveaux de contamination en parties par million (ppm). Les chaudières à haute pression et les applications pharmaceutiques nécessitent généralement une pureté de l'ordre des parties par milliard (ppb). L'industrie des semi-conducteurs a encore poussé cette exigence d'un ordre de grandeur, jusqu'aux parties par trillion (ppt), voire jusqu'aux parties par quadrillion (ppq) pour les installations de pointe.

À titre d’illustration, si l'on imagine la distance totale de la Terre à la Lune, les 5 premiers centimètres représentent l'ordre de la précision requise pour l'eau ultrapure de qualité semi-conducteurs. Cette extrême précision est nécessaire car les micropuces modernes contiennent des circuits dont la géométrie se mesure en nanomètres.

Le défi pour la fabrication

Les circuits plus complexes nécessitent davantage d'étapes de traitement, et chacune d’elles exige de l'eau ultrapure pour la préparation et le nettoyage des surfaces. Selon le Forum économique mondial, un fabricant microélectronique type en consomme ainsi jusqu'à 38 000 m³ par jour, d'où l'importance cruciale du procédé de purification et de la réutilisation de l'eau.

À la différence d’autres intrants de fabrication qui peuvent être acheminés depuis un approvisionnement extérieur, l'eau ultrapure doit être produite sur le site et utilisée immédiatement pour éviter toute contamination. Ce modèle de production à flux tendu requiert des systèmes de traitement de l’eau sophistiqués, capables de délivrer en permanence les niveaux de pureté requis.

Or, de nombreuses usines de semi-conducteurs se trouvent dans des régions où l'eau est rare, ce qui accroît la pression à optimiser l'efficacité hydrique. Des entreprises comme TSMC ambitionnent de recycler 60 % de leur eau de procédé mais cela crée un défi paradoxal : les fabricants doivent convertir leurs eaux usées les plus complexes, qui contiennent des composés chimiques couvrant tout le spectre du tableau périodique, en eau aussi pure que possible pour sa réutilisation dans la production.

Cette exigence de recyclage représente l'un des défis techniques les plus ardus dans le domaine du traitement de l'eau, tous secteurs confondus. Les eaux usées issues de la fabrication de semi-conducteurs présentent des concentrations élevées de métaux, de solvants et d'autres contaminants qui doivent être éliminés jusqu'au seuil de spécifications de l'eau ultrapure permettant sa réutilisation.

Les centres de données, bien que très gourmands aussi en eau, sont confrontés à des défis fondamentalement différents. Il leur faut principalement dissiper la chaleur et, souvent, ce sont des systèmes de refroidissement à l'air, ou à l'eau en circuit fermé, qui répondent à ce besoin. Dans la fabrication de semi-conducteurs, c'est la consommation continue d'eau ultrapure, directement utilisée dans le processus de production, qui rend la gestion de l'eau bien plus complexe.

Un gage de certitude dans un secteur aux enjeux considérables

L'industrie des semi-conducteurs repose sur des investissements en capital colossaux : une usine de fabrication peut, à elle seule, dépasser les 25 milliards USD en coûts de construction. Au sein d'une telle installation, les systèmes de traitement de l'eau représentent une part importante des dépenses d’infrastructures.

Compte tenu de ces enjeux, les fabricants de semi-conducteurs recherchent des partenaires capables de réduire les risques tout au long du cycle de vie du projet. Ils doivent avoir la garantie que leurs systèmes de traitement de l'eau délivreront la qualité requise, respecteront les délais serrés pour la mise en service des installations, et assureront une exploitation durable à mesure que la production s'intensifie.

Fort de plus de 40 ans d'expérience dans le secteur de la microélectronique et de près de 400 projets réalisés, Veolia connaît les avantages opérationnels et environnementaux considérables que peuvent apporter des solutions sur mesure.

Pour ASM, l'un des principaux fournisseurs d'équipements pour semi-conducteurs, le défi consistait à réduire sa consommation d'eau sur son site de Phoenix, dans le cadre de son engagement « net zéro » à l’horizon 2035. Veolia a mené un audit complet et a identifié le système de tours de refroidissement comme le poste le plus gourmand, concluant que l'installation pouvait réduire sa consommation d'eau en diminuant le débit de rejet, tout en gérant la hausse de concentration des matières dissoutes qui en résulterait, en concertation étroite avec les autorités municipales afin de modifier l'autorisation d'exploiter. Cette solution a permis à ASM d'augmenter le nombre de cycles de ses tours de refroidissement et de réduire sa consommation d'eau journalière de 106 m³ à 34 m³, soit plus de 26 000 m³ par an, pour une réduction de 60 %, tout en générant 35 220 USD d'économies. Ce projet a valu à ASM l'un des prix « Return on Environment » décernés par Veolia.

Un autre grand fabricant américain de semi-conducteurs se trouvait confronté au défi coûteux de devoir traiter en continu la totalité de ses eaux usées pour respecter les normes de rejet. Cela nécessitait d’importantes quantités de produits chimiques, générait des volumes de boues conséquents et conduisait au gaspillage d'une ressource précieuse dans cette région pauvre en eau qu’est le sud-ouest des États-Unis. En partenariat avec l’industriel, Veolia a mis en place un programme sophistiqué de surveillance et de réutilisation de l’eau qui permet de détourner, de stocker et d’analyser les flux d’eaux usées, de sorte à n’ajouter les produits chimiques de traitement qu’en cas de nécessité. L'usine économise désormais 57 000 m³ d'eau par an, tout en ayant réduit sa consommation de produits chimiques de 159 tonnes et supprimé 82 tonnes de boues. L'eau réutilisée est si propre qu'elle permet aux tours de refroidissement de fonctionner à un taux de concentration de neuf, ce qui se traduit par plus de 100 000 USD d'économies annuelles.

Des capacités à la hauteur des défis de demain

Les solutions de Veolia couvrent la production d'eau ultrapure, le traitement séparé des eaux usées, les systèmes à zéro rejet liquide et la surveillance avancée. Pour ce qui est de l'eau ultrapure, nos systèmes surpassent déjà les anciennes spécifications, de l'ordre des ppt, pour s'aligner sur celles à venir, en ppq.

À l'heure où l'intelligence artificielle et l'informatique de pointe alimentent la demande en semi-conducteurs toujours plus puissants, des défis encore plus grands en matière de qualité et de conservation de l'eau se posent pour les fabricants. Leur succès repose sur des partenaires tels que Veolia, qui sont conscients de l'impact de la gestion de l'eau sur le rendement de production, l'efficacité opérationnelle et la durabilité à long terme.

Notre approche, qui consiste à anticiper les défis de demain en soumettant les technologies les plus avancées d'aujourd'hui à des tests rigoureux, fait de nous un partenaire de confiance pour ce secteur où la précision et la fiabilité ne sont pas négociables.

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