La produzione di semiconduttori dipende in modo critico dall'elio

I prodotti a semiconduttore più sofisticati possono avere oltre un miliardo di transistor incisi su un chip di silicio delle dimensioni di un'unghia. Raggiungere tale complessità richiede molteplici fasi all'interno della linea di produzione per controllare con precisione i processi a livello atomico, su wafer che possono raggiungere i 30 centimetri di diametro.

Molti prodotti chimici e gas sono essenziali per il processo di produzione dei semiconduttori. L'elio è uno di questi, grazie alle sue proprietà criogeniche, all'eccezionale conduttività termica, all'inerzia chimica, alle dimensioni ridotte e all'elevata diffusività, senza sostituti diretti. Viene utilizzato in tutto il processo produttivo ed è fondamentale per il funzionamento degli impianti di produzione. Secondo le previsioni di IDTechEx, contenute nel suo rapporto "Helium for Semiconductors and Beyond 2025-2035: Market, Trends, and Forecasts", la domanda di elio nella produzione di semiconduttori quintuplicherà entro il 2035.

Ad esempio, all'interno della linea di produzione, l'elio è essenziale come gas vettore per i processi di deposizione, come diluente nell'incisione al plasma e per il raffreddamento dei wafer al fine di minimizzare la deformazione dovuta allo stress termico. È fondamentale per la litografia a ultravioletti estremi (EUV) nella fabbricazione di chip sub-5 nm, cruciali per le applicazioni di intelligenza artificiale, e per il raffreddamento di wafer e attrezzature. Inoltre, durante le operazioni di fabbrica, viene utilizzato anche per i test di tenuta e sicurezza di condotte e apparecchiature, nonché per creare un'atmosfera ultra-pulita nei processi produttivi.

Perché il Qatar è così importante nel commercio dell'elio?

A livello globale, le riserve di elio conosciute si trovano principalmente in Qatar, Stati Uniti, Algeria, Russia, Canada e Cina, con il Qatar che detiene le riserve più ingenti (>10 miliardi di m³). Il Qatar è un importante fornitore, insieme a Stati Uniti e Russia, ed è il secondo produttore mondiale, fornendo oltre un terzo dell'elio globale.

Anche il metodo di produzione dell'elio è importante, poiché generalmente si ottiene come sottoprodotto della lavorazione del gas naturale, dove l'elio è presente in quantità molto ridotte (tipicamente tra lo 0,3% e lo 0,5%, a seconda del giacimento). La separazione dell'elio dal gas naturale richiede una serie di processi, tra cui la separazione criogenica per separare l'azoto dall'elio, l'adsorbimento a membrana e a pressione variabile (PSA) e la successiva liquefazione criogenica per il trasporto. Tutto ciò richiede ingenti investimenti di capitale, quindi la produzione di elio ha senso solo se gli impianti trattano enormi quantità di gas naturale. Ecco perché l'impianto di Ras Laffan in Qatar è così importante, data la sua scala operativa.

Anche il Qatar e la Russia sono attori chiave, poiché entrambi si sono concentrati sull'espansione della produzione di elio e, dato che l'impianto di Ras Laffan in Qatar è stato colpito e chiuso, ciò sta già avendo un impatto sui prezzi e sull'offerta di elio. Anche se gli impianti dovessero riprendere ora (anche solo parzialmente), ci sarà un ritardo, le cui conseguenze si faranno sentire lungo tutta la catena del valore.

Che implicazioni ha tutto ciò per l'industria dei semiconduttori?

Innanzitutto, in circostanze normali, l'elio è un gas altamente deperibile, con perdite dai contenitori di stoccaggio pari a circa l'1% al giorno, secondo gli esperti del settore. Ciò rende molto difficile immagazzinare e mantenere scorte consistenti. Infatti, viene utilizzato per i test di tenuta proprio a questo scopo. Questo significa che gli impianti di produzione di semiconduttori dipendono da una fornitura stabile. Interruzioni di fornitura possono rallentare la produzione e, in casi estremi, ritardi significativi possono portare alla chiusura degli impianti.

Le fabbriche come TSMC in genere mantengono scorte sufficienti per diversi mesi e utilizzano sistemi di riciclo dell'elio, ma la loro capacità di superare questa crisi dipenderà interamente dalla durata delle interruzioni. Se queste dovessero protrarsi per diversi mesi, ciò avrebbe enormi ripercussioni sull'industria dei semiconduttori, soprattutto considerando la crescente domanda di chip sempre più sofisticati per l'intelligenza artificiale e il calcolo ad alte prestazioni (HPC) che richiedono nodi di processo inferiori a 5 nm.

Inoltre, è importante considerare anche le regioni in cui si trovano i giganti della produzione di semiconduttori. I Paesi che hanno diversificato le proprie fonti di approvvigionamento di elio si trovano in una posizione più vantaggiosa. Ad esempio, Taiwan si rifornisce di elio per circa due terzi dal Qatar e dagli Stati Uniti, mentre la parte restante proviene da altre fonti. D'altro canto, si prevede che la Corea del Sud si rifornirà di elio dal Qatar per circa il 65% nel 2025, rendendo i produttori locali di semiconduttori vulnerabili alle problematiche della catena di approvvigionamento. Di conseguenza, aziende come Samsung e SK Hynix avrebbero stipulato accordi di fornitura a lungo termine con società come Linde e Air Products, che si riforniscono di elio principalmente dagli Stati Uniti.

Esistono metodi alternativi per ottenere l'elio?

Sebbene l'elio come sottoprodotto del gas naturale sia il metodo principale di produzione, in paesi come gli Stati Uniti e il Canada esistono zone geologiche in cui le riserve possono contenere concentrazioni di elio che vanno dallo 0,3% al 10%. Ciò apre opportunità per le aziende più piccole di entrare nel settore. Secondo IDTechEx, i sistemi di separazione a basso costo, come le tecnologie a membrana e PSA, possono essere utilizzati per migliorare e purificare l'elio ottenuto da queste fonti, e gli operatori adottano sistemi PSA, a membrana o ibridi PSA + membrana a seconda dell'obiettivo di separazione. Basandosi sulle informazioni raccolte attraverso interviste con importanti sviluppatori di tecnologie come Generon e UGS, il rapporto IDTechEx fornisce un'analisi di mercato completa di queste tecnologie, inclusi confronti tra prodotti e casi di studio.

Prospettive di IDTechEx

Se queste problematiche dovessero persistere, potremmo assistere a una maggiore adozione di misure di conservazione o riciclo dell'elio nella produzione di semiconduttori. Un esempio significativo di successo è rappresentato dall'utilizzo dell'elio negli scanner per risonanza magnetica (MRI), dove i moderni sistemi MRI hanno subito miglioramenti tecnologici e implementato sistemi a circuito chiuso per ricircolare l'elio, evitando così la necessità di ricariche.

Detto questo, a parte la crisi attuale, negli ultimi vent'anni circa si sono verificate quattro significative carenze di elio, che hanno avuto un impatto sulla disponibilità sul mercato e sui prezzi. Pertanto, le industrie che dipendono in modo critico dall'elio in genere dispongono di piani di emergenza, come la diversificazione delle fonti di approvvigionamento, per proteggersi da interruzioni a breve termine. Tuttavia, la capacità di settori come quello della produzione di semiconduttori di superare la tempesta dipenderà interamente dalla durata delle interruzioni. La persistente volatilità del mercato potrebbe indurre le industrie a diversificare sempre più le proprie catene di approvvigionamento di elio per ridurre la dipendenza da un singolo paese, adottando un approccio più equilibrato che includa Qatar, Russia e Stati Uniti.

Autore: Dott. Shababa Selim, analista tecnologico senior presso IDTechEx