A fabricação de semicondutores depende criticamente do hélio

Os produtos semicondutores sofisticados podem ter mais de mil milhões de transístores gravados num chip de silício do tamanho de uma unha. Alcançar esta complexidade exige múltiplas etapas na linha de produção para controlar com precisão os processos a nível atómico, em wafers que podem atingir os 30 centímetros de diâmetro.

Muitos produtos químicos e gases são essenciais para o processo de fabrico de semicondutores. O hélio é um deles, devido às suas propriedades criogénicas, condutividade térmica excecional, inércia química, tamanho reduzido e elevada difusividade, sem substitutos diretos. É utilizado em todo o processo de fabrico e é essencial para o funcionamento das instalações de produção. De acordo com a previsão da IDTechEx no seu relatório "Hélio para Semicondutores e Além 2025-2035: Mercado, Tendências e Previsões", a procura de hélio no fabrico de semicondutores deverá mais do que quintuplicar até 2035.

Por exemplo, na linha de produção, o hélio é essencial como gás de arraste em processos de deposição, como diluente na gravação por plasma e para o arrefecimento de wafers, minimizando as deformações sob tensão térmica. É fundamental para a litografia ultravioleta extrema (EUV) no fabrico de chips com dimensões inferiores a 5 nm, cruciais para aplicações de inteligência artificial, e para o arrefecimento de wafers e ferramentas. Além disso, durante as operações fabris, é também utilizado em testes de fugas e segurança de condutas e equipamentos, bem como para a criação de uma atmosfera ultralimpa nos processos de fabrico.

Porque é que o Qatar é tão importante no comércio de hélio?

Globalmente, as reservas conhecidas de hélio localizam-se principalmente no Qatar, nos EUA, na Argélia, na Rússia, no Canadá e na China, sendo o Qatar o detentor das maiores reservas (mais de 10 mil milhões de m³). O Qatar é um dos principais fornecedores, juntamente com os EUA e a Rússia, e o segundo maior produtor, responsável por mais de um terço do fornecimento mundial de hélio.

A forma como o hélio é produzido também é importante, uma vez que é geralmente obtido como subproduto do processamento de gás natural, onde o hélio está presente em quantidades muito pequenas (tipicamente entre 0,3% e 0,5%, dependendo da reserva). A separação do hélio do gás natural requer uma série de processos, incluindo a separação criogénica para separar o azoto e o hélio, a adsorção por membrana e por oscilação de pressão (PSA) e a subsequente liquefação criogénica para o transporte. Tudo isto exige um grande investimento de capital, pelo que a produção de hélio só faz sentido se as instalações processarem enormes quantidades de gás natural. É por isso que a fábrica de Ras Laffan, no Qatar, é tão importante devido à sua escala de operação.

O Qatar e a Rússia são também atores-chave, uma vez que ambos se têm concentrado na expansão da produção de hélio e, como a central de Ras Laffan, no Qatar, foi afetada e encerrada, isso já está a ter impacto nos preços e no fornecimento de hélio. Mesmo que as instalações sejam reiniciadas agora (mesmo que parcialmente), haverá um atraso, cujas implicações se farão sentir em toda a cadeia de valor.

O que significa isto para a indústria de semicondutores?

Em primeiro lugar, em circunstâncias normais, o hélio é um gás altamente perecível, com fugas em contentores de armazenamento a uma taxa de aproximadamente 1% por dia, segundo os especialistas do setor. Isto torna muito difícil armazenar e manter um stock substancial. De facto, é utilizado para testes de fugas precisamente para esse fim. Isto significa que as fábricas de semicondutores dependem de um fornecimento estável. As interrupções no fornecimento podem atrasar a produção e, em casos extremos, atrasos significativos podem levar ao encerramento das instalações.

Fábricas como a TSMC mantêm normalmente stocks suficientes para vários meses e utilizam sistemas de reciclagem de hélio, mas a capacidade das fábricas para resistir a esta crise dependerá inteiramente da duração das interrupções. Se persistir durante vários meses, isto terá enormes implicações para a indústria de semicondutores, particularmente com a crescente procura por chips cada vez mais sofisticados para IA e HPC que requerem nós de fabrico abaixo dos 5nm.

Além disso, é importante considerar as regiões onde se localizam as gigantes do fabrico de semicondutores. Os países que diversificaram o seu fornecimento de hélio também estão numa posição mais forte. Por exemplo, Taiwan obtém aproximadamente dois terços do seu hélio do Qatar e dos Estados Unidos, sendo o restante proveniente de outras fontes. Por outro lado, a Coreia do Sul deverá obter cerca de 65% do seu hélio do Qatar em 2025, o que torna os fabricantes locais de semicondutores vulneráveis ​​a desafios na cadeia de abastecimento. Como resultado, empresas como a Samsung e a SK Hynix terão assinado contratos de fornecimento a longo prazo com empresas como a Linde e a Air Products, que obtêm uma parte significativa do seu hélio dos Estados Unidos.

Existem formas alternativas de obter hélio?

Embora o hélio como subproduto do gás natural seja o principal método de produção de hélio, em países como os Estados Unidos e o Canadá, existem zonas geológicas onde as reservas podem conter concentrações de hélio que variam entre 0,3% e 10%. Isto abre oportunidades para que empresas mais pequenas entrem no setor. A IDTechEx refere que os sistemas de separação de baixo custo, como as tecnologias de membrana e PSA (extrato de pressão sensível), podem ser utilizados para melhorar e purificar o hélio obtido a partir destas fontes, e que os participantes do mercado adotam sistemas de PSA, membrana ou sistemas híbridos de PSA + membrana, dependendo do objetivo da separação. Com base em informações obtidas através de entrevistas com importantes desenvolvedores de tecnologia, como a Generon e a UGS, o relatório da IDTechEx fornece uma análise de mercado abrangente destas tecnologias, incluindo comparações de produtos e estudos de caso.

Perspetivas da IDTechEx

Se estes desafios persistirem, poderemos observar uma maior adoção de medidas de conservação ou reciclagem do hélio no fabrico de semicondutores. De facto, um grande sucesso tem sido a utilização de hélio em aparelhos de ressonância magnética (RM), onde os sistemas modernos de RM sofreram melhorias tecnológicas e implementaram sistemas de circuito fechado para recircular o hélio e, assim, evitar a necessidade de reabastecimento.

Posto isto, para além da actual crise, registaram-se quatro períodos significativos de escassez de hélio nos últimos vinte anos, impactando a disponibilidade no mercado e os preços do gás. Por conseguinte, as indústrias que dependem criticamente do hélio têm frequentemente planos de contingência, como fontes de fornecimento diversificadas, para se protegerem contra interrupções de curto prazo. Contudo, a capacidade de indústrias como a de fabrico de semicondutores de resistir à crise dependerá inteiramente da duração das interrupções. A persistente volatilidade do mercado pode levar as indústrias a diversificarem cada vez mais as suas cadeias de fornecimento de hélio para reduzir a dependência de um único país, adoptando uma abordagem mais equilibrada que inclua o Qatar, a Rússia e os Estados Unidos.

Autora: Dra. Shababa Selim, Analista de Tecnologia Sénior da IDTechEx