Circulaire faciliteiten voor de halfgeleiderindustrie van morgen

De productie van halfgeleiders  heeft zich in uitzonderlijk hoog tempo ontwikkeld. Waferformaten zijn groter geworden, chipgeometrieën kleiner, de reinheidseisen strenger en de contaminatiebeheersing is verschoven van de ruimte als geheel naar streng gecontroleerde mini-omgevingen. De gebouwen en infrastructuur die deze innovatie mogelijk maken, moeten in hetzelfde tempo meebewegen. Toch is het allesbehalve eenvoudig om ze aan te passen.

Bij Deerns zien we dit als een belangrijk circulariteitsvraagstuk. Zelfs zeer geavanceerde cleanroomcomplexen hebben een beperkte economische levensduur. Wanneer technologieën, bedrijfsmodellen of capaciteitsbehoeften veranderen, kunnen faciliteiten verouderd raken terwijl ze nog steeds waardevolle materialen, technische systemen en gespecialiseerde infrastructuur bevatten.

De vraag is daarom niet alleen hoe een cleanroom op een verantwoorde wijze kan worden gesloopt. Het gaat erom hoe faciliteiten voor de halfgeleiderindustrie zo kunnen worden ontworpen, gebruikt en aangepast dat hun waarde over meerdere gebruikscycli behouden blijft.

Een hightechasset met een beperkte levensduur

Faciliteiten voor de halfgeleiderindustrie combineren cleanrooms met kritieke infrastructuur. Daartoe behoren voorzieningen voor ultrapuur water en procesgassen, systemen voor chemicaliëntoevoer en emissiebehandeling, centrale verwarmings- en koelinstallaties, noodstroomvoorzieningen en ingebouwde redundantie. Dit geheel wordt ondersteund door distributienetwerken voor utilities. De kritieke systemen maken continue productie mogelijk en beperken stilstand tot een minimum.

Dit maakt herbestemming lastiger. Ook als een gebouw niet wordt gebruikt, kan het nog aangesloten zijn op voorzieningen die de rest van de locatie bedienen. Voor de ontmanteling kan beginnen, moeten de systemen worden losgekoppeld zonder de productie te verstoren of de veiligheid en naleving van wet- en regelgeving in gevaar te brengen. Daarna kunnen componenten en materialen worden verwijderd, gesorteerd en klaargemaakt voor hergebruik of recycling.

3 principes kunnen in de toekomst tot betere resultaten leiden:

• Ontwerp faciliteiten modulair, zodat afzonderlijke onderdelen onafhankelijk van elkaar kunnen worden aangepast.
• Leg materialen, locaties en behandelingen vast in een digitaal materialenpaspoort.
• Vermijd permanente verbindingen wanneer demontabele alternatieven ook aan de technische eisen voldoen.

Ontwerpen voor demontage

Voor de materiaalkeuze in cleanrooms gelden strenge criteria. Producten moeten voldoen aan de eisen voor hygiëne, brandveiligheid en contaminatiebeheersing, zonder onaanvaardbare emissies te veroorzaken. Door deze randvoorwaarden kan de keuze vallen op samengestelde of verlijmde constructies die later moeilijk van elkaar te scheiden zijn.

Verhoogde vloeren kunnen bijvoorbeeld bestaan uit aluminium en PVC, terwijl kabels zijn opgebouwd uit koper met een kunststof mantel. Cleanroomwanden die door verlijming of afdichting deel uitmaken van permanente constructies, kunnen bij de sloop in een gemengde afvalstroom terechtkomen. Bij demontabele systemen kunnen panelen, frames en waardevolle metalen juist afzonderlijk worden verwijderd en daardoor eenvoudiger worden hergebruikt of hoogwaardig gerecycled.

Faciliteiten voor de halfgeleiderindustrie bevatten grote hoeveelheden roestvast staal, koper en aluminium. Zelfs filter-fan-units, die uit metaal, kunststof, isolatiemateriaal en papier zijn samengesteld, kunnen rendabel worden gedemonteerd wanneer er duizenden identieke exemplaren beschikbaar zijn.

Circulair ontwerp moet daarom rekening houden met 3 belangrijke factoren:

• toegankelijkheid voor onderhoud, vervanging en verwijdering;
• gestandaardiseerde componenten die kunnen worden opgeknapt of opnieuw ingezet;
• duidelijke materiaalscheiding om laagwaardige recycling te voorkomen.

Verder kijken dan de bouwkundige elementen

Naast materiaalterugwinning liggen belangrijke kansen voor circulariteit in apparatuur, procesutilities en hulpbronnenstromen. Koelmachines, verwarmingsinstallaties en systemen voor gedemineraliseerd water bestaan doorgaans uit onderdelen met een lange levensduur. Door de regeltechniek te moderniseren, koudemiddelen te vervangen of bepaalde onderdelen te vernieuwen, gaan deze installaties langer mee en zijn minder nieuwe investeringen en grondstoffen nodig.

Afgekeurde productiewafers kunnen als monitor- of dummywafers en later voor andere toepassingen worden ingezet. Ook verpakkingen verdienen aandacht: cleanroommaterialen worden vaak dubbel verpakt aangeleverd, waardoor afval ontstaat dat met recyclebare of herbruikbare verpakkingssystemen kan worden verminderd.

De meeste kansen liggen in 3 belangrijke hulpbronnenstromen:

• het terugwinnen van helium, krypton, neon en mogelijk ook waterstof;
• het behandelen van licht verontreinigd spoelwater voor veilig hergebruik in het proces;
• het scheiden van zuren, oplosmiddelen en fluoridehoudend afvalwater met het oog op terugwinning.

Systemen voor ultrapuur water kunnen hoge hergebruikpercentages bereiken wanneer voldoende ruimte en infrastructuur voor waterbehandeling beschikbaar zijn. Toekomstige ontwikkelingen kunnen daarnaast terugwinning uit moeilijker verwerkbare stromen mogelijk maken, waaronder slurry’s voor chemisch-mechanische planarisatie.

Energie blijft een lastig vraagstuk

De energievraag vormt een uitzondering op veel trends rond circulariteit. Hoewel de energie-efficiëntie van geavanceerde chips blijft verbeteren, neemt de totale elektriciteitsvraag in de hele waardeketen toe door steeds complexere productieprocessen en de snelle groei van AI-datacenters.

Het sluiten van materiaal- en waterkringlopen is essentieel, maar weegt niet op tegen een ongeremde groei van de energievraag. Strategieën voor faciliteiten moeten circulariteit daarom combineren met een hernieuwbare energievoorziening, efficiënte procesinstallaties, adiabatische koeling en bevochtiging, en waar praktisch haalbaar de terugwinning van restwarmte.

Circulair ontwerpen vanaf het begin

Circulariteit begint ruim voordat een faciliteit buiten gebruik wordt gesteld. De basis wordt gelegd met flexibele indelingen, demontabele systemen, goed vastgelegde materiaalgegevens, herbruikbare utilities en samenwerking in de hele waardeketen. Architecten, fabrikanten, operators, gespecialiseerde aannemers en beleidsmakers dragen allemaal bij aan haalbare oplossingen voor hergebruik.

Door proceskennis en circulaire engineering te combineren, helpen we opdrachtgevers hun operationele prestaties te borgen en tegelijk grondstoffen, flexibiliteit en waarde voor de toekomst te behouden.