Terug naar insights

Uitdagingen bij het uitbreiden van microchipproductie

Microchiptekorten beheersen de markt; het snel opschalen van halfgeleiderproductie is zowel cruciaal als complex. Upgrades van de bestaande fabrieken en faciliteiten zijn quick wins om dit te bereiken.

Het uitbreiden van de capaciteit van een halfgeleiderfabriek die nog volledig operationeel is, is vergelijkbaar met het uitvoeren van een openhartoperatie vanwege de gevoelige cleanroom-omgevingen. Met hoge investeringskosten variërend tussen de 5 en 10 miljard euro en een lange doorlooptijd voor nieuwbouw, is het uitbreiden van de productie en upgraden van faciliteiten in bestaande fabrieken de snelste route om het wereldwijde tekort aan microchips te dichten. 

De alomtegenwoordige afhankelijkheid van slimme producten, en daarmee van microchips, blijft onverminderd en is in een opwaartse trend door ontwikkelingen zoals kunstmatige intelligentie. De productie van halfgeleiders behoort tot de snelst evoluerende industrieën ter wereld, waarbij nieuwe producten steeds sneller zijn en meer functionaliteit vereisen. 

De productie draaiende houden 

Deerns beschikt over uitgebreide domeinkennis om verontreinigende stoffen buiten deze productiefaciliteiten te houden, waar zelfs microscopische stofdeeltjes de werking van minuscule chipelementen kunnen verstoren. Dit zijn spannende en unieke uitdagingen die we samen met onze klanten aangaan, waarbij we verouderde faciliteiten toekomstbestendig maken wat betreft capaciteit, kwaliteit, operationele betrouwbaarheid en duurzaamheid. Ook zorgen we dat ervoor dat de productie niet stil komt te staan. Dit vergt focus, een gedegen aanpak, commitment, een sterk en ervaren projectteam en veel overleg en coördinatie tussen het projectteam, productie- en facilitaire organisaties en EHS-afdelingen (Milieu/Gezondheid/Veiligheid). 

Casus: Capaciteitsuitbreiding bij een fabrikant van halfgeleiders 

De productiecapaciteit versneld verhogen was een voor de hand liggende keuze voor een halfgeleiderfabrikant, die geconfronteerd werd met enerzijds een onverminderde vraag naar microchips en anderzijds lange doorlooptijden om op te schalen. Het installeren van extra machines voor de productie van microchips was op zichzelf niet bijzonder ingewikkeld. Maar de korte tijdsperiode en volledig operationele fabriek, die al op volle capaciteit draaide, vereiste specialistische, slimme en snelle ontwerp- en planningsvaardigheden. 

Aangezien dit het eerste project van deze omvang was met zo’n korte doorlooptijd, was de eerste stap het versneld uitvoeren van een haalbaarheidsstudie in een workshop met Deerns, de klant en de hoofdaannemers. De positieve uitkomst hiervan was cruciaal voor de verdere loop van het project. Tijdens het project kwamen we voor verschillende uitdagingen te staan, zoals de impact van Covid-19, niet-leverbare materialen en vertraagde levering van machines. Het was een voortdurende aanpassing van het gehele team aan de omstandigheden waarbij het uiteraard ook weleens schuurde. Maar we zijn begonnen met een glimlach op ons gezicht en zo zijn we ook geëindigd. Dat was ook het doel: Het project samen tot een succes maken! 

Hoog zuivere bedrijfsstoffen (High Purity) essentieel voor productie van microchips 

Voor het maken van microchips, de meest complexe componenten die er bestaan, is een zeer gevoelig productieproces vereist. Het duurt soms maanden om een mircochip te produceren. Hier zijn honderden stappen bij nodig en worden allerlei speciale gassen en chemicaliën gebruikt. Ultrapuur water en “High Purity” chemicaliën zijn twee van de belangrijke bedrijfsstoffen. Betrouwbare kwaliteit, stabiele toevoer en zuiverheid zijn cruciaal voor het maken van zeer complexe componenten microchips. 

Ultrapuur Water 

Voor en na iedere productiestap wordt het product gespoeld en gereinigd met ultrapuur water (UPW). Dit om ervoor te zorgen dat alle restproducten en verontreinigen zijn verwijderd en om te voorkomen dat de volgende processtap wordt verstoord. Dat is niet hetzelfde water als dat bij ons thuis uit de kraan komt, want ultrapuur water bevat geen verontreinigingen als bijvoorbeeld zouten, mineralen, metalen en bacteriën. Drinkwater of bronwater wordt in een speciale installatie (UPW Make-up en Polishing) opgewerkt tot zeer zuiver water en vervolgens via speciale leidingsystemen naar de verbruikers in de fabriek gedistribueerd. De kunst is om deze zeer hoge kwaliteit te behouden, zodat het water ook als het bij de machines aankomt altijd de juiste kwaliteit en toevoerhoeveelheid heeft. 

Aan alle aspecten, van zowel het maken van het water als het monteren en samenstellen van zo’n leidingnet, worden hoge eisen gesteld. Het gaat hierbij ook nog eens om enorme hoeveelheden. Een gemiddeld huishouden gebruikt zo’n 120 m³ water per jaar. Een productiefaciliteit voor halfgeleiders – afhankelijk van de grootte – verbruikt dit in minder dan 60 minuten. 

Zeer zuivere chemicaliën (High Purity) 

Bij het maken van een microchip worden diverse lagen op elkaar aangebracht. Op deze lagen worden patronen gecreëerd via een belichtingsproces. Dit maakt deel uit van een complexe reeks fotolithografisch en fysisch chemisch processen (met stappen als thermische oxidatie, dunne-filmdepositie, ion-implantatie, etsen) waarbij chemicaliën worden gebruikt. 

Chemicaliëndistributiesystemen (Chemical Dispense Systemen) worden ingezet om chemicaliën van de ene naar de andere plaats te brengen en vormen de ruggengraat van alle natte processen (Wet Processing) in de fabriek. Hier gelden in beginsel dezelfde overwegingen voor als bij het ultra pure water; dat het systeem op het juiste moment, de juiste kwaliteit en de juiste hoeveelheid chemicaliën levert aan de machine. 

De gebruikte chemicaliën zijn schadelijk voor mens en omgeving en kunnen irriterend, corrosief, toxisch en brandbaar zijn. Deze installaties moeten dus voldoen aan zeer strenge regels en zijn voorzien van diverse voorzieningen. Als er iets misgaat in de watertoevoer heeft het vooral invloed op het productieproces. Met chemie zijn de gevolgen groter. Je wilt ten alle tijden voorkomen dat je te maken krijgt met een veiligheids- of milieu incident. Zeker als de fabriek nabij een woonomgeving staat.  

De capaciteitsuitbreidingen gaan vaak gepaard met meer chemie en mogelijke nieuwe chemicaliën wat nieuwe risico’s met zich meebrengen, die we moeten beoordelen en verminderen en liever nog elimineren.  

De planning van productie-installaties voor micro-elektronica vereist teams van specialisten die vertrouwd zijn met de verschillende technische disciplines. Bij Deerns hebben we de kennis en kunde in huis om voor dit soort complexe vraagstukken de benodigde informatie inzichtelijk te krijgen en met onze holistische aanpak te komen tot de juiste oplossingen (Best-Fit Concepts). We hebben onze adviseurs en experts op dit gebied samengebracht in de groep Process Critical Systems die is opgesteld voor de marktgebieden Electronics en Life Sciences. Ook werken we samen met specialistische firma’s die dergelijke installaties bouwen. Zij moeten uiteindelijk zorgen dat de hoeveelheid en hoge zuiverheid 24/7 gegarandeerd is.

Let’s talk

Vincent Jansen

Senior Projectmanager

Array