Optimisez ces applications pour accroître la rentabilité des fabriques de semi-conducteurs

Trois aspects importants des systèmes fluides pour accroître la rentabilité des fabriques de semi-conducteurs

Le marché mondial des semi-conducteurs continue de croître de manière spectaculaire. En février 2023, la Semiconductor Industry Association (SIA) a annoncé un chiffre d’affaires de 573,5 milliards de dollars en 2022 pour l’ensemble du secteur à l’échelle mondiale. Ce montant, supérieur de 3,2 % aux 555,9 milliards enregistrés en 2021, est le CA annuel le plus élevé jamais enregistré dans le secteur.

Une telle demande nécessite de construire de nouvelles fabriques de semi-conducteurs et d’optimiser les fabriques existantes. Fin 2022, 46 projets de nouvelles fabriques ont ainsi été annoncés rien qu’aux États-Unis. Ces données ne reflètent toutefois qu’une partie du tableau, dans la mesure où l’on prévoit une forte augmentation de la demande au cours des prochaines années.

L’exploitation de ces installations à plusieurs milliards de dollars nécessite un grand nombre d’applications et de systèmes fluides. Pour une fabrique de semi-conducteurs, limiter les risques associés aux capacités de production exige d’optimiser non seulement les procédés de fabrication des puces, mais aussi l’ensemble du système de distribution de produits chimiques et de gaz haute pureté de l’installation.

Nous avons demandé à trois ingénieurs terrain Swagelok qui travaillent avec des fabricants de semi-conducteurs du monde entier de nous dire, d’après leur expérience, ce que vous pouvez faire pour économiser sur les coûts et la main-d’œuvre et pour gagner du temps s’agissant des systèmes fluides critiques de vos installations. Lisez la suite pour découvrir ce qu’ils ont à nous dire sur le sujet.

Évaluer les défis techniques de la fabrication des semi-conducteurs

Argon pour soudage dans de nouvelles fabriques

La construction d’une nouvelle fabrique de semi-conducteurs est une entreprise monumentale. En règle générale, la construction des systèmes fluides critiques fait intervenir de nombreuses sociétés de services d’étude, d’approvisionnement et de construction (EPC) sur le site pour effectuer l’installation, avec parfois des centaines de soudeurs qui travaillent en même temps sur ces systèmes.

Chaque soudure de l’installation doit être effectuée en maintenant une circulation d’argon appropriée, l’argon servant de gaz de purge. Si la purge – qui empêche l’oxydation du cordon de soudure et les contaminations – est d’une grande importance dans la plupart des applications de soudage industrielles, elle l’est particulièrement lorsqu’il s’agit d’applications haute pureté ou très haute pureté.

« On peut voir qu’une soudure n’a pas été réalisée avec une circulation d’argon appropriée à la couleur du cordon.  »

Margaret Brennan,
ingénieure terrain chez Swagelok Southwest 

« Si vous voyez beaucoup de couleur (figure 1), cela signifie que le débit d’argon en contact avec la face intérieure du cordon pendant l’opération de soudage était insuffisant. Et cela n’est pas acceptable lorsqu’il s’agit d’un système fluide utilisé pour fabriquer des semi-conducteurs. Non seulement cela peut entraîner une contamination, mais cela peut également nuire à l’étanchéité de la soudure. »

Selon Margaret Brennan, pour que les soudures soient toujours de la meilleure qualité – un élément qui contribue à l’efficience du projet de construction –, deux points importants méritent une attention particulière.

« Tout d’abord, les soudeurs doivent avoir de l’argon à leur disposition lorsqu’ils passent d’une soudure à l’autre », explique-t-elle. « Le fait de pouvoir accéder à un dispositif de purge mobile, ergonomique et facile à utiliser peut aider un soudeur à passer d’une soudure à la suivante en restant productif. »

Le second point est plus compliqué. Il se peut que des soudeurs aux niveaux de compétence différents se retrouvent à travailler en même temps sur le site, envoyés par les nombreuses entreprises EPC qui participent au projet. Or, comme les nouvelles fabriques doivent rapidement être opérationnelles pour faire face à la demande, il se peut que les propriétaires des installations sous-traitent le travail à des entreprises EPC qui n’ont pas d’expérience dans les systèmes fluides destinés au secteur des semi-conducteurs.

Lorsque des soudures sont réalisées sans une circulation d’argon appropriée, cela peut entraîner une contamination, mais aussi nuire l’étanchéité des soudures.

« Un gros fabricant de semi-conducteurs sait parfaitement ce qu’exigent des systèmes haute pureté ou très haute pureté, ce qui ne sera peut-être pas le cas des sous-traitants qu’il embauche », indique Brennan. « Il est donc essentiel de former le personnel. Des fabriques de semi-conducteurs sont en train d’être construites partout, et les fabricants embauchent des sous-traitants qui ont peut-être acquis la plus grande partie de leur expérience dans un tout autre secteur comme le celui du pétrole et du gaz, par exemple. Il n’est pas rare que de nombreux sous-traitants découvrent les subtilités des techniques de soudage propres au secteur des semi-conducteurs une fois sur le chantier. »

Margaret Brennan consacre une grande partie de son temps à mettre en œuvre des programmes de formation qui visent à aider les soudeurs à utiliser le matériel de soudure orbitale pour réaliser des soudures régulières et parfaitement étanches qui limiteront au maximum le risque de contamination.

« Les répercussions d’une contamination dans un système fluide utilisé pour fabriquer des semi-conducteurs peuvent être énormes », explique-t-elle. « C’est pourquoi nous nous efforçons de doter les constructeurs des compétences nécessaires pour travailler de manière efficace et efficiente, afin que les chantiers puissent se terminer en respectant le calendrier et le budget prévus. »

Découvrir la formation au soudage

Flexibles isolés pour équipement de refroidissement

Le maintien des températures optimales nécessaires pour obtenir un procédé de fabrication des puces stable et reproductible exige d’utiliser des composants de systèmes fluides isolés, étanches et de qualité – les flexibles de refroidisseur, par exemple.

Ces flexibles doivent être capables de maintenir les fluides des échangeurs de chaleur à des températures extrêmes.

Utilisés pour alimenter en liquide de refroidissement les chambres où se déroulent et le dépôt et la gravure des couches minces, ces flexibles doivent être capables de maintenir les fluides des échangeurs de chaleur à des températures extrêmes (jusqu’à -90°C/-130°F pour le procédé de gravure sèche au plasma au niveau des nœuds de traitement les plus avancés). « Comme les températures des liquides acheminés sont négatives, il est très probable que l’on verra apparaître une condensation intempestive sur la surface d’un flexible qui ne serait pas correctement isolé », explique Takashi Matsumoto, ingénieur terrain chez Swagelok Japon.

« La condensation peut avoir des effets dévastateurs dans une fabrique de semi-conducteurs. Les gouttelettes qui tombent des flexibles peuvent endommager les composants électriques des équipements de l’espace « sub-fab » (situé en dessous du niveau de la fabrication), ce qui peut entraîner la mise à l’arrêt des équipements de traitement des plaquettes. Les gouttelettes de condensation peuvent également être prises à tort pour des produits chimiques dangereux en raison de leur apparence similaire. »

Takashi Matsumoto,
ingénieur terrain chez Swagelok Japon

Selon Takashi Matsumoto, la solution au problème de condensation est double : des matériaux isolants performants et un cheminement optimal des flexibles.

« Dans le secteur des semi-conducteurs, la mousse d’EPDM est largement utilisée pour isoler les flexibles des refroidisseurs, mais, avec le temps, la mousse se dégrade, perd en efficacité et produit des particules », explique-t-il. « Par ailleurs, disposer ces flexibles trop près les uns des autres peut augmenter le risque de condensation – et trouver le bon cheminement peut s’avérer difficile. En règle générale, les flexibles de refroidisseur sont installés en dernier, une fois que tous les autres systèmes à tubes ont été installés. L’installateur doit veiller à suffisamment espacer les flexibles, tout en respectant d’autres bonnes pratiques de montage, comme ne pas courber un flexible au-delà de son rayon de courbure maximal. Notre équipe d’ingénieurs terrain passe beaucoup de temps à renseigner nos clients sur les facteurs essentiels à prendre en compte pour choisir, installer et disposer correctement des flexibles. »

En savoir plus sur la manière de choisir des flexibles pour un refroidisseur

Systèmes d’acheminement de gaz spéciaux en vrac

Le procédé de fabrication des semi-conducteurs nécessite d’acheminer avec fiabilité et de manière reproductible plusieurs gaz spéciaux inertes et très purs – ammoniac, chlorure d’hydrogène et trichlorure d’azote entre autres – d’une bouteille ou d’un réservoir jusqu’à l’outil de production. Cela nécessite des systèmes de distribution de gaz conçus et fabriqués pour répondre à des besoins très particuliers.

« L’étanchéité au niveau de l’armoire à gaz est également essentielle pour assurer la sécurité, car les gaz utilisés peuvent être toxiques ou hautement inflammables s’ils s’échappent dans l’atmosphère », explique Tony Chao, ingénieur terrain chez Swagelok Taiwan.

L’utilisation de ces gaz spéciaux exige des composants parfaitement étanches – tubes, raccords, vannes, régulateurs de pression et autres – pour les acheminer. Selon Chao, tous les composants doivent être fabriqués dans des matériaux de qualité pour éviter des fuites potentiellement dangereuses.

« Comme la plupart de ces gaz peuvent être très corrosifs, vous voulez de l’acier inoxydable de qualité supérieure dans chaque composant », ajoute-t-il. « La corrosion peut entraîner une contamination inacceptable des procédés de fabrication très haute pureté et peut favoriser l’apparition de fuites. »

L’étanchéité des composants n’est pas la seule préoccupation s’agissant de la distribution de gaz spéciaux en vrac. Une conception correcte du système et l’observation des meilleures pratiques pourront aider à éviter les temps d’arrêt imprévus et à améliorer la sécurité, garantissant ainsi le bon fonctionnement des installations 24 heures sur 24, 7 jours sur 7.

« Notre équipe a des années d’expérience dans la conception et l’ingénierie des systèmes de distribution de gaz utilisés pour fabriquer des semi-conducteurs. Nous pouvons ainsi aider nos clients à optimiser leurs performances et à résoudre les problèmes qu’ils rencontrent », déclare Tony Chao. « Souvent, les entreprises EPC qui travaillent sur ces systèmes viennent du secteur de la pétrochimie et nous pouvons les faire profiter de notre connaissance du secteur des semi-conducteurs. »

Trouver de l’aide pour concevoir un sous-système

Soudure orbitale à l’argon, flexibles isolés pour les refroidisseurs et systèmes de distribution de gaz spéciaux en vrac, ce ne sont là que quelques-unes des applications que les fabricants de semi-conducteurs peuvent optimiser pour maximiser la productivité, l’efficience et la rentabilité de leurs installations.

Besoin d’aide pour l’une de ces applications ou toute autre application des systèmes fluides dans votre fabrique de semi-conducteurs ? Les ingénieurs terrain Swagelok peuvent vous aider à choisir des composants haute pureté et très haute pureté, recommander des améliorations pour vos systèmes fluides afin d’optimiser leurs performances, et vous aider à entretenir ces systèmes fluides pour maximiser vos capacités de production. Vous pouvez contacter à tout moment votre centre de vente et de services agréé Swagelok pour obtenir des conseils personnalisés auprès d’un professionnel. Vous trouverez également sur ce blog d’autres informations sur la façon de gérer des applications critiques des systèmes fluides dans le secteur des semi-conducteurs.

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