Optimierung der Halbleiterproduktion wird gefördert

Gleichzeitig termingerecht, kostengünstig und nachhaltig zu produzieren sind sich widersprechende Forderungen, denen sich auch die hochkomplex und energieintensiv produzierende Halbleiterindustrie immer stärker ausgesetzt sieht. Lösungsmöglichkeiten hierfür untersucht Prof. Dr. Lars Mönch von der FernUniversität in Hagen. Gefördert wird er dabei vom NRW-Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie. Für sein Projekt „Energieeffiziente Batchoptimierungsalgorithmen (E2BOA)“ erhält der Leiter des Lehrgebiets Unternehmensweite Softwaresysteme 52.000 Euro im Rahmen des „Programms für rationelle Energieverwendung, regenerative Energien und Energiesparen – progres.nrw – Programmbereich Research“.

Halbleiter sind das Grundmaterial für Mikrochips, die in jedem elektronischen Bauteil stecken. Die weltweite Nachfrage nach ihnen steigt rasant an. Gleichzeitig gibt es aus verschiedenen Gründen erhebliche Lieferschwierigkeiten, die zahlreichen Branchen große Probleme bereiten.

Chips, Wafer und Fabs

Chips sind integrierte Schaltkreise, die in der Halbleiterindustrie auf Wafern in Halbleiterfabriken, sogenannten Wafer Fabs, hergestellt werden. Bei Wafern handelt es sich um dünne Scheiben aus Silizium oder Galliumarsenid, die 200 oder 300 mm Durchmesser haben. Bis zu mehreren tausend ICs werden Schicht für Schicht auf einem einzelnen Wafer gebaut.

Wafer Fabs gehören zu den komplexesten bekannten Produktionssystemen. Sie umfassen in einer Reinraumumgebung typischerweise mehrere hundert, oft sehr teure Maschinen. Funktional gleichartige Maschinen bilden eine Maschinengruppe.

Im Zuge der Bearbeitung bewegen sich Lose aus bis zu 50 Wafern durch die Wafer Fabs (als Los werden bestimmte Mengen von gemeinsam produzierten Erzeugnissen bezeichnet). Es gibt Maschinen, die einzelne Wafer, Lose oder Batches bearbeiten (ein Batch ist eine Gruppe von Losen, die gleichzeitig auf einer Maschine bearbeitet werden). Im Hochtemperaturbereich von Wafer Fabs finden auf solchen Batchmaschinen Oxidations- und Diffusionsschritte statt. Aufgrund der Prozesstemperaturen von bis zu 1.500 Grad Celsius ist der Energieverbrauch hier sehr hoch.

Komplexe Produktionssteuerung

Da bis zu einem Drittel aller Vorgänge in einer Wafer Fab auf Batchmaschinen durchgeführt werden, ist die angemessene Planung des Arbeitsflusses entscheidend für die Gesamtleistung einer Halbleiterfabrik.

Im Zusammenhang damit ist auch die geforderte Termintreue von Seiten der Kunden an die Produzenten zu sehen: „Termintreue ist in der Halbleiterindustrie aufgrund der ausgeprägten Wettbewerbssituation sehr wichtig!“, unterstreicht Mönch. Hinzu kommt, dass die Halbleiterindustrie aufgrund der geforderten Reinraumbedingungen und der extrem komplizierten Maschinen ganz besonders energieintensiv ist und mehr Strom verbraucht als etwa die Stahl- oder die Petrochemie-Industrie.

Frühere Arbeit weiterentwickeln

Bereits in einer früheren Arbeit wurde von Jens Rocholl, Doktorand in Mönchs Arbeitsgruppe, und Lars Mönch in Zusammenarbeit mit Prof. John Fowler von der Arizona State University ein neuartiges Ablaufplanungsmodell für eine Gruppe identischer Batchmaschinen entwickelt. Vorausgesetzt wurde dabei eine zeitabhängige Stromtarifierung. Zielkonflikte ergeben sich für die Leistungsmaße totale gewichtete Verspätung der Lose sowie die Energiekosten, die bei der Ausführung des Ablaufplans auftreten. Pareto-optimale Ablaufpläne werden mit naturanalogen Verfahren, sogenannten genetischen Algorithmen, ermittelt. Dabei liegt ein Pareto-Optimum für einen Ablaufplan vor, wenn es nicht möglich ist, eines der beiden Leistungsmaße zu verbessern, ohne zugleich das jeweils andere zu verschlechtern.

Im Durchschnitt sind Einsparungen von ca. 25 Prozent, bezogen auf die höchsten auftretenden Energiekosten, beobachtbar. Ablaufpläne mit geringen Energiekosten können zu einem reduzierten Kohlendioxidausstoß führen.

Dieses Modell und die Lösungsansätze soll Mönch mit seiner Arbeitsgruppe nun für den Einsatz in einer Wafer Fab so verallgemeinern, dass sie dort leichter einsetzbar sind. Die Algorithmen müssen so modifiziert werden, dass sie mit einer unterschiedlichen Batchgröße pro Maschine und Losfamilie sowie den Ablaufplanungsproblemen aus der Praxis mit sehr vielen Maschinen und Losen umgehen können. Außerdem gilt es Verfahren zu entwickeln, deren Algorithmen nicht genau bekannte, d.h. stochastische Ankunftszeiten der Lose vor der Maschinengruppe berücksichtigen können. Die dazu erforderlichen Forschungsarbeiten sind in die Aktivitäten der Forschungsgruppe „MaXFab – Management Energieflexibler Fabriken“ eingebettet, die ihrerseits zum Forschungsschwerpunkt Energie, Umwelt und Nachhaltigkeit (E/U/N) gehört.

Industrie hungert nach Chips

Unter anderem durch die Coronakrise mussten Chiphersteller sich in den letzten Monaten neue Abnehmer suchen und ihre Produktion umstellen, weil ihre angestammten Kunden ihre Produktion herunterfuhren. Auch der High-Tech-Streit zwischen China und den USA und sogar wetterbedingt fehlende Wasserkraft für die Stromproduktion beeinflussten die Halbleiterproduktion negativ. Gleichzeitig gab es z.B. einen starken Auftragseingang in der Unterhaltungselektronik und in der Medizintechnik (Beatmungsgeräte, Überwachungsmonitore) sowie in der IT-Branche, etwa durch Homeoffice und Homeschooling. Dafür fehlen nun anderen Branchen elektronische Bauteile. Zum Beispiel mussten in den ersten Monaten 2021 verschiedene Autohersteller in Europa und Japan ihre Bänder stoppen.