Kwartsmijnverstoring in Spruce Pine, NC, bedreigt halfgeleiderproductie

Hoofdpunten van het artikel

• Orkaan Helene heeft naar schatting voor $20 tot $34 miljard aan schade veroorzaakt in het zuidoosten van de VS.
• Spruce Pine, North Carolina, produceert 70-90% van het wereldwijde aanbod van hoogzuiver kwarts voor halfgeleiders.
• Sibelco en The Quartz Corp hebben de activiteiten in Spruce Pine tijdelijk stilgelegd vanwege stormschade.
• Hoogzuiver kwarts is essentieel voor de productie van gesmolten kwarts, dat onmisbaar is in het productieproces van siliciumkristallen.
• Bedrijven verwachten op korte termijn in de bevoorrading te kunnen voorzien, maar langdurige verstoringen kunnen de halfgeleiderproductie beïnvloeden.

Orkaan Helene kan $20-34 miljard aan nominale schade kosten

Eind september trok orkaan Helene van categorie 4 door het zuidoosten van de Verenigde Staten, met grootschalige verwoestingen en meer dan 200 dodelijke slachtoffers tot gevolg. Begin oktober werden honderden mensen nog steeds vermist. 

De orkaan, die 40 biljoen gallons water over Amerika liet neerkomen—gelijk aan het volume van Lake Tahoe—overspoelde steden met ernstige overstromingen, aardverschuivingen, stroomstoringen en andere problemen. Volgens eerste schattingen van Moody Analytics loopt de omvang van de schade op tot tussen de $20 en $34 miljard, waarmee dit een van de tien duurste orkanen in de geschiedenis van de VS is (naast een van de dodelijkste). 

Spruce Pine: klein stadje, grote leverancier van hoogzuiver kwarts

Een gebied dat bijzonder zwaar is getroffen, is het stadje Spruce Pine in North Carolina. In dit plaatsje met iets meer dan 2.000 inwoners viel in 24 uur tijd 61,29 centimeter neerslag. Dit verbrak het lokale record voor neerslag, dat meer dan een eeuw standhield (oorspronkelijk gezet in 1916).

In tegenstelling tot andere kleine steden die relatief onopgemerkt aan het herstel werken, heeft Spruce Pine veel aandacht gekregen vanwege zijn cruciale rol in de halfgeleiderindustrie.

De hoogzuivere kwarts-mijnen van Spruce Pine: impactrapport

Spruce Pine huisvest twee mijnen die 70-90% van het wereldwijde aanbod van hoogzuiver kwarts produceren. De mijnen zijn eigendom van twee bedrijven: Sibelco, een Belgisch wereldwijd materialenspecialist, en The Quartz Corp, een joint venture tussen het Franse Imerys SA en Norsk Mineral AS.

Volgens Imerys: "het kwarts uit Spruce Pine, North Carolina, USA… beschikt over de zuiverste kwartsafzettingen ter wereld".

Na de orkaan hebben beide bedrijven hun mijnactiviteiten stilgelegd om de schade en de gevolgen voor hun medewerkers te beoordelen. In de dagen erna zijn officiële verklaringen gepubliceerd over de impact van orkaan Helene op de productie in het gebied.

Reacties van bedrijven op de impact van orkaan Helene op kwartswinning

Sibelco: eerste impactverklaring mijnactiviteiten

Sibelco gaf aanvankelijk aan dat de "Spruce Pine-gemeenschap bijzonder zwaar is getroffen" en dat "met ingang van 26 september de activiteiten bij de Spruce Pine-faciliteiten tijdelijk zijn stilgelegd als reactie op deze omstandigheden".

Een latere update meldde dat "eerste beoordelingen aangeven dat onze operationele faciliteiten in de regio Spruce Pine slechts geringe schade hebben opgelopen", maar dat "verdere detailanalyses nog lopen". Ook werd aangegeven dat productzendingen nog niet zijn hervat, maar dat het bedrijf daar naartoe werkt. Gebrek aan stroomvoorziening belemmert echter het hervatten van de mijnactiviteiten en vormt nog steeds een belangrijk knelpunt. 

The Quartz Corp: eerste impactverklaring mijnactiviteiten

In een verklaring van 2 oktober gaf The Quartz Corp aan dat de "schade voornamelijk geconcentreerd is bij ondersteunende installaties. Het is nog te vroeg om aan te geven wanneer TQC weer operationeel zal zijn, omdat dit mede afhankelijk is van de wederopbouw van de lokale infrastructuur."

Het bedrijf onderstreepte het vertrouwen om leveringsproblemen te voorkomen dankzij "sterke voorraden grondstoffen in Noorwegen om onze zuiveringsprocessen te bevoorraden. In combinatie met veiligheidsvoorraden van eindproducten en die op verschillende niveaus in de supply chain, verwachten wij op korte tot middellange termijn geen kritieke situatie voor onze downstream-industrieën." 

Waar wordt kwarts gebruikt in het productieproces van halfgeleiders?

Hoogzuiver kwarts wordt gebruikt om "gesmolten kwarts te maken, een materiaal met unieke optische, mechanische en thermische eigenschappen, dat onmisbaar is bij de productie van uiteenlopende hightechproducten."

Kwarts is een essentieel onderdeel van het fabricageproces van halfgeleiderchips voor industriële en commerciële technologie, waaronder laptops, smartphones, industriële robots en 5G-netwerkinfrastructuur. 

Toepassingen van gesmolten kwarts in het fabricageproces van halfgeleiders

Gesmolten kwarts speelt verschillende vitale rollen in het productieproces van halfgeleiders:

Gesmolten kwarts smeltkroezen: hoogzuiver kwarts wordt gebruikt in een cruciale stap die het Czochralski (CZ) proces heet: een methode om grote, hoogwaardige siliciumkristallen (ook wel silicium-ingots genoemd) te laten groeien, die vervolgens worden gezaagd tot wafers en verwerkt in halfgeleiders.

Gesmolten kwarts smeltkroezen zijn een onvervangbaar onderdeel van de Czochralski-methode:

“Silicium van halfgeleiderkwaliteit heeft een smeltpunt van circa 1425°C, en deze temperatuur moet tijdens het Czochralski-proces gehandhaafd blijven terwijl een staaf met een zaadkristal in het gesmolten mengsel wordt gedoopt en langzaam uit de smeltkroes wordt getrokken. Gesmolten kwarts smeltkroezen behoren tot de weinige geschikte componenten voor het Czochralski-proces van enkelkristal silicium vanwege hun minimale uitzettingseigenschappen en uitstekende weerstand tegen thermische schokken. Kwarts smeltkroezen hebben bovendien het voordeel dat ze niet-geleidend zijn, met een nominale soortelijke weerstand van 1 x 10^8 Ω.m bij 1000°C.

Gesmolten kwarts buizen en ingots: Hoogzuiver kwarts wordt ook gebruikt voor de productie van kwartsglasbuizen en ingots, die essentieel zijn voor het vervaardigen van quartzware: apparatuur of onderdelen van kwarts die bij meerdere processtappen in de productie van halfgeleiders worden ingezet.

Hoewel kwarts smeltkroezen zeer duurzaam zijn, zijn ze niet altijd herbruikbaar. Hoe vaak ze te gebruiken zijn, hangt af van het toegepaste Czochralski-proces. Na voldoende gebruik zal de smeltkroes verontreinigingen gaan vertonen en andere problemen krijgen, waarmee deze niet langer geschikt is voor het groeien van nieuwe silicium-ingots. 

Waar wordt elders ter wereld kwarts gewonnen?

Hoewel het merendeel van het hoogzuivere kwarts wereldwijd uit Spruce Pine komt, wordt het ook op andere locaties gewonnen, waaronder:

• Bovill-mijn in Idaho, VS
• Lighthouse-depot in Queensland, Australië
• White Springs- en Quartz Hill-mijnen in Australië

Er zijn daarnaast afzettingen in Mauritanië, Rusland, Duitsland en Noorwegen.

Wat betekent dit voor fabrikanten?

Voor elektronicafabrikanten brengt de schade aan de hoogzuivere kwarts-mijnen in Spruce Pine aanzienlijke risico’s voor de toeleveringsketen van halfgeleiders met zich mee. Omdat kwarts onmisbaar is bij de productie van halfgeleiderchips kan elke verstoring in de kwartsproductie de productie van chips vertragen. 

Hoewel zowel Sibelco als The Quartz Corp vertrouwen hebben uitgesproken in voldoende voorraad om onmiddellijke leveringsproblemen te vermijden, kan een langduriger herstel of grootschalige heropbouw van infrastructuur uiteindelijk gevolgen hebben voor de productietermijnen van halfgeleiders. Door de beperkte herbruikbaarheid van de huidige voorraad kwarts smeltkroezen geldt: hoe langer het duurt om de mijnbouwactiviteiten te hervatten, hoe groter het domino-effect in het bredere chip-ecosysteem.