Plasma – die alternative Energiequelle für Abgasreinigungs-Systeme
Bei der Herstellung von Mikrochips werden perfluorierte Verbindungen (PFCs) wie beispielsweise CF4, SF6 oder C2F6 verwendet. Diese Gase haben ein hohes Treibhauspotenzial und sind aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Stabilität schwer abbaubar. Insbesondere CF4 ist ein außergewöhnlich beständiges Molekül, dessen Verbindung zwischen den Kohlenstoff- und Fluoratomen (C‑F-Bindung) kaum zu brechen ist. Das Molekül reagiert weder auf Sonnenlicht noch auf die Angriffe von reaktiven Hydroxylradikalen (OH), die normalerweise viele andere Treibhausgase zersetzen können.
Diese Unempfindlichkeit gegenüber natürlichen Abbauprozessen führt zu einer extrem langen Verweildauer von etwa 50.000 Jahren in der Atmosphäre.
In einer modernen Halbleiterfabrik sorgen mehrere hundert Abgasreinigungs-Systeme mit hohem Energieeinsatz für eine hocheffiziente Reinigung der Abgase aus der Chipfertigung. Der Standard sind erdgasbetriebene Brenner-Wäscher Anlagen. Eine überzeugendende Alternative zum Einsatz fossiler Brennstoffe ist die Nutzung von elektrischer Energie in Plasma-Wäscher-Systemen, die mit Strom aus erneuerbaren Quellen betrieben werden können.
Die Zukunft der Subfab ist elektrisch
Plasmatechnologie bietet der Halbleiterindustrie eine flexible und zukunftssichere Lösung für die Abgasbehandlung. Mit ihrer Fähigkeit, Schadstoffe mit hohem Treibhauspotenzial effizient zu zersetzen, leistet sie einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung dieser Schlüsselindustrie mit der Dekarbonisierung des Subfab-Bereichs.
Plasma und die Elektrifizierung der Subfab tragen zu einer signifikanten Verbesserung der ESG Scope-1-Bilanz unserer Kunden bei, indem sie den Verbrauch fossiler Brennstoffe reduzieren. In Verbindung mit dem Einsatz erneuerbarer Energien können Halbleiterhersteller ihre direkten und indirekten Treibhausgasemissionen erheblich senken. Dies führt zu einer verbesserten Nachhaltigkeitsleistung und einem besseren ESG-Rating, stärkt die Wettbewerbsfähigkeit in einem umweltbewussten Markt und unterstützt die Erreichung der Klimaziele.
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Wie funktioniert das Plasma-Wet-Verfahren?
Die Zersetzung von Schadstoffen mittels Plasma geschieht sowohl durch physikalische als auch chemische Prozesse, die nur in richtiger Kombination zu einer Reinigung des Abgasstroms führen. Im Zentrum steht die Erzeugung eines hochenergetischen Plasmazustands zwischen zwei Elektroden, der in Form eines Lichtbogens sichtbar wird. Dieser Lichtbogen mit einer Temperatur von ca. 10.000 Kelvin erzeugt freie Elektronen und Ionen. Er wird in einem strömenden Trägergas aus Stickstoff erzeugt, wodurch ein Teil der Ionen und Elektronen aus dem Lichtbogen in einen Reaktor befördert wird. Vor allem aber wird die hohe Temperatur des Lichtbogens an das Trägergas übertragen. Es entsteht eine Art Plasma-Flamme, die auch mit dem bloßen Auge erkennbar ist. Die hohe Temperatur und die energiereichen Teilchen der Plasma-Flamme treffen im Reaktor auf Schadstoffmoleküle aus der Chipherstellung. Die starken Molekülverbindungen werden durch die hohe Energie der Plasma-Flamme aufgebrochen. Die im Plasma erreichten Temperaturen tragen maßgeblich zur thermischen Zersetzung bei, was besonders bei der Behandlung thermodynamisch sehr stabiler PFC-Gase von Vorteil ist, die beispielsweise bei Ätzprozessen eingesetzt werden.
Die aufgebrochenen Strukturen führen zu reaktiven Radikalen. Diese sollen nicht in ihre schädliche Ausgangsform rekombinieren, sondern zu harmlosen Molekülverbindungen abreagieren. Die Bestandteile der PFC-Gase erfordern dazu zusätzlichen Sauerstoff und Wasserstoff, die in Form von Wasser im Reaktionsraum vorhanden sind. Dadurch lassen sich z. B. die Reaktion von Kohlenstoff zu CO2 und die Reaktion von Fluor zu Flusssäure steuern. Letztere wird mit Hilfe des Wäschers aus dem Abgasstrom gewaschen und kann noch in der Anlage neutralisiert werden.
Technische Umsetzung am Beispiel der Plasma-Wäscher-Anlage STYRAX
Unsere innovative Plasma-Wäscher Anlage STYRAX nutzt ein DC-Plasma mit Stickstoff als Trägergas, wobei der Plasmabrenner eine je nach Anforderung anpassbare Leistung von 7–15 kW erreicht. Die direkte Energieübertragung vom Plasma auf das Abgas aus der Chipherstellung gewährleistet die hocheffiziente Schadstoffzersetzung, insbesondere bei der Behandlung von PFC-Gasen. Die Flexibilität der STYRAX ermöglicht eine optimale Anpassung an verschiedene Prozessgase, was seine Vielseitigkeit für die Nachbehandlung verschiedener Halbleiterprozesse unterstreicht. Je nach Einsatzzweck wird die Anlage entsprechend angepasst und kann für Ätzprozesse (z. B. PFC-Gase) und CVD-Prozesse (z. B. H2, SiH4) verwendet werden.
Ein Schlüsselmerkmal von STYRAX ist die hohe Zuverlässigkeit mit einer Anlagenverfügbarkeit (Uptime) von über 98 Prozent, was auf die robuste Konstruktion und den geringen Wartungsaufwand zurückzuführen ist. Die Stromversorgung des Plasmabrenners hat eine exzellente AC/DC-Umwandlungseffizienz von über 95 Prozent. Die eingesetzte Energiemenge für die Abgasreinigung kann dadurch deutlich verringert werden und damit die Kosten der Abgasbehandlung um mehrere tausend Euro pro Jahr gesenkt werden.
Ein weiterer Vorteil, den bereits die Brenner-Wäscher STYRAX-Anlagen nutzen können, liegt in der Ressourcenschonung: In Kombination mit geschlossenen Waschkreisläufen kann der Wasserverbrauch erheblich reduziert werden. Optional lässt sich durch die Dosierung von Natron- oder Kalilauge der Wasserverbrauch weiter senken, was die Nachhaltigkeit der Halbleiterfertigung zusätzlich verbessert.
Durch die datentechnische Kopplung der Prozessanlage im Reinraum und des Plasma-Wäschers kann eine intelligente Anlagensteuerung ermöglicht werden und dadurch der Energieverbrauch dynamisch an die Anforderungen angepasst werden. Außerdem kann die Anlage mit systemischen Softwarelösungen spezifisch auf ankommende Gase reagieren und den Energieeinsatz noch besser an die Anforderungen anpassen. Dies führt zu einer weiteren Steigerung der Gesamteffizienz und unterstreicht die zukunftsweisende Ausrichtung dieses Abgasreinigungssystems im Hinblick auf Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit in der Halbleiterproduktion.
STYRAX ist ein etabliertes und weltweit verkauftes, zuverlässiges System. Die besondere Herausforderung bei der Weiterentwicklung zum Plasma-Wäscher bestand darin, die Anlage, um die Plasma-Komponenten zu erweitern, ohne dabei die Aufstellfläche der Anlage zu vergrößern, weitere Serviceflächen zu schaffen oder die Performance zu beeinträchtigen. Durch eigene Anstrengungen bei der Entwicklung eines AC/DC-Netzteils konnten vorhandene Räume optimal genutzt werden. Außerdem wurden nur dort Anpassungen vorgenommen, wo es notwendig war. So wurden zwar Elektrik und Reaktorkopf verändert, aber das restliche System nutzt weiterhin die bewährte Technik der STYRAX. Dadurch ist es gelungen, die Aufstellfläche und die Servicefläche beizubehalten und gleichzeitig die Performance zu verbessern.
Beratung
Informieren Sie sich jetzt über den Einsatz von Plasma als alternative Energiequelle für Ihre Subfab.
Dr. Christian Kuhne
Director Sales Global