Neu­es Abgas­rei­ni­gungs­kon­zept für Nass­bank-Pro­zes­se in der Halb­lei­ter­indus­trie

Im Bereich Abgas­rei­ni­gung ist es gän­gi­ge Pra­xis, Abga­se aus nass­che­mi­schen Pro­zes­sen der Halb­lei­ter­indus­trie mit­tels zen­tra­len Gas­wä­schern zu rei­ni­gen. Wer­den flüch­ti­ge orga­ni­sche Ver­bin­dun­gen (VOCs) frei­ge­setzt, wird statt­des­sen auf ther­mi­sche Ver­bren­nung zurück­ge­grif­fen

Point-of-Use Sys­tem ersetzt Swit­ching Boxes

Hin­sicht­lich des stei­gen­den Bedarfs von Sin­gle­wa­fer-Nass­rei­ni­gungs­plät­zen bie­ten loka­le Abgas­wä­scher deut­li­che Pro­dukt­vor­tei­le. Sie erset­zen sog. Swit­ching Boxes, wel­che die Abluft, je nach aktu­el­lem Pro­zess­sta­tus, in unter­schied­li­che

zen­tra­le Ent­sor­gungs­ka­nä­le lei­ten. Die Her­aus­for­de­run­gen bei der Ent­wick­lung eines loka­len Wäschers für die oben genann­te Appli­ka­ti­on bestan­den vor allem in den spe­zi­fi­schen Restrik­tio­nen bzgl. Grö­ße, Effi­zi­enz und Druck­ab­fall.

Point-of-Use Kon­zep­te bie­ten kla­re Vor­tei­le

Das Point-of-Use Kon­zept der DAS Envi­ron­men­tal Expert wur­de nun erfolg­reich für die­sen Nass­pro­zess eva­lu­iert. Die Vor­tei­le gegen­über den Swit­ching Boxes lie­gen vor­ran­gig im klei­ne­ren und weni­ger kom­ple­xen Abluft­sys­tem, in der gerin­ge­ren Belas­tung des zen­tra­len Ent­sor­gungs­sys­tems, im gerin­ge­ren Ver­lust von Rein­raum­luft, im klei­ne­ren Platz­be­darf und in der höhe­ren Fle­xi­bi­li­tät bei Pro­zess­wech­seln. Es gibt weni­ger Emis­sio­nen und die Ent­ste­hung von Salz­par­ti­keln durch Säu­ren und Basen wird unter­drückt.

Sin­gle­wa­fer-Nass­rei­ni­gung in der Halb­lei­ter­indus­trie

Vie­le Pro­zess­schrit­te der Halb­lei­ter­indus­trie erzeu­gen umwelt­schäd­li­che Abga­se. In Anwen­dun­gen mit beson­ders reak­ti­ven Gasen, wie bspw. bei CVD-Ver­fah­ren oder Tro­cken­ät­zen, haben sich daher soge­nann­te Point-of-Use Kon­zep­te durch­ge­setzt, wel­che die Schad­ga­se direkt am Ort der Ent­ste­hung rei­ni­gen. Bei nass­che­mi­schen Pro­zes­sen wur­den hin­ge­gen bis­her zen­tra­le Nass­wä­scher oder – bei Vor­han­den­sein flüch­ti­ger orga­ni­scher Ver­bin­dun­gen –  ther­mi­sche Ver­bren­nungs­sys­te­me ein­ge­setzt. Bei bei­den Kon­zep­ten befin­den sich die Anla­gen typi­scher­wei­se im oder auf dem Gebäu­de.

Mit stei­gen­der Bedeu­tung der Sin­gel­wa­fer-Rei­ni­gung für die Mas­sen­pro­duk­ti­on zei­gen aber loka­le Wäscher deut­li­che Vor­tei­le. Tech­ni­sche und wirt­schaft­li­che Über­le­gun­gen ver­an­lass­ten eine Kun­den­an­fra­ge nach einem loka­len Wäscher mit gerin­gem Platz­be­darf und der Fähig­keit, die gesam­te Abluft aus der Sin­gle­wa­fer-Rei­ni­gung zu behan­deln. Die­ses Wäscher­kon­zept beschrei­ben wir nach­fol­gend.

In den seit lan­gem ein­ge­setz­ten Nass­bän­ken wer­den die mit meh­re­ren Wafern gefüll­ten Trä­ger­bo­xen in nach­ein­an­der ange­ord­ne­te Flüs­sig­keits­bä­der getaucht, wobei jede Nass­bank­ab­tei­lung immer die glei­che Flüs­sig­keit ent­hält. Die Abluft aus jeder Abtei­lung wird in eines der Abluft­sys­te­me geführt, unter­schie­den nach sau­er, basisch, VOC-hal­tig und all­ge­mei­ner Abluft.

Im Gegen­satz dazu wer­den in einem Sin­gle­wa­fer-Nass­rei­ni­gungs­sys­tem ein­zel­ne Wafer in Pro­zess­kam­mern gela­den. Eine Nass­rei­ni­gungs­an­la­ge besteht aus meh­re­ren Pro­zess­kam­mern, um meh­re­re Wafer gleich­zei­tig zu behan­deln oder um ver­schie­de­ne Pro­zess­schrit­te in ver­schie­de­nen Kam­mern durch­zu­füh­ren. Wäh­rend der Rei­ni­gung wer­den die Wafer nach­ein­an­der mit ver­schie­de­nen flüs­si­gen Che­mi­ka­li­en besprüht, die dann durch Rotie­ren der Wafer wie­der ent­fernt wer­den. Typisch sind neben Reinst­was­ser auch Ammo­ni­ak, Schwe­fel­säu­re, Was­ser­stoff­per­oxid, ozon­be­han­del­tes Was­ser, Fluss­säu­re oder Iso­pro­pa­nol. Beim Besprü­hen und Rotie­ren der Wafer ver­duns­tet Flüs­sig­keit oder sie gelangt in Form klei­ner Tröpf­chen in den Lüf­tungs­ka­nal.

Flüs­sig­kei­ten, die Ammo­ni­ak, Fluss­säu­re oder Schwe­fel­säu­re ent­hal­ten, kön­nen durch die Bil­dung von Salz­kris­tal­len Pro­ble­me im Abluft­ka­nal erzeu­gen, wenn Dämp­fe oder Tröpf­chen mit­ein­an­der in Kon­takt gera­ten. Die Reak­ti­on von Ammo­ni­ak und Fluss­säu­re ist umkehr­bar (sie­he Glei­chung 1); die Bil­dung von Ammo­ni­um­fluo­rid kann unter­bun­den wer­den, wenn die Kon­zen­tra­ti­on bei­der Gase unter dem Gleich­ge­wichts­wert gehal­ten wird. Die­ser kann bei Raum­tem­pe­ra­tur ther­mo­dy­na­misch abge­schätzt wer­den als [NH3][HF] < 100 (ppm)².

(1)  HF(g) + NH3(g) ↔ NH4F(s)

Neu­er Ansatz für Abluft­rei­ni­gung bei Nass­bank-Pro­zes­sen

Die oben genann­te Pro­ble­ma­tik wur­de bis­her durch die Tren­nung der Abga­se jeder Pro­zess­kam­mer über sau­re, basi­sche oder orga­ni­sche Lei­tun­gen gelöst, wie Abbil­dung 1 zeigt. In den Swit­ching Boxes erfolg­te mit­tels groß­di­men­sio­nier­ter Ven­ti­le die Auf­tei­lung der Abluft­strö­me der Nass­bank­kam­mern in die­se drei Abluft­ty­pen, in Abhän­gig­keit des aktu­el­len Pro­zess­schritts der jewei­li­gen Kam­mer. Jede Abluft­lei­tung wur­de dann von einem spe­zi­el­len zen­tra­len Abluft­rei­ni­gungs­sys­tem behan­delt.

Obwohl Swit­ching Boxes gut funk­tio­nie­ren, gibt es auch eini­ge Nach­tei­le:

Um Druck­schwan­kun­gen in den Abluft­lei­tun­gen zu ver­mei­den, zie­hen die Swit­ching Boxes Luft in die toten Enden der Lei­tun­gen, die gera­de nicht mit einer Pro­zess­kam­mer ver­bun­den sind. Jede zen­tra­le Abluft­lei­tung muss daher den maxi­mal mög­li­chen Luft­strom für alle Pro­zess­kam­mern zu jeder Zeit füh­ren. Da die Boxen nahe am Pro­zess­tool und somit in der Nähe des Rein­raums ste­hen, geht eine gro­ße Men­ge der teu­ren Rein­raum­luft ver­lo­ren, wel­che natür­lich ersetzt wer­den muss.

Da die zen­tra­len Wäscher den zen­tra­len Abluft­lei­tun­gen nach­ge­schal­tet sind, wer­den sie immer mit dem maxi­ma­len Luft­strom belas­tet. Dadurch muss die Wäscher­ka­pa­zi­tät um ein mehr­fa­ches höher sein, als für die Abluft­men­ge des Pro­zess­tools eigent­lich not­wen­dig ist.

Die für Sub­sys­te­me vor­ge­se­he­ne Flä­che kor­re­spon­diert übli­cher­wei­se mit der Grö­ße des Rein­raums und ist daher limi­tiert und dicht mit Aus­rüs­tung bestückt. Durch die gro­ßen Durch­mes­ser der Abluft­lei­tun­gen und Ven­ti­le bele­gen die Swit­ching Boxes jedoch eine gro­ße Stand­flä­che in die­sem Bereich.

Außer­dem müs­sen Signa­le erzeugt wer­den, um den Abluft­strom von jeder Pro­zess­kam­mer in die pas­sen­de zen­tra­le Abluft­lei­tung zu len­ken.

Mit dem Ansatz eines Point-of-Use Nass­wä­schers kön­nen die­se Pro­ble­me gelöst wer­den. Prin­zi­pi­ell sind Nass­wä­scher gut geeig­net, um was­ser­lös­li­che Gase aus einem Abluft­strom zu ent­fer­nen. Sau­re und basi­sche Gase (hier HF und NH3) kön­nen durch che­mi­sche Absorp­ti­on mit basi­schen oder sau­ren Wasch­flüs­sig­kei­ten auf ein gerin­ges Maß redu­ziert wer­den (sie­he Glei­chun­gen 2 und 3). Für Lösungs­mit­tel, die dem Henry‘schen-Gesetz fol­gen, ist die kleinst­mög­li­che Abluft­kon­zen­tra­ti­on nach dem Wäscher durch die effek­ti­ve Kon­zen­tra­ti­on in der Wasch­flüs­sig­keit der letz­ten Wäscher­stu­fe limi­tiert (sie­he Glei­chung 4).

HF + OH– ↔ F– + H2O (2)

NH3 + H3O+ ↔ NH4+ + H2O (3)

kH = p / caq (4)

caq ist die Kon­zen­tra­ti­on in der Flüs­sig­pha­se

p ist der Par­ti­al­druck in der Gas­pha­se

Die­se theo­re­ti­schen Limits erfor­dern eine Wäscher­di­men­sio­nie­rung, die groß – und für die Ver­weil­dau­er des Gases lang genug ist, um die Gas- und Flüs­sig­pha­se ins Gleich­ge­wicht zu brin­gen. Außer­dem muss der Flüs­sig­keits­strom groß genug sein, sodass die Kon­zen­tra­tio­nen in der Flüs­sig­keit ent­lang der Wäscher­säu­le rela­tiv sta­bil blei­ben. Die größ­ten Her­aus­for­de­run­gen bei der Ent­wick­lung von SALIX lagen somit in den spe­zi­fi­schen Restrik­tio­nen bzgl. Grö­ße, Effi­zi­enz und Druck­ab­fall.

Funk­ti­ons­prin­zip der Point-of-Use-Lösung SALIX

Die Abbil­dung zeigt das Funk­ti­ons­prin­zip der neu­en DAS Point-of-Use Nass­wä­scher-Lösung, SALIX. Alle Pro­zess­kam­mern eines Pro­zess­tools füh­ren direkt in einen Nass­wä­scher, der nur an einen zen­tra­len Abluft­ka­nal ange­schlos­sen ist. Ein zusätz­li­cher Kun­den­wunsch ist die Bypass-Lei­tung, um die Anla­ge auch im War­tungs- oder Feh­ler­fall zu ent­lüf­ten. Unmit­tel­bar am Abgas­ein­gang des Nass­wä­schers befin­den sich Sprüh­dü­sen zur Ver­min­de­rung der Kon­zen­tra­tio­nen der lös­li­chen Gase, schon bevor die ver­schie­de­nen Abluft­strö­me durch­mischt wer­den. Das Abgas strömt dann durch zwei gepack­te Wasch­säu­len, die mit unter­schied­li­chen Wasch­flüs­sig­kei­ten berie­selt wer­den kön­nen. Am Ende jeder Wasch­stu­fe ent­fernt ein Demis­ter Tröpf­chen aus dem Gas­strom. Der Sys­tem­druck wird durch einen gere­gel­ten Ven­ti­la­tor kon­trol­liert und kon­stant gehal­ten. Im War­tungs- oder Feh­ler­fall kann das Abgas mit­tels Bypass an den zwei Wäscher­stu­fen vor­bei­ge­führt wer­den.

Nasswäscher SALIX reinigt Abwässer aus Nassbank-Prozessen in der Halbleiterindustrie

Um den Limi­tie­run­gen bzgl. Stand­flä­che und Höhe gerecht zu wer­den, muss­ten die Wäscher­stu­fen so kom­pakt wie mög­lich sein. Eine typi­sche Säu­len­kon­struk­ti­on mit meh­re­ren Wäscher­ein­hei­ten über­ein­an­der war daher in die­sem Fall nicht geeig­net. Zwei recht­eckig gepack­te Stu­fen im Gegen­strom­prin­zip wur­den neben­ein­an­der, inner­halb eines Rah­mens posi­tio­niert. Da der Über­gang des Gases in die Flüs­sig­pha­se von der effek­ti­ven Ober­flä­che der Flüs­sig­keit abhängt, wur­den die Stu­fen als gepack­te Säu­len kon­stru­iert. Die Aus­wahl der dich­ten Füll­kör­per­pa­ckung war ein kri­ti­scher Punkt bei der Aus­le­gung der Anla­ge. Klei­ne­re Füll­kör­per erhö­hen zwar gene­rell die Kon­takt­ober­flä­che, aber füh­ren auch zu einem stär­ke­ren Druck­ab­fall über die Packung. Da die Höhe des Wäschers defi­niert war, muss­ten die Füll­kör­per eine mög­lichst gro­ße spe­zi­fi­sche Ober­flä­che haben, aber auch aus­rei­chend offe­nes Volu­men in den Packun­gen erhal­ten, damit der Ven­ti­la­tor immer noch den Druck­ver­lust über die Anla­ge aus­glei­chen kann. Zum Druck­ver­lust inner­halb des Sys­tems tra­gen auch enge Quer­schnit­te und Krüm­mun­gen ent­lang des Gas­pfa­des und des Demis­ters bei. Da bei­de Stu­fen Gegen­strom­säu­len sind, muss das Gas einen kom­ple­xen Pfad neh­men, vom seit­li­chen Ein­gang des Wäschers hin zum unte­ren Rand der ers­ten Stu­fe, von dort wie­der nach oben zum Boden der zwei­ten Stu­fe und letzt­end­lich zum Aus­gang seit­lich des Wäschers. Das erreich­ba­re Druck­ver­lust­mi­ni­mum über das Sys­tem ist zu Guns­ten des kom­pak­ten SALIX Designs ein­ge­schränkt.

SALIX – Neu­er Wäscher für die Abgas­rei­ni­gung in Nass­bank-Pro­zes­sen

SALIX

Das SALIX-Design bie­tet ver­schie­de­ne Kon­fi­gu­ra­tio­nen der Schad­gas­zu­füh­rung mit bis zu 12 sepa­ra­ten 6’’ Ein­läs­sen, was die Behand­lung von Gas­strö­men zwi­schen 1.000 und 4.000 m³/h ermög­licht. Der Platz­be­darf des Wäschers beträgt ledig­lich 4 m² (40 % weni­ger als das frü­he­re Kon­zept), bei einer Höhe von 2,04 m ohne Bypass und 2,57 m mit Bypass (Opti­on). Mit dem fre­quenz­ge­re­gel­ten Ven­ti­la­tor wird eine Druck­sta­bi­li­tät von +/-10 Pa wäh­rend des gesam­ten Pro­zes­ses erreicht. Der gesam­te Abluft­strom und der Ver­brauch von Rein­raum­luft beträgt ca. ein Drit­tel im Ver­gleich zu vor­he­ri­gen Instal­la­tio­nen. Um den Anfor­de­run­gen von Pro­zess­an­la­gen mit weni­ger Kam­mern bzw. gerin­ge­rem Abluft­strom gerecht zu wer­den, wur­de nun auch eine klei­ne­re Ver­si­on mit nur einer Wäscher­stu­fe ent­wi­ckelt. Zukünf­ti­ge Ent­wick­lun­gen von SALIX fokus­sie­ren die wei­te­re Ver­bes­se­rung der Druck­sta­bi­li­tät sowie die Opti­mie­rung der Medi­en­ver­bräu­che.

SALIX wur­de in einem äußert kur­zen Zeit­raum von nur sechs Mona­ten ent­wi­ckelt, gefer­tigt und gemäß SEMI S2 Sicher­heits­stan­dard zer­ti­fi­ziert. Auf­grund der spe­zi­el­len Kun­den­an­for­de­rung wur­de eine Bypass-Funk­ti­on ergänzt. Die Eva­lu­ie­rung erfolg­te beim Kun­den an einem Ein­zel­wa­fer-Pro­zess­tool mit zwölf Kam­mern. Wäh­rend die­ser Pha­se wur­de die Druck­sta­bi­li­tät am Wäscher­ein­gang wäh­rend des nor­ma­len Betriebs und beim Umschal­ten auf Bypass opti­miert und qua­li­fi­ziert. Ein­lass- und Aus­lass­kon­zen­tra­tio­nen wur­den mit­tels FTIR-Tech­no­lo­gie an der Pro­zess­li­nie gemes­sen. Im Ergeb­nis qua­li­fi­zier­te der Kun­de das SALIX-Sys­tem für den Ein­satz an sei­nem Ein­zel­wa­fer-Nass­bank­pro­zess kom­plett, ohne wei­te­re Anpas­sun­gen.

Fazit

Das Point-of-Use Nass­wä­scher-Kon­zept für die Behand­lung von Schad­ga­sen aus Sin­gel­wa­fer-Nass­bank­pro­zes­sen wur­de mit SALIX erfolg­reich umge­setzt und im Feld eva­lu­iert. Es wur­den gerin­ge Emis­si­ons­kon­zen­tra­tio­nen erreicht und die Bil­dung von Salz­par­ti­keln aus Säu­ren und Basen unter­drückt. Die grund­le­gen­den Vor­tei­le der Anla­ge gegen­über frü­he­ren Kon­zep­ten sind: klei­ne­re und ein­fa­che­re Abluft­lei­tun­gen, gerin­ge­re Last für die zen­tra­len Abluft­sys­te­me, höhe­re Fle­xi­bi­li­tät bei Pro­zess­än­de­run­gen, gerin­ge­rer Ver­lust von Rein­raum­luft und gerin­ge­re Stand­flä­che.

DAS Headquarter in Dresden

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