Vom Abwasser zur Ressource

Die Halbleiterproduktion stellt höchste Anforderungen an die Wasserqualität. Siliziumwafer durchlaufen je nach Anwendung mehrere hundert bis über tausend Prozessschritte im Reinraum und werden regelmäßig gereinigt. Dafür kommt Reinstwasser (Ultrapure Water, UPW) zum Einsatz, dessen Herstellung etwa 1,4 bis 1,6 Liter Leitungswasser pro Liter UPW erfordert. Die Reinigungsprozesse verhindern die Kontaminationen der im Nanometerbereich gefertigten Strukturen durch Partikel und gelöste Stoffe. UPW dient außerdem in Ätzprozessen zum Abspülen überschüssiger Ätzmittel und zum Entfernen von Chemikalienrückständen.

Dabei wird das Wasser mit Säuren, Basen, Oxidationsmitteln, Lösungsmitteln und Partikeln belastet. Je nach Prozess werden unterschiedliche Wasserqualitäten eingesetzt: UPW für hochsensible Schritte wie Waferreinigung, Spülungen nach Ätz- und Lithografieschritten, Deionisiertes Wasser (DI) für Prozesse wie Backgrinding (Reduzierung der Waferdicke) und die Regeneration von Ionenaustauscherharzen. Prozessrückführwässer aus UPW-Spülungen können nach geeigneter Nachreinigung für Utility-Zwecke genutzt werden, sodass UPW häufig nur einen Teil (z. B. 40 bis 60 %) des Gesamtwasserverbrauchs einer Fab ausmacht.

Während des Fertigungsprozesses entstehen unterschiedlicher Abwasserströme, die direkt aus den jeweiligen Prozessschritten resultieren. In der Lithografie fallen vor allem resist- und entwicklerhaltige Abwässer an, die zu einer erhöhten organischen Fracht führen. Reinigungsprozesse erzeugen Ströme mit hohen Anteilen an Säuren und Laugen, etwa Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid oder Ammoniumhydroxid, ergänzt um Lösungsmittel wie IPA oder DMSO. Beim chemisch-mechanischen Polieren (CMP) dominieren partikelreiche Abwässer aus Slurries mit Siliziumdioxid (SiO2) Wolframdioxid (WO2) oder Aluminiumoxid (Al2O3) sowie Stabilisatoren, die die Sedimentationsneigung der Feststoffe reduzieren. Nassätzprozesse liefern stark saure Abwässer mit Fluoridbelastung aus Flusssäure (HF) oder gepufferter Flusssäurelösung (BOE) sowie weiteren Mineralsäuren wie Salzsäure (HCl) oder Salpetersäure (HNO3), die häufig die maßgebende Auslegungskomponente darstellen.

Zusätzliche Abwasserströme entstehen bei der Abgasbehandlung in der Versorgungs- und Entsorgungsebene direkt unterhalb des Reinraums (Subfab). Prozessgase werden dort in Brenner-Wäscher-Systemen in wässrige Phasen überführt und treten als Säuren aus Fluor-, Phosphor-, Chlor- oder Schwefelverbindungen sowie als Feststoffpartikel beispielsweise aus Silizium und Gallium oder als gelöste organische Stoffe auf. Auch mechanische Prozesse wie Backgrinding erzeugen partikelbelastete Wässer mit Siliziumdioxid, Germanium oder Wolframoxiden. Die Reinstwasseranlage trägt Spülwässer, Konzentrate und Regenerate bei, die nur wenige Partikel, aber gelöste Salze und organische Additive wie Citronensäure enthalten. Ergänzend fällt Absalzwasser aus Kühltürmen an, das vor allem anorganische Salze und Korrosionsschutzmittel wie Azole enthält. Insgesamt liegt ein komplexes, stark heterogenes Abwasserspektrum vor, das eine getrennte Sammlung und differenzierte Behandlung der einzelnen Abwasserströme erforderlich macht.

Die Behandlung der fluoridhaltigen Abwässer erfolgt in einer separaten Linie. Ziel dieser Stufe ist die sichere Fällung und Entfernung von gelöstem Fluorid.

Zunächst wird Calcium dosiert, um das Fluorid in Form von schwerlöslichem Calciumfluorid (CaF2) auszufällen. Der Einsatz von Lauge verschiebt die Fällung in den optimalen pH Bereich.

Im Anschluss erfolgt die Koagulation z.B. mittels Eisen(III)-chlorid (FeCl3), wodurch feine Partikel destabilisiert und zusammengelagert werden. Die nachgeschaltete Flockulation mit Polymer führt zur Bildung größerer, gut sedimentierbarer Flocken.

Die Fest-Flüssig-Trennung erfolgt in einem Lamellenschrägklärer, der aufgrund seiner großen effektiven Absetzfläche eine kompakte Bauweise bei gleichzeitig hoher Abscheideleistung ermöglicht. Das geklärte Wasser wird der nachfolgenden Neutralisation zugeführt, während der anfallende Schlamm in einem Speicherbehälter gesammelt, eingedickt und extern entsorgt wird.

Die Abwässer aus Schneid- und Polierprozessen werden ebenfalls in einer separaten Behandlungslinie geführt. Diese Abwässer enthalten vor allem feindisperse SiO2- und Aluminium-Partikel, die ohne chemische Unterstützung nicht absetzbar sind.

Die Aufbereitung erfolgt über eine Koagulation z.B. mit FeCl3, wodurch die Oberflächenladungen der Partikel neutralisiert werden und sie sich zu Agglomeraten zusammenlagern. Ergänzend wird Natriumhydroxid (NaOH) dosiert, um den pH-Wert in den optimalen Bereich für die Flockung einzustellen. Durch die anschließende Polymerflockulation bilden sich stabile Flocken, die effizient in einem Lamellenschrägklärer abgetrennt werden können. Der entstehende Schlamm wird in einem separaten Behälter zwischengespeichert, entwässert und anschließend extern entsorgt.

Die gereinigten Abwässer aus der Fluorid- sowie aus der Siliziumbehandlung werden gemeinsam einer mehrstufigen Neutralisation zugeführt. Zusätzlich werden weitere saure und alkalische Abwässer aus der Produktion in diesen Prozess integriert.

Die pH-Einstellung erfolgt bedarfsgerecht durch Dosierung von Natriumhydroxid (NaOH) zur Neutralisation saurer Abwässer sowie Salzsäure (HCl) zur Absenkung zu hoher pH-Werte. Die mehrstufige Ausführung ermöglicht eine hohe Regelgenauigkeit und kompensiert Schwankungen in Zusammensetzung und Volumen der Zulaufströme.

Zur Sicherstellung eines stabilen Anlagenbetriebs und zur Einhaltung der Einleitbedingungen werden kontinuierlich relevante Parameter überwacht. Im Fokus stehen dabei:

-        der pH-Wert,

-        die Konzentration an suspendierten Feststoffen (TSS),

-        die Fluoridkonzentration.

Diese Messgrößen dienen sowohl der Prozesssteuerung als auch der dokumentierten Einhaltung behördlicher Vorgaben.

Wasserrecycling hat das Ziel, den Frischwasserbezug zu senken, Einleitungen zu minimieren und Wasserkreisläufe zu schließen. Gründe für den Aufbau von Recyclingkonzepten sind unter anderem die Unabhängigkeit von externen Quellen in wasserarmen Regionen, Kosteneinsparungen durch Rückführung gering belasteter Wässer sowie die Kontrolle der Frischwasserqualität durch eigene Aufbereitung. Zentral ist zunächst die Festlegung der Zielqualität: entweder die Rückführung in den Zulauf der UPW-Anlage oder die Aufbereitung zu Rücklaufwasser für weniger kritische Anwendungen (Reclaim Water, RCW). RCW-Qualität ist oft einfacher zu erreichen und eignet sich u. a. für Abgasabatements, Kühlsysteme oder bestimmte Utility-Prozesse.

Viele Spülprozesse erzeugen nur geringe Verunreinigungen, sodass deren Wässer nach geeigneter Behandlung direkt als RCW wiederverwendet werden können. Typischerweise beginnt die Aufbereitung mit Partikelentfernung, z. B. durch Ultrafiltration (UF), ggf. nach Koagulation und Sedimentation, gefolgt von Umkehrosmose (RO) zur Reduktion gelöster Stoffe.

Im Wasser enthaltene Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid werden katalytisch abgebaut oder z.B. in UV-basierten Advanced Oxidation Processes (AOP) weitergenutzt. Die meisten Abwässer passieren zunächst eine Neutralisation, während HF-, Feststoff- oder ammoniumbelastete Ströme separat vorbehandelt werden, um gezielt auf kritische Komponenten einzugehen.

Ein besonders hohes Einsparpotenzial bietet die UPW-Anlage, da dort große Volumenströme zirkulieren: Maßnahmen wie Zweitpass-RO oder Spülwasser-Reclaim gelten als „low hanging fruits“ mit vergleichsweise geringem Aufwand und hoher Wirkung. Auch hier wird zwischen zentralen EOP-Konzepten und dezentralen Kreisläufen unterschieden. Bei EOP-Systemen lassen sich Minimal Liquid Discharge (MLD) und Zero Liquid Discharge (ZLD) differenzieren, wobei ZLD mit Rückführung in die UPW-Speisung das Maximum an Recycling darstellt, das allerdings mit hohen Investitions- und Betriebskosten einhergeht. Dezentrale Ansätze bearbeiten getrennte Ströme direkt an der Quelle (POU), etwa Abatement-Wasser oder Backgrinding-Abwässer, und ermöglichen die Rückgewinnung wertvoller Stoffe in höherer Reinheit oder Konzentration.

Anwendungen zur weitgehenden oder vollständigen Rückgewinnung von Wasserströmen, insbesondere Zero Liquid Discharge (ZLD), stellen hohe Anforderungen an Fläche, Energieversorgung und Medieninfrastruktur. Solche Systeme erfordern groß dimensionierte Apparate, Verdampferstufen und Konzentrationsanlagen, was sie in der Regel auf Neubauprojekte (Greenfield) beschränkt. Hier kann die gesamte Fab-Infrastruktur von Beginn an auf den zusätzlichen Energie- und Platzbedarf ausgelegt werden. Eine Nachrüstung bestehender Werke (Brownfield) ist hingegen aufgrund begrenzter Flächen, bestehender Rohrleitungsarchitektur und fehlender Energie- oder Kühlkapazitäten meist nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand realisierbar.

Deutlich flexibler zeigen sich End-of-Pipe (EOP) Reclaim-Konzepte, welche nicht auf einem ZLD-Prinzip beruhen. Diese Ansätze lassen sich – abhängig von der Qualität der vorgelagerten Vorbehandlung vor der zentralen Neutralisation – auch in bestehenden Fabs nachrüsten. Typischerweise werden Rückgewinnungsraten von etwa 40 bis 70 % erreicht. Dabei bleibt die stoffliche Fracht, die an die kommunale Kläranlage abgegeben wird, unverändert, während sich der Volumenstrom deutlich reduziert. So können messbare Einsparungen bei Frisch- und Abwassermengen erzielt werden.

Noch modularer sind Point-of-Use- oder Bay-Lösungen, also dezentrale Aufbereitungskonzepte mit geringem Footprint, die sich besonders für Brownfield-Umgebungen eignen, da sie ohne größere bauliche Anpassungen integriert werden können. Betroffen sind dabei nur klar definierte Prozesslinien; zentrale Systeme sind zwar hinsichtlich Flächen- und Energieverbrauch pro Kubikmeter behandeltem Wasser effizienter, benötigen aber die entsprechenden räumlichen und infrastrukturellen Voraussetzungen. Dezentrale Lösungen können die Wässer gezielter und effizienter behandeln, da diese noch nicht zu heterogen belastet sind.

Neben der Auswahl geeigneter Verfahren sind Automatisierung, Online-Analytik und flexible Fahrweisen entscheidend für einen stabilen und ressourceneffizienten Betrieb. Moderne Monitoring-Konzepte erfassen Qualitätsparameter kontinuierlich und ermöglichen eine dynamische Anpassung an Last- und Produktschwankungen. Dazu gehört auch der Datenaustausch zwischen Prozessanlagen im Reinraum und den nachgelagerten Systemen in der Subfab, der durch digitale Plattformen und vernetzte Steuerungslösungen unterstützt wird.

Während zentrale Abwasserbehandlungsanlagen, wie zuvor beschrieben, eine zuverlässige Einhaltung der Einleitgrenzwerte gewährleisten, stoßen sie angesichts steigender Produktionsvolumina, komplexerer Prozesschemikalien und steigender Nachhaltigkeitsanforderungen zunehmend an wirtschaftliche und ökologische Grenzen. Insbesondere in Halbleiterfabriken mit hohem Wasserverbrauch rückt daher der Ansatz in den Fokus, Abwasser nicht ausschließlich am Ende der Prozesskette zu behandeln, sondern bereits gezielt am Entstehungsort zu minimieren oder vorzubehandeln.

Ein zentrales Anwendungsfeld hierfür sind Abgasbehandlungsanlagen in der sogenannten Subfab. Diese Anlagen dienen der Reinigung prozessbedingter Abluftströme, in denen gasförmige Schadstoffe verbrannt und in Waschflüssigkeiten überführt werden. Die dabei entstehenden Abwässer weisen häufig hohe Konzentrationen spezifischer Inhaltsstoffe auf, etwa Partikel (Oxide), Fluorid, Säuren oder Basen. Der Abwasseranfall eines solchen Abgasabatements ist im Vergleich zum Abwasseranfall einer Halbleiterfabrik gering. Die Anzahl der Abgasabatements in einer Halbleiterfabrik kann jedoch in die mittleren Hundert – sogar Tausender reichen und so einen Anteil am Gesamtabwasseranfall einer Fab von 25 % ausmachen. Point-of-Use-Konzepte zielen darauf ab, diese hochbelasteten Teilströme direkt an der Quelle zu behandeln und das gereinigte Abwasser bestenfalls zurück in die Abatements zu führen. So minimiert sich der Frischwasserbedarf der Abgasabatements und gleichzeitig wird die zentrale Abwasserreinigung der Halbleiterfab hydraulisch entlastet.

Je nach Abgasabatement und vorgeschaltetem Prozesstool variiert die Abwasserzusammensetzung. Bei reinen Wäschern werden hauptsächlich Verunreinigungen wie Isopropanol, Flusssäure, Salzsäure, gelöste Salze sowie Ammoniak gefunden. Bei Brenner-Wäscher Abatements besteht die Abwassermatrix oft aus einer Mischung aus unter anderem gelösten Salzen mit u.a. Fluorid, Arsen, Phosphor, Bor und Partikeln. Bei reinen Dust-Abatements (Partikelabscheidern) handelt es sich hingegen um ein partikelbelastetes Abwasser, das auch geringe Salzkonzentrationen aufweisen kann.

Die einfachste Möglichkeit der Abwasserbehandlung stellt die gezielte Partikelentfernung unter Beachtung der anderen Abwasserparameter dar. Das gereinigte Abwasser kann dem Abgasabatement anschließend wieder zugeführt werden – so lange bis sich die gelösten Stoffe im Kreislauf bis zu weit angereichert haben. Bei erreichtem Grenzwert muss das recycelte Wasser ausgetauscht werden, um Prozessstörungen zu vermeiden. Durch die Wiederverwendung des gereinigten Abwassers bis zu dieser Grenze ist eine Wasserersparnis von bis zu 90 % möglich. Verluste aus dem Wasserkreislauf werden durch Frischwasser ausgeglichen. Dadurch kann gleichzeitig eine Verdünnung der gelösten Wasserinhaltsstoffe erreicht und die Wasserrecyclingrate erhöht werden.