Der Weg zur klimaneutralen Halbleiterfertigung: 100 % Destruction and Removal Efficiency (DRE) für CF₄-Emissionen
Herausforderung CF₄
Tetrafluormethan (CF₄) stellt eine der größten Klimaschutz-Herausforderungen der Industrie dar. Die effektive Zerstörung von CF₄ ist daher entscheidend für den Umwelt- und Klimaschutz. Die effiziente Behandlung zählt außerdem zu den zentralen ESG-Zielen vieler Unternehmen. DAS EE bietet effiziente Lösungen zur Erreichung dieser Ziele an.
CF₄ zählt zu den klimaschädlichsten industriellen Gasen, da es ein sehr hohes Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP) von rund 7.380 über den Vergleichszeitraum von 100 Jahren besitzt und mit Verweilzeiten von mindestens 50.000 Jahren in der Atmosphäre extrem langlebig ist. Bereits geringe Emissionen wirken daher über viele Jahrtausende und tragen wesentlich zur Klimaerwärmung bei. Das Treibhauspotential ist ein Maß dafür, wie stark ein bestimmtes Treibhausgas zur Erwärmung der Erdatmosphäre im Vergleich zu Kohlendioxid (CO2) beiträgt. Es wird typischerweise über einen Zeitraum von 100 Jahren betrachtet.
Das Gas selbst ist für Menschen nicht akut gesundheitsgefährdend. Es hat in üblichen Konzentrationen weder reizende noch toxische Wirkung auf die Atemwege und ist nicht brennbar. Die eigentliche Gefahr von CF₄ geht jedoch von seiner Auswirkung auf das Klima und seine lange Verweildauer in der Atmosphäre aus („klimatische Unsterblichkeit“).
Beispielrechnung: Hat ein Kilogramm CF₄ ein GWP₁₀₀ von 7.380, so wirkt es in 100 Jahren genauso wie 7.380 Kilogramm CO₂.
Globale Regulierung der CF₄-Emissionen in der Halbleiterindustrie
Die Halbleiterfertigung ist eine relevante Quelle für CF₄-Emissionen, die hauptsächlich bei Plasmaätz- und Kammerreinigungsprozessen entstehen. CF₄ ist ein fluoriertes Treibhausgas mit einem extrem hohen Treibhauspotenzial und unterliegt daher einer zunehmenden behördlichen Kontrolle. CF₄-Emissionen werden jedoch im Allgemeinen nicht durch CO₂-Preismechanismen wie Kohlenstoffsteuern oder Emissionshandelssysteme reguliert. Stattdessen werden sie durch spezifische Vorschriften für fluorierte Treibhausgase, Meldepflichten im Rahmen nationaler Treibhausgasinventare und branchenspezifische Reduktionsverpflichtungen (z. B. Abminderungsanforderungen, beste verfügbare Techniken oder freiwillige Vereinbarungen) geregelt.
In der Europäischen Union fällt CF₄ unter die F‑Gas-Verordnung, die sich auf die Überwachung, Berichterstattung und Reduzierung von Emissionen fluorierter Treibhausgase, einschließlich Prozessgasen, die bei der Halbleiterherstellung verwendet werden, konzentriert und nicht auf die direkte Bepreisung von Kohlenstoff.
In den USA unterliegen CF₄-Emissionen aus Halbleiterfabriken der Meldepflicht im Rahmen des EPA-Treibhausgasberichtsprogramms, ergänzt durch langjährige freiwillige Reduktionsvereinbarungen zwischen der Industrie und den Regulierungsbehörden.
In Taiwan, einem wichtigen globalen Zentrum für die Halbleiterherstellung, werden CF₄-Emissionen durch nationale Treibhausgasberichtsanforderungen und sektorspezifische Minderungsmaßnahmen im Rahmen des Klimaschutzgesetzes geregelt, während CO₂-Bepreisungsinstrumente separat auf energiebezogene Emissionen abzielen.
In Japan und Südkorea werden CF₄ und andere fluorierte Prozessgase in ähnlicher Weise durch Meldepflichten, Technologiestandards und Branchenrichtlinien reguliert, wobei der Schwerpunkt eher auf Reduktionstechnologien liegt.
Warum 100 % Destruction and Removal Efficiency (DRE) in der Halbleiterfertigung?
CF4 wird in der Halbleiterfertigung vor allem beim Plasmaätzen und bei Plasmareinigungsprozessen eingesetzt. Unmittelbar nach dem Aufbringen und Belichten des Fotolacks auf den Wafer bei der Fotolithografie werden alle nicht vom Fotolack geschützen Bereiche auf der Waferoberfläche durch Plasmaätzen entfernt. Plasmareinigung wird an mehreren Stellen innerhalb des Fertigungsprozesses eingesetzt, z.B. als Vorreinigung vor Beschichtungsprozessen oder nach Ätzprozessen (Etch), um mögliche Kontaminationen durch Ätzrückstände zu vermeiden. Auch bei der sogenannten Trockenreinigung der Prozesskammern (Chamber Cleaning) von Fertigungsanlagen im Reinraum zur Entfernung von Reaktionsprodukten wird CF4 verwendet. Herkömmliche thermische Abgasreinigungsanlagen erreichen zwar bis zu 95% DRE, aber das ist zu wenig angesichts des bereits genannten steigenden regulatorischen Drucks – die Chipfabriken der nächsten Generation streben Zero-Emission-Subfabs an.
Die technischen Herausforderungen
Die Zerstörung von CF₄ in den Abgasströmen der Halbleiterfertigung erfordert die Lösung zweier Kernprobleme: die extreme Bindungsstabilität und die Tendenz von unvollständig gespaltenen CF4-Molekülen (Radikale), wieder zu CF₄ zu rekombinieren. Die C–F‑Bindung in CF₄ zählt mit 486 kJ/mol zu den stärksten Bindungen in der Chemie. Ihre Spaltung ist daher nur unter extremen Bedingungen möglich, etwa bei Temperaturen über 1000 °C oder in energiereichen Plasmen. Bei niedrigeren Temperaturen besteht die Gefahr, dass die Bindungen nur unvollständig gespalten werden und diese Radikalen (Fragmente) zu neuem CF4 rekombinieren. Ohne Gegenmaßnahmen kann die DRE praktisch gegen Null gehen.
Innovative Lösungsansätze für die hochwirksame CF₄-Abgasbehandlung
DAS Environmental Experts bietet zwei technologisch unterschiedliche, aber komplementäre Verfahren zur nahezu vollständigen Zerstörung hochstabiler Prozessgase wie CF₄: Plasma-Wet und Burn-Wet. Beide Ansätze verfolgen das gleiche Ziel – eine Zerstörungs- und Entfernungseffizienz von über 99,9 % – setzen jedoch unterschiedliche physikalisch-chemische Mechanismen ein und erfüllen damit verschiedene ökologische und strategische Anforderungen der Halbleiterindustrie.
Plasma-Wet: Zukunftssichere Technologie für eine emissionsfreie Fertigung
Die Plasma-Wet-Technologie basiert auf der Erzeugung eines hochenergetischen Plasmazustands, der sich durch Temperaturen von etwa 10.000 Kelvin und energiereiche Elektronen und Ionen auszeichnet. Dieses Plasma wird durch einen Lichtbogen zwischen zwei Elektroden erzeugt und auf ein strömendes Trägergas – typischerweise Stickstoff – übertragen. In dieser Umgebung werden die extrem stabilen CF₄-Moleküle thermisch aufgebrochen und in reaktive Fragmente überführt.
Durch die kontrollierte Zufuhr von Sauerstoff und Wasserstoff (in Form von Wasser) werden diese Fragmente vollständig zu CO₂ und Flusssäure (HF) umgesetzt; die HF wird anschließend ausgewaschen und neutralisiert. Die Kombination aus hoher Temperatur, Plasmaaktivität und gezielter Oxidation verhindert Reaktionen zurück zu unerwünschten Ausgangsverbindungen und ermöglicht hohe Zerstörungsgrade.
STYRAX Plasma-Wet-Systeme überzeugen bereits heute durch DRE-Werte über 95 %, einen niedrigen Energiebedarf und einen geringen CO₂-Footprint. Da sie ohne Erdgas auskommen, gelten sie als besonders zukunftssicher – ein entscheidender Vorteil angesichts der globalen Net-Zero-Strategien und der zunehmenden Forderung nach einer vollständig erneuerbaren Energieversorgung in der Chipfertigung. Laufende Forschungsprojekte und Kooperationen mit Hochschulen treiben die Weiterentwicklung bis hin zu einer Effizienz von >99,9 % aktiv voran.
Burn-Wet: Maximale Effizienz für höchste Zerstörungsraten
Das Burn-Wet-Verfahren setzt auf die thermische Oxidation der Prozessgase in einem Brenner-basierten System. Das Brenner-Wäscher-System TILIA von DAS Environmental Experts wurde unabhängig validiert und erreicht bereits heute eine Zerstörungs- und Entfernungseffizienz von über 99,9 % für CF₄ und andere fluorierte Treibhausgase – und übertrifft damit deutlich die im SEMI-SCC-Whitepaper (2024) empfohlenen Zielwerte von >95 % bzw. >99 % DRE.
Beide Systeme arbeiten äußerst zuverlässig und sind besonders geeignet für Anwendungen, in denen maximale Abgasbehandlungsleistung unabhängig von Prozessschwankungen gefordert ist.
Fazit: Der Weg zur Zero-Emission-Subfab ist erreichbar
Sowohl die Plasma-Wet- als auch die Burn-Wet-Technologie bieten ein wirksames Fundament für die deutliche Reduktion fluorierter Treibhausgase in der Halbleiterfertigung. Während Burn-Wet bereits heute Zerstörungs- und Entfernungseffizienzen (DRE) nahe 100 % erzielt, eröffnet Plasma-Wet durch den Betrieb ohne fossile Brennstoffe einen zukunftsfähigen Weg, der die Net-Zero-Strategien der Industrie unterstützt. Beide Ansätze bilden damit ein leistungsfähiges Portfolio, das sowohl hohe technische Wirksamkeit als auch ökologische Verträglichkeit abdeckt.
Um die verbleibenden Restemissionen hochstabiler Moleküle wie CF₄ vollständig zu eliminieren, entwickelt DAS Environmental Experts ein katalytisches Verfahren, das bei etwa 720 °C auch die letzten Prozentpunkte der CF₄-Zersetzung erreicht. In ein mehrstufiges Gesamtsystem integriert – bestehend aus Point-of-Use-Abgasbehandlung, zentraler katalytischer Nachreinigung und nachgeschaltetem Nasswäscher – entsteht ein energetisch optimiertes, ressourcenschonendes Abatementkonzept. Besonderen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten dabei Wasserrecycling und die Minimierung des CO₂-Fußabdrucks.
Diese technologisch abgestützte Vorgehensweise zeigt: Zero CF4 Emission kann unter Einsatz moderner Abatement-Technologien bereits heute als erreichbares Prozessniveau gelten. Durch die Kombination aus Plasma-Technologie, thermischer Katalyse und intelligenter Prozesssteuerung können selbst extrem klimaaktive F‑Gase vollständig zerstört werden. Gleichzeitig reduziert die drastische Senkung von F‑Gas-Emissionen künftige Carbon-Tax-Belastungen und stärkt die regulatorische Resilienz der Hersteller.
DAS Environmental Experts bietet damit nicht nur einzelne Lösungen, sondern eine ganzheitliche Emissionsstrategie – von der Optimierung bestehender Anlagen bis zur Integration erneuerbarer Energien. Die Zero-Emission-Subfab wird so zum Schlüsselbaustein einer klimaneutralen Halbleiterproduktion und macht Hersteller fit für die Anforderungen einer nachhaltigen Industrietransformation.
„Wer CF₄ zerstört, beherrscht alle Prozessgase. Nachhaltigkeit in der Halbleiterindustrie beginnt mit der Zerstörung der stabilsten chemischen Verbindungen in der Abgasbehandlung – mit Hilfe unserer Technologien und Lösungen.“
Dr. Guy Davies, CBDO, DAS Environmental Experts
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Dr. Christian Kuhne
Director Sales Global