Effiziente Lösungen zur Reduktion von Stickoxid-Emissionen (NOx) in der Halbleiterindustrie
Effiziente Lösungen zur Reduktion von Stickoxid-Emissionen (NOx) in der Halbleiterindustrie
Saurer Regen und starker Smog – diese Bedrohungen für Gesundheit und Natur werden durch NOx (Stickoxide NO2 und NO) verursacht. Der Umgang mit schädlichem NOx, das bei Verbrennungsprozessen entsteht, ist in vielen Branchen eine echte Herausforderung.
DAS Environmental Experts hat eine schlüsselfertige Lösung für die NOx-Behandlung entwickelt, die für die Halbleiterindustrie und andere Branchen geeignet ist.
Was sind Stickoxide und welche Auswirkungen haben sie auf Umwelt und Gesundheit?
Stickoxide, abgekürzt NOx, sind gasförmige Verbindungen, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl, Gas, Kohle oder Holz entstehen. Zur Gruppe der Stickoxide gehören Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2).
Stickstoffmonoxid (NO) ist eine farblose, bioaktive Substanz, die im Körper unter anderem als Botenstoff genutzt wird. Es hat erweiternde Wirkung auf Blutgefäße und wird daher in Kardiologie und Herzchirurgie sowie zur Behandlung von Lungenhochdruck bei Neugeborenen eingesetzt. NO kann in der Atmosphäre leicht zu NO2 oxidiert werden. Stickstoffdioxid (NO2) ist ein rotbraunes, stark giftiges, stechend riechendes Gas, das bei Temperaturen über 200 °C wiederum in Stickstoffmonoxid und Sauerstoff zerfällt. Es bildet mit Wasser Säure und führt zu der Entstehung von saurem Regen; beide Stickoxide tragen außerdem mit zur Entstehung von Sommersmog bei. Die Gesundheit von Mensch und Tier wird durch die Substanzen gefährdet, denn Stickoxide – insbesondere Stickstoffdioxid – reizen und schädigen die Schleimhäute der Atemwege sowie der Augen und beeinträchtigen die Lungenfunktion. Das Einatmen dieser nitrosen Gase in hohen Konzentrationen ist höchst gefährlich; es kann unter anderem Atemnot und Lungenödeme verursachen.
Ein nicht unwesentlicher Anteil der Luftverschmutzung wird durch den Verkehr verursacht (ca. 37 % der gesamten Emissionen). Die ortsfesten Verschmutzungsquellen, deren Emissionsanteil ca. 30 % ausmacht, sind vor allem Kraftwerke, Abfallverbrennungsanlagen, Glas- und Zementherstellung und Erdölraffinerie. Und nicht nur bei Verbrennungsprozessen, sondern auch beim Arbeiten mit Salpetersäure können Stickoxide freigesetzt werden. Zusätzlich nimmt die Relevanz von der Landwirtschaft als NOx-Emissionsquelle zu (ca. 10 %).
Aus diesem Grunde gelten für Stickoxide schon heute strenge Grenzwerte in vielen Ländern der Erde. Weltweit bemühen sich Regierungen und Behörden, die Freisetzung dieser Luftschadstoffe weiter einzuschränken. Nationale Umweltvorschriften wie die TA-Luft Deutschland oder die EPA USA legen strenge Grenzwerte für NOx-Emissionen fest. Deswegen benötigen nicht nur die bereits genannten großen NOx-Emittenten sondern auch High-Tech-Industrien, wie die Halbleiterindustrie, effektive Lösungen zur Vermeidung, Verringerung oder Behandlung von Stickoxiden.
Wie entstehen Stickoxide?
NOx werden hauptsätzlich durch die Oxidation von Stickstoff während verschiedenen Verbrennungsprozessen gebildet. Es wird zwischen drei Bildungsmechanismen unterschieden. Das sogenannte thermische NOx entsteht bei relativ hohen Temperaturen (über 1300 °C) aus dem Stickstoff und dem Sauerstoff der Verbrennungsluft. Brennstoff-NOx (englisch: fuel-NOx) bildet sich aus im Brennstoff chemisch gebundenem Stickstoff schon ab Temperaturen von 800°C. Diese komplexen chemischen Prozesse können durch die Reaktionsbedingungen stark beeinflusst werden. Dabei ist es unter anderem auch möglich, dass Stickstoff unter der Einwirkung von Brennstoffradikalen (CHx) in der Flammenfront zu Stickoxid, dem sogenannten prompten NOx, umgesetzt wird.
Bei normalen Verbrennungsprozessen besteht das NOx zu 95 % aus NO. NO2 bildet sich hauptsätzlich im Anschluss der Verbrennung mit dem Sauerstoff der Atmosphäre. Bei ungünstiger Prozessführung kann aber auch Distickstoffmonoxid (N2O) entstehen, besser bekannt als Lachgas. Diese Substanz wird z.B. in der Medizin als Narkosemittel, sowie in der Lebensmittelindustrie als Treibgas verwendet. Lachgas gilt vor allem als ein Treibhausgas, dessen Auswirkung 298-mal so hoch wie CO2 ist.
Stickoxide (NOx) in der Halbleiterindustrie
Grundsätzlich ist die Halbleiterindustrie eine der rohstoffintensivsten Industrien weltweit mit umfangreichen Umweltauswirkungen in Bezug auf Energie- und Wasserverbrauch sowie Abfallproduktion.
Stickstoff wird allgemein als Schutzgas oder auch Spülgas bei der Prozessierung der Silizumscheiben im Reinraum eingesetzt, weil das Gas unter normalen Bedingungen außerordentlich reaktionsträge ist – doch bei hohen Temperaturen kann daraus thermisches NOx entstehen. Das betrifft vor allem solche Point-of-Use Verbrennungsanlagen, welche für die Beseitigung von perfluorierten Kohlenwasserstoffen (PFC) nach Ätzprozessen eingesetzt werden. Die im Reaktor für die Zersetzung von PFCs erforderlichen Temperaturen begünstigen als Nebeneffekt die NOx-Entstehung.
In der Halbleiterindustrie werden Stickstoffverbindungen außerdem beispielsweise für das Abscheiden von Nitridschichten benötigt. Für die Bildung von Oxinitridschichten bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD-Prozess) wird normalerweise Lachgas verwendet. Nicht nur in der Mikroelektronikfertigung, sondern auch bei der Produktion von Dünnschicht-Bildschirmen und Dünnschicht-Solarzellen wird Stickstofftrifluorid (NF3) zum Reinigen von CVD-Kammern eingesetzt, und Ammoniak (NH3) auch bei der Herstellung von kristallinen Silizium-Solarzellen.
Die nichtreagierten Reste dieser stickstoffhaltigen Verbindungen werden in der Regel zusammen mit anderen Prozessgasen thermisch entsorgt und gelten dementsprechend als Quelle der Stickoxidemissionen, die nach dem Brennstoff-NOx Mechanismus entstehen.
DAS Environmental Experts bietet innovative Lösungen für die sekundäre Behandlung von NOx
DAS Environmental Experts bietet mit TSUGA und ALCEA zwei unterschiedliche katalytische Lösungen für die sekundäre Behandlung von NOx-Emissionen in der Halbleiterindustrie. Beide Systeme erreichen eine NOx-Reduktion von bis zu 95 %, setzen dabei jedoch auf unterschiedliche technologische Ansätze.
TSUGA: NOx- und Partikelbehandlung mit selektiver katalytischer Reduktion
TSUGA kombiniert die selektive katalytische Reduktion (SCR) mit einer hocheffizienten Partikelfiltration. Das System behandelt NOx-Konzentrationen von bis zu 4.000 ppm sowie Feinstaub und Partikel in Abgasströmen von bis zu 5.000 slm. Als Bay-Lösung für die sekundäre Abgasreinigung kann TSUGA die Abgasströme mehrerer vorgeschalteter Abgasreinigungsanlagen gemeinsam behandeln.
In der ersten Behandlungsstufe werden mehr als 99 % der Partikel abgeschieden. Dies schützt die nachfolgenden Komponenten und unterstützt eine langfristig hohe katalytische Aktivität. Anschließend werden die Stickoxide mittels SCR unter Zugabe von Ammoniak als Reduktionsmittel in Stickstoff und Wasser umgewandelt. Dabei erreicht TSUGA eine NOx-Reduktion von mehr als 95 %. Eine präzise Dosierung des Reduktionsmittels und die Rückgewinnung von mehr als 75 % der Prozesswärme tragen zu einem effizienten Betrieb bei.
Eine integrierte Online-Messung ermöglicht zudem die kontinuierliche Überwachung der NOx-Emissionen und unterstützt die Dokumentation relevanter Betriebs- und Emissionsdaten.
ALCEA: Plasma-unterstützte Katalyse mit minimalem Platzbedarf
Mit ALCEA (Advanced Catalytic Oxidation) erweitert DAS Environmental Experts die sekundäre NOx-Behandlung um einen plasmaunterstützten katalytischen Ansatz. Das System ist für den Einsatz nach NOx-erzeugenden Abgasreinigungsanlagen wie Plasma-Wet- oder Burn-Wet-Systemen konzipiert.
ALCEA kombiniert nichtthermisches Plasma mit Katalysatortechnologie. Dabei erzeugte reaktive Sauerstoffspezies (ROS) ermöglichen katalytische Reaktionen, bei denen NOx in wasserlösliche Stickstoffverbindungen umgewandelt wird. Diese können anschließend in einer nachgeschalteten zentralen Nassabscheidung entfernt werden.
Abhängig von NOx-Konzentration und vorgeschalteter Behandlung verarbeitet ALCEA Abgasströme von bis zu 5.000 slm und erreicht eine NOx-Reduktion von bis zu 95 % bei einem Stromverbrauch von bis zu 3,2 kW. Eine spezielle Gaseinspeisung oder die Zugabe chemischer Reduktionsmittel wie Ammoniak ist nicht erforderlich.
Die Katalysatoreinheit wird direkt in das bestehende Abluftkanalsystem integriert und benötigt dadurch praktisch keine zusätzliche Stellfläche in der Subfab. Das kompakte, modulare Konzept eignet sich zudem für die Nachrüstung bestehender Abgasinfrastrukturen.
Erfahren Sie mehr über unsere Lösungen für die sekundäre Behandlung von NOx
Die passende DeNOx-Technologie für unterschiedliche Anforderungen
Mit SCR-basierter NOx- und Partikelbehandlung durch TSUGA und der plasma-unterstützten Advanced Catalytic Oxidation von ALCEA stehen zwei unterschiedliche Ansätze für die sekundäre Abgasreinigung zur Verfügung. Welche Technologie geeignet ist, hängt unter anderem von Abgaszusammensetzung, Volumenstrom, Partikelbelastung, vorhandener Infrastruktur und den räumlichen Bedingungen in der Subfab ab.
