Weniger ist mehr – effiziente Ressourcennutzung in der Halbleiterbranche
Die Notwendigkeit, Emissionen zu reduzieren und Ressourcen zu schonen, hat auch in der Halbleiterindustrie erheblich an Bedeutung gewonnen, denn natürliche Ressourcen wie fossile Brennstoffe und Wasser sind begrenzt. Als Spezialist für Umwelttechnologie bietet DAS Environmental Experts passgenaue Lösungen für die Halbleiterindustrie, um die Umwelt zu schonen und den Verbrauch von Ressourcen zu verringern.
Mit Blick auf den Klimawandel haben viele Länder und Regionen regulatorische Anforderungen eingeführt, um den CO2-Ausstoß und den Verbrauch von Erdgas und Strom zu reduzieren.
Deutschland hat sich 2021 verpflichtet, bis 2045 treibhausgasneutral zu sein, was den Druck auf die Industrie, einschließlich der Halbleiterproduktion, erhöht. Bereits bis 2030 sollen die Emissionen um 65 Prozent gegenüber 1990 sinken. Die Anforderungen betreffen die Bilanzierung von Treibhausgasemissionen, Reduktionsziele sowie konkrete Maßnahmen zur Emissionsvermeidung und ‑minderung. Damit einher gehen Offenlegungsverordnungen, die eine ausführliche nicht-finanzielle Berichterstattung von Informationen mit sozialem und Nachhaltigkeitsbezug von Unternehmen (ESG-Reporting) einfordern.
In Südostasien hat Singapur als erster Staat 2019 eine CO2-Steuer („Carbon Tax“) beschlossen, die stufenweise bis 2030 anhoben wird, um einen Anreiz für Unternehmen und private Verbraucher zu schaffen, ihren CO2-Fußabdruck zu verringern.
Taiwan hat 2021 das Ziel ausgegeben, bis 2050 das Ziel der Klimaneutralität bei den Nettoemissionen von CO2 zu erreichen und dafür den Climate Change Response Act erlassen. Bestandteil des Gesetzes ist die Einführung einer CO2-Abgabe, der sogenannten „Carbon Fee“ ab 2025.
China will bis 2060 klimaneutral werden und hat unter anderen Maßnahmen 2021 ein nationales Emissionshandelsgesetz etabliert. Allerdings geht das Land davon aus, bis 2030 einen Höchststand der CO2-Emissionen zu erreichen.
In den USA gibt es keine landesweite CO2 Steuer oder CO2 Abgabe. Stattdessen existieren bereits seit den 1990er Jahren verschiedene regionale und staatliche Initiativen wie regionale Emissionshandelsrechte („Cap-and-Trade“) sowie Steueranreize.
Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit in der Chipfertigung
Bezogen auf die Industriefertigung entfällt auf die Halbleiterindustrie entlang der gesamten Wertschöpfungskette vom Schaltkreisentwurf bis zu Assembly & Test ca. 0,3 Prozent der weltweiten CO2 Emissionen. Dazu kommen weitere rund ein Prozent Treibhausgas-Emissionen durch vorgelagerte Prozesse bei den Zulieferern und nachgelagerte Nutzung bei Endverbrauchern.
Die Halbleiterindustrie inklusive ihrer Zulieferer ist sich ihrer Verantwortung bewusst und treibt den Umbau ihrer Energieversorgung auf erneuerbare Träger wie (grünen) Strom voran, optimiert den Energie- und Wasserverbrauch, erhöht die Wasserrecyclingquote und reduziert die Verbrauchswerte von Gasen und Chemikalien in der Fertigung und Entsorgung. Diese Maßnahmen zielen darauf ab, eine klimaneutrale Halbleiterproduktion zu erreichen.
Halbleiterfertigung
Halbleiterchips leisten einen wichtigen Beitrag, um unseren Energie- und Ressourcenverbrauch durch intelligente Steuerung und nachhaltige Produktion zu reduzieren. Gleichzeitig ist die Herstellung von Chips sehr energie- und wasserintensiv und erfordert den Einsatz von teilweise hochgiftigen Gasen und Chemikalien, die möglichst noch am Ort ihrer Verwendung (Point-of-Use) gereinigt werden müssen. Die Emissionsreduktion bei der Halbleiterfertigung ist ein aus diesem Grund ein zentraler Aspekt des Umweltschutzes in der Mikroelektronik.
Bei der Produktion von Chips kommen chemische und physikalische Verfahren zum Einsatz wie Dotieren, Ätzen, Auftragen von Photolacken, Belichten, Reinigen oder Abscheiden von dünnen Schichten. Dabei entstehen verschiedene Arten von Emissionen und gasförmigen Schadstoffen, die ohne Behandlung problematisch für die Umwelt und die menschliche Gesundheit sind. Dazu gehören beispielsweise klimaschädliche Fluorkohlenwasserstoffe (FKW), Schwefelhexafluorid (SF6) und Tetrafluormethan (CF4) sowie Fluorwasserstoff (HF), Stickoxide (NOx) und Ammoniak (NH3). Diese Prozessgase werden während des Fertigungsprozesses kontinuierlich aus den Reinraumanlagen in die unter dem Reinraum befindliche Subfab abgeleitet und dort in speziellen Point-of-Use Abgasbehandlungsanlagen gereinigt.
Cleanroom, GlobalFoundries Fab 8, Malta (NY)
Optimierung der Prozessgasbehandlung als entscheidender Hebel für Effizienzsteigerung und Verbrauchswertreduzierung
Die Abgasbehandlung spielt eine Schlüsselrolle bei der Effizienzsteigerung und Verbrauchswertreduzierung in der Halbleiterindustrie. Derzeit werden mehrere Ansätze verfolgt, in diesem Bereich die ambitionierten Umweltziele der Industrie zu erreichen. Für alle Ansätze bietet DAS Environmental Experts Technologielösungen an:
- Einsatz von klimaneutralen Energiequellen wie Strom aus erneuerbaren Energien oder sogenanntem grünen Wasserstoff (H2). Hier befindet sich die Industrie derzeit in einem Transformationsprozess, der durch industriepolitische Maßnahmen und regulatorische Vorgaben beschleunigt wird. Als Anbieter von innovativen Umwelttechnologielösungen setzt auch DAS Environmental Experts auf klimaneutrale und hocheffiziente Energiequellen wie grünen Wasserstoff. Alle Burn-Wet-Systeme können mit H2 betrieben werden, und STYRAX- und UPTIMUM-Anlagen können mit Direct Current (DC)-Plasma-Brennern ausgestattet werden.
- Effiziente Nutzung der Energie am Beispiel Wasserstoff. Obwohl Wasserstoff (H2) im Vergleich zu Erdgas eine geringere volumetrische Energiedichte aufweist, besitzt er eine höhere gravimetrische Energiedichte, was bedeutet, dass pro Gewichtseinheit mehr Energie verfügbar ist. Diese Eigenschaft von H2 ermöglich eine effizientere Energienutzung in bestimmten Anwendungen. Beispielsweise verbrennt Wasserstoff bei höheren Temperaturen und ermöglicht dadurch eine schnellere und vollständigere Reaktion, was in Prozessen wie der Abgasbehandlung zu einer effizienteren Zerstörung schädlicher Substanzen führt. Dies kann die Effizienz des gesamten Prozesses um bis zu 25 % steigern. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht als Hauptprodukt nur Wasserdampf, im Gegensatz zu CO2 bei fossilen Brennstoffen. Dies trägt direkt zur Verringerung der Treibhausgasemissionen bei. Ein praktisches Beispiel hierfür ist das Burn-Wet-System STYRAX von DAS Environmental Experts, das diese Vorteile von Wasserstoff optimal nutzt. Zur nachhaltigen Energienutzung kann auch die Rückgewinnung von Prozesswärme einen erheblichen Beitrag leisten. Bei dem katalytischen System TSUGA sorgt die Energierückgewinnung durch Wärmeübertrager für einen geringen Gesamtenergiebedarf im Betrieb.
- Effiziente Ressourcennutzung am Beispiel Wasser. Das bei Brenner-Wäscher-Systemen (Burn-Wet Systems) und bei Wäscher-Systemen (Scrubber) eingesetzte Wasser kann in DAS-Anlagen in einem sogenannten geschlossenen Waschkreislauf (Closed-Loop Scrubbing Design) aufgefangen und wiederverwertet werden. Das mit Schadstoffen beladene Wasser durchläuft in einem speziellen Kreislauf Sedimentation, Filtration oder chemische Neutralisation und kann dann erneut in den Brenner-Wäscher bzw. Wäscher eingespeist werden. Durch diesen Kreislauf reduziert sich der Verbrauch von Frischwasser auf rund 25 Prozent gegenüber einer Anlage mit durchlaufendem Wasserstrom.
- Intelligente Prozesssteuerung durch Monitoring, Datenauswertung und flexible Anpassung an die Erfordernisse der vorgeschalteten Fertigungsschritte im Reinraum. Durch eine Datenverbindung zwischen den Prozessanlagen im Reinraum und den Abatement-Anlagen in der Subfab kann der Verbrauch von Brennstoff und anderen für den Reinigungsprozess notwendigen Stoffen optimiert und gesenkt werden. DAS Environmental Experts bietet eine Reihe von Produkten an, die mit Hilfe von kundenspezifischen Daten optimale Ergebnisse erzielen. Dabei setzt das Unternehmen sowohl auf eigene Entwicklungen als auch auf die Lösungen von Partnern.
DAS Environmental Experts unterstützt Kunden weltweit bei der Reduktion ihres CO2-Fußabdrucks
Die Halbleiterindustrie befindet sich in einem Transformationsprozess, der durch politische Maßnahmen und gesellschaftliche Anforderungen beschleunigt wird. Sie steht angesichts von Klimawandel und Ressourcenknappheit vor mehreren Herausforderungen, die sich auf die Reduzierung ihres ökologischen Fußabdrucks konzentrieren:
- Ein entscheidender Faktor ist die Umstellung auf umweltfreundliche Energiequellen wie grünen Strom und grünen Wasserstoff.
- Effiziente Abgasbehandlungssysteme mit hohem Zerstörungs- und Entfernungsgrad (DRE) sind unumgänglich, um die Auswirkungen schädlicher Emissionen zu minimieren.
- Die Rückgewinnung von Prozesswärme und die Nutzung geschlossener Wasserkreisläufe sind entscheidende Maßnahmen, um den Verbrauch von Energie, Wasser und Chemikalien deutlich zu verringern.
- Unterstützt durch intelligente Prozesssteuerung, Monitoring und Datenauswertung direkt an den Reinigungsanlagen kann der Ressourcenverbrauch weiter optimiert werden.
Fallbeispiel aus der Halbleiterfertigung: Wirkung von hohen Destruction & Removal Efficiency-Werten
Verbrauchswertreduzierung und Effizienzsteigerung spielen eine zentrale Rolle in der Halbleiterindustrie. Diese Konzepte zielen darauf ab, den Ressourcenverbrauch zu minimieren und gleichzeitig die Leistung und Produktivität zu maximieren. Während Verbrauchswertreduzierung den Einsatz von Ressourcen wie Energie und Chemikalien verringert, fokussiert sich Effizienzsteigerung auf die Verbesserung der Prozessleistung. Bei der Reinigung von Prozessabgasen tragen diese Ansätze zur Kostenreduzierung und Minimierung von Umweltauswirkungen bei. Der folgende Text erläutert die praktische Anwendung dieser Prinzipien, insbesondere hinsichtlich des Zerstörungs- und Entfernungsgrads (DRE) bei der Abgasreinigung und dessen Einfluss auf Verbrauchswerte und Effizienz in der Wafer-Fertigung.
Bei der Reinigung von Prozessabgasen ist der Zerstörungs- und Entfernungsgrad (Destruction and Removal Efficiency, DRE) ein kritischer Faktor. Eine hohe DRE bedeutet, dass ein hoher Prozentsatz der schädlichen Substanzen im Abgasstrom effektiv zerstört oder entfernt wird, ohne dass weitere Behandlungszyklen notwendig werden. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Verbrauchswerte, da eine effizientere Abgasbehandlung den Bedarf an Ressourcen wie Energie, Wasser und Chemikalien reduziert.
Am Beispiel zweier wichtiger Prozessschritte bei der Waferfertigung, der chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) und dem Ätzen (Etch), lässt sich gut nachvollziehen, wie eine hohe DRE dazu beiträgt, gefährliche Emissionen zu vermeiden, klimaschädliche Auswirkungen zu minimieren und zugleich Verbrauchswerte zu reduzieren.
Der CVD-Prozess wird zur Abscheidung dünner Schichten von Materialien auf einem Substrat (in der Regel Silizium) eingesetzt. Diese Schichten sind entscheidend für die Herstellung von Halbleiterbauelementen wie Transistoren, Solarzellen und integrierten Schaltungen.
Beim Ätzen werden bestimmte Teile des auf den Wafer aufgebrachten Materials selektiv entfernt, um Strukturen zu erzeugen oder zu modifizieren. Dies kann durch chemische, physikalische oder plasmagestützte Prozesse erfolgen, bei denen z.B. perfluorierte Kohlenwasserstoffe (Perfluorcarbone, PFCs) eingesetzt werden.
Bei beiden Prozessen findet u.a. Tetrafluormethan (CF4) Verwendung. Diese chemische Verbindung hat ein Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP) von 6500. Das bedeutet, dass CF4 6500-mal stärker zur Erderwärmung beiträgt als die gleiche Menge CO₂. Aus diesem Grund wird intensiv daran gearbeitet, den Einsatz von CF4 zu reduzieren oder das Gas durch weniger schädliche Alternativen zu ersetzen. Um CF4 effizient zu entfernen, wird es bei höheren Temperaturen chemisch aufgespalten. Derzeit können Effizienzen von etwa 95% DRE erreicht werden. Durch verbesserte Prozesse, optimierte Anlagenausstattung sowie den Einsatz höherer Temperaturen und Energiedichten wird eine vollständige Entfernung von CF4 angestrebt. Dies gelingt durch Verbrennung bei hohen Temperaturen oder durch optimierte Brennkammern, die eine maximale Energiedichte erzeugen. In thermischen Abgasreinigungssystemen, wie beispielsweise Brenner-Wäscher-Systemen, führt eine hohe DRE zu einer besseren Schadstoffentsorgung, was den Energiebedarf für zentrale Nachbehandlungsanlagen verringert.
Mit STYRAX bietet DAS Environmental Experts eine Anlagenfamilie, die je nach Prozess und Schadgaskomponente einen DRE-Wert von 95 % – 99,9 % erreichen kann. Dieser hohe Wert leistet einen wichtigen Beitrag zur Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung in der Abgasbehandlung der Halbleiterfertigung, wodurch die Umweltauswirkungen reduziert und die Nachhaltigkeit unserer Kunden gesteigert wird, insbesondere im Hinblick auf CO2-Emissionen.
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Dr. Christian Kuhne
Director Sales Global