Fraunhofer-Institut für Elektronische Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFTIn der Halbleiterindustrie kommen aktuell Prozessgase zum Einsatz, die klimaschädlich sind und zum Treibhauspotenzial und damit zur globalen Erderwärmung beitragen. Das Fraunhofer EMFT nutzt Analysesysteme in Verbindung mit einem Abatement-System, um die Emissionen der in der Halbleiterfertigung verwendeten Prozessgase in seinem Forschungsreinraum zu überwachen. Anhand der gewonnenen Messergebnisse werden die Prozessparameter hinsichtlich der Emissionen optimiert.
PFAS-Reduktion in der Halbleiterfertigung
Weniger Treibhausgasemissionen aus der Halbleiterindustrie
Erfassung der Emissionen von klimaschädlichen PFAS-Gasen im Fraunhofer EMFT Reinraum
Laut einer Studie von McKinsey (2022) resultieren rund 35 Prozent der Treibhausgasemissionen in der Halbleiterfertigung aus direkten Emissionen der Produktionsanlagen, wobei 80 Prozent davon auf die verwendeten Prozessgase entfallen. In der Halbleiterindustrie kommen bevorzugt niedermolekulare fluorierte Gase aus der Gruppe der per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS), sowie Stickstofftrifluorid (NF3) und Schwefelhexafluorid (SF6) zum Einsatz. Diese Gase werden für die Abscheidung und Strukturierung von Dünnfilmschichten sowie für die Kammerreinigung nach plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidungsprozessen (PECVD) verwendet. Alle diese Gase besitzen ein hohes Treibhauspotenzial.
Reduktion der Emissionen durch Abatement-Systeme
Durch den Einsatz von Abgasreinigungssystemen, den sogenannten Abatement-Systemen, können klimaschädliche Emissionen erheblich reduziert werden. Im Rahmen des Projekts „Green ICT @ FMD“ hat das Fraunhofer EMFT in seinem Forschungsreinraum ein umfassendes Abgasreinigungssystem inklusive Analytik eingerichtet, um die Emission dieser Treibhausgase aus Plasmaätz- und Reinigungsprozessen mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Anhand der Messergebnisse werden die Prozessparameter und Einstellungen im Abatement-System angepasst, um die Emissionen zu verringern.
Im Auslass der Prozesskammer einer PECVD-Anlage, in der aus Plasma-aktivierten Reaktionsgasen dünne Filme auf Wafern abgeschieden werden, wurde ein Massenspektrometer installiert, um die Restgasmengen direkt nach dem Prozess zu messen. Ein nachgeschaltetes Brenner/Wäscher-System auf Propangasbasis senkt die Konzentration klimaschädlicher Abgase, bevor diese in die Umwelt gelangen. Zur präzisen Analyse der emittierten Restgase sind am Ausgang des Brenners zusätzlich ein zweites Massenspektrometer und ein FTIR-Spektrometer integriert.
Ein voll funktionsfähige, klimafreundliche Forschungsanlage, bestehend aus einer 2-Kammer-PECVD-Beschichtungsanlage, Vakuumpumpen mit „Green-Mode“-Funktion, einem modernen DAS-Brenner/Wäscher-System sowie zwei Massenspektrometern (MS). Eines der Massenspektrometer ermöglicht die Schadgasbestimmung direkt am Ausgang der PECVD-Kammer, während das zweite in Kombination mit einem FTIR-Messgerät den Gasgehalt am Ausgang der Brenner/Wäscher-Einheit quantifizierbar macht.
Im Massenspektrometer am Ausgang der Prozesskammer ist das NF2-Signal, dass im Massenspektrometer neben anderen durch Ionisierung entsteht, am deutlichsten ausgeprägt. Daher wird es als Indikatorfragment für die NF3-Konzentration im Gasstrom verwendet. Ein Vergleich der NF2-Messsignale während der Kammerreinigung zeigt, dass die Verwendung von NF3 zu einem signifikanten Konzentrationsanstieg dieses Klimagases am Ende des Reinigungsschrittes führt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Prozesskammer am Ende des Plasmaprozesses wieder evakuiert und dabei nicht verbrauchtes NF3 abgepumpt wird.
Reduktion der Emissionen durch klimaschonendere Prozessgase
Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung klimaschädlicher Emissionen in der Halbleiterfertigung besteht darin, Gase oder Gasmischungen mit keinem oder nur geringem Treibhauspotenzial einzusetzen. Diesen smarten weil präventiven Ansatz hat das Fraunhofer EMFT zusammen mit Industriepartnern im Rahmen eines Projekts zur Entwicklung umweltfreundlicher Reinigungsgase in der Halbleiterherstellung verfolgt. Dabei konnten die üblichen besonders klimaschädlichen Reinigungsgase PFC und NF₃ durch eine sogenannte FAN-Gasmischung aus Fluor, Argon und Stickstoff ersetzt werden, ohne die Reinigungswirkung zu beeinträchtigen.