Neueste Entwicklungen in der Abgasreinigung für Halbleiter, Solar und LED

Die Abgasreinigung ist eine wenig beachtete, jedoch wesentliche Komponente im Fertigungsprozess vieler Hightech-Industrien. In der Vergangenheit gab es einige sehr ernste Unfälle in Fabriken, in denen keine derartigen Systeme installiert worden waren. Auch heute noch wird die sichere Entsorgung von Schadgasen eher als Kostentreiber und weniger als Sicherheitsthema betrachtet.

  • Point-of-Use Abgasreinigung für Halbleiterproduzenten mit Anlagen von DAS
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  • Point-of-Use Abgasreinigung mit Anlagen von DAS für Halbleiterindustrie
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  • Point-of-Use Abgasreinigung Anlagen von DAS für Photovoltaikindustrie
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Gründe für Abgasreinigung in der Industrie

Dennoch gibt es drei wesentliche Gründe, Abgasreinigungsanlagen in der Industrie einzusetzen:

  1. An erster Stelle stehen hier natürlich die Aspekte Gesundheit und Sicherheit. Viele der eingesetzten Prozessgase sind entflammbar oder explosiv. Dazu gehören u.a. H2 oder SiH4. Andere Gase hingegen, wie bspw. COF2, HBr und F2 sind giftig und müssen behandelt werden bevor sie in den Kontakt mit Mensch und Natur kommen.
  2. Ein weiterer Grund für die Behandlung der Schadgase ist, dass viele von ihnen umweltschädlich sind. Dazu gehört zum Beispiel auch CF4, welches eine Lebensdauer in der Atmosphäre von ca. 50.000 Jahren hat. Sein relatives Treibhauspotential ist 6.500-mal so hoch wie das von CO2.
  3. Das dritte Argument für den Einsatz von Abgasentsorgungslösungen sind die Partikel oder Feinstäube, die viele Schadgase mitführen. Diese Stäube entstehen bspw. bei Silan basierten Depositionsprozessen. Das reaktive Silan produziert den sehr feinen Staub Siliziumdioxid. Dieser Staub kann das Abluftsystem der Fabrik zum Erliegen bringen, wodurch ungewollte Ausfallzeiten in der Fertigung entstehen. Der Staub ist schwer zu behandeln, da die Partikel häufig eine Größe von weniger als 1µm haben und leicht durch Waschstufe oder Abscheider dringen, ohne in der Waschflüssigkeit gefangen zu werden.

Die Installation von Abgasreinigungs-Systemen in der Industrie ist daher extrem wichtig. In den meisten Fällen stehen diese Anlagen in der sogenannten „sub fab“ und folgen direkt auf die Vakuumpumpen. Dabei gilt: Je näher die Abgasreinigungsanlagen an den Pumpen stehen, desto besser sind in der Regel die Ergebnisse. Der gleiche Grundsatz greift für die Nähe der Vakuumpumpen zum Prozesstool. Dieses Konzept wird als “Point of Use (PoU)” – Entsorgung am Ort der Entstehung – bezeichnet und ist typisch in der Hightech-Industrie. Die physische Nähe zu den Vakuumpumpen hat mehrere Vorteile: eine kürzere Gasleitung zwischen den beiden Anlagen, weniger Risiko von Leckage und ein deutliches Kosteneinsparungspotential, da einige Prozesse beheizte Leitungen zur Vermeidung von Kondensation in den Schadgasleitungen benötigen.

Das Basis-Konzept einzelner Abgasreinigungs-Systemen ähnelt sich jeweils stark, wobei verschiedene Technologien verfügbar sind. Die meisten Anlagen nutzen zwei Stufen zur Behandlung des Schadgasstromes. Abhängig vom Prozessgas kann schon eine Stufe ausreichen: eine trockene Verbrennung oder eine reine Waschstufe. In zweistufigen Systemen werden die Schadgase thermisch in ihre einzelnen Elemente aufgebrochen, oxidiert und anschließend gewaschen um jegliche sauren Komponenten zu entfernen.  Die erste Abbaustufe kann durch verschiedene Technologien wie bspw. Verbrennung, Erhitzen oder Plasma charakterisiert sein. Die beiden letzteren nutzen Elektrizität als Energiequelle während Verbrennungstechnologien Erdgas, LPG oder H2 einsetzen. Die Funktion der Waschstufe besteht darin, die verbleibenden Schadgase in die Waschflüssigkeit zu überführen. Häufig wird dabei Lauge eingesetzt, um die Waschflüssigkeit zu neutralisieren, was zu niedrigerem Verbrauch von Wasser und Verschleißteilen führt.

Funktionsprinzip der Abgasreinigung mit STYRAX von DAS
Abgasreinigung am Point of Use mit STYRAX von DAS

Optimierte Abgasreinigung mit STYRAX

DAS Environmental Expert hat im Bereich Abgasreinigung zuletzt einige neue Anlagen auf den Markt gebracht. Dabei wurde das bisherige Portfolio um neue Technologien erweitert, die es ermöglicht haben, die allgemeine Anlagenperformance zu verbessern. STYRAX bspw., dargestellt in Abbildung 1, ist eines der flexibelsten Brenner-Wäscher-Systeme zur Abgasreinigung, die auf dem Markt verfügbar sind. Dieser Anlagentyp ist in der Lage sowohl CVD-Prozesse mit hoher Partikelbelastung als auch Etch-Prozesse mit den dazugehörigen PFC-Gasen zu behandeln.  Im Vergleich zu Vorgänger-Generationen gibt es viele Vorteile. An dieser Stelle möchten wir drei davon konkreter betrachten.

Verbesserte PFC-Behandlung: Die Behandlung perfluorierter Verbindungen (PFCs) vor der Abgabe in die Atmosphäre ist natürlich eine wesentliche Funktion jedes Abgasreinigungs-Systems. Das Hauptproblem bei vielen PFCs ist die extrem hohe Stabilität der Moleküle. Die Stärke der Kohlenstoff-Fluor-Bindung ist die stärkste Einfachbindung, die es in der organischen Chemie gibt. Diese Bindung wird außerdem stärker, je mehr Fluor-Atome dem Kohlenstoff-Atom zugegeben werden. CF4 ist ein Beispiel für ein häufig genutztes PFC-Gas, eingesetzt in Etch-Prozessen in der Halbleiter-Industrie. Es ist extrem stabil und bedarf großer Energiemengen, um die Moleküle in ihre einzelnen Elemente aufzubrechen. Das zweite Problem zeigt sich beim Umgang mit den Nebenprodukten bevor diese sich neu kombinieren. Daher ist das Design der Quench-Stufe wesentlich für die Effizienz eines Abgasreinigungs-Systems. Um die CF4-Moleküle aufzubrechen, werden Temperaturen von ca. 1400°C benötigt. Ermöglicht wird dies durch einen speziell konstruierten Reaktor, der die Schadgase auf effiziente Weise der benötigten Verbrennungshitze aussetzt. Wirbelnde Gasströme sichern dabei eine gründliche Durchmischung in der Kammer. Brenngas und Sauerstoff versorgen den Prozess mit der benötigten Energie und dem Oxidationsmittel, damit das CF4 umgewandelt werden kann: CF4 + CH4  +  O2  =>  CO2 + HF + H2O

Ergebnisse beim Einsatz eines optimiertenReaktor-Innenrohrs
Abgasreinigung mit STYRAX optimiert durch Reaktor-Innenrohr

Im Wäscher wird HF aus dem Gas gewaschen und entweder in der Anlage selbst oder später in der externen Abwasserbehandlung neutralisiert. Die einzelnen Anwendungen für Abgasreinigungs-Anlagen werden durch den Einsatz eines Reaktor-Innenrohrs optimiert, welches in die Reaktionskammer eingepasst wird. Länge und Durchmesser können den verschiedenen Applikationen angepasst werden. Welche Ergebnisse der Einsatz eines optimierten Reaktor-Innenrohrs bringen kann, zeigt Abbildung 2. Hier dargestellt wird die benötigte Menge Brenngas um 0.1 slm CF4 in verschiedenen Strömen N2 zu behandeln und ein DRE von >99% zu erreichen. Wir sind überzeugt, dass das eine sehr gute Performance für eine Abgasreinigungs-Anlage ist.

Reduzierte NOx-Emissionen: In der Reinigungsstufe von CVD-Prozessen wird häufig NF3 eingesetzt. Der Reaktionsprozess kann grob mit folgender Formel beschrieben werden: CH4 + O2 + NF3  => CO2 + H2O + N2 + HF

Zweite Brennerstufe ergibt weniger NOx
Zweite Brennerstufe ergibt reduziertes NOx

In der Verbrennungszone wird die Sauerstoffmenge stöchiometrisch reguliert um abzusichern, dass  nach der Verbrennungsstufe kein Sauerstoff mehr vorhanden ist. Für die Überwachung des Brenngases und des Sauerstoffs werden Massendurchflussmesser (MFCs) eingesetzt. In der Brennerzone selbst werden die Schadgase aufgespalten; sie oxidieren jedoch erst in einer zweiten, kühleren Zone, in der zusätzlicher Sauerstoff durch ein multiples Rohrsystem hinzugefügt wird. Dieser etablierte Prozess wird in verschiedenen Applikationen genutzt und hat den Vorteil, dass er NOx reduziert (siehe Abbildung 3).

Reduzierte Wartungsintervalle: Partikelablagerungen innerhalb der Anlage, wie bspw. SiO2 in Silan basierten Abscheidungsprozessen, sind ein gängiges Problem bei allen Abgasreinigungs-Systemen und erfordern regelmäßigen Service. Kunden erwarten dabei im Sinne von Kosteneinsparung lange Intervalle zwischen den Reinigungen.

Das bewährte ESCAPE-System bedarf einer regelmäßigen Reinigung, da auf Grund der Brennerrichtung (von unten nach oben) Ablagerungen auf das Brennermodul gelangen. Ein erfahrener Servicetechniker benötigt zwar nur ca. 10 Minuten für eine solche Reinigung, trotzdem sind längere Wartungsintervalle natürlich kostensparend. Daher wurde das Wartungskonzept für STYRAX grundlegend überprüft. Das Brennen von oben nach unten ermöglicht den Partikeln vom Brenner weg zufallen; das überarbeitete Einlassdesign verhindert Partikelablagerungen an den Einlässen und der Wirbel im Wäschertank sorgt dafür, dass sich Schwebstoffteilchen im Tank nicht absetzen geschweige denn diesen verstopfen. Auch wenn es bisher für STYRAX nur wenige Einsatzerfahrungen gibt, wissen wir aus ähnlichen Konzepten in der Photovoltaikindustrie, dass auf diesem Weg Wartungszyklen von bis zu 6 Monaten erreicht werden können. 

Prinzipbild Abgasreinigung mit EDC von DAS
Prinzipbild Abgasreinigung mit EDC von DAS

EDC adressiert Partikelbildung bei der Abgasreinigung

Ein weiteres Problem bei der Abgasbehandlung ist die Partikelbildung. Partikel entstehen in vielen Prozessen v.a. auf Basis von Silan und Wolfram. Problematisch ist die Größe der Partikel von unter 1µm. Typischerweise durchlaufen derartige Partikel die Wäscherstufe ohne gefangen zu werden und verstopfen so das fabrikeigene Abluftsystem. In der Solarindustrie bspw. werden zur Lösung des Problems Staubfilter eingesetzt, doch auch diese setzen sich mit der Zeit zu und müssen unter Einsatz von  Druckluft gereinigt werden. Dabei werden die Partikel in die nähere Umwelt entlassen, stellen aber hier ein Gesundheitsrisiko dar.

DAS löst dieses Problem nachhaltig durch den Einsatz des elektrostatischen Filters EDC (siehe Abbildung 4). Den Kern der Technologie bildet eine Säule in der eine Hochspannungs-Elektrode ein elektrisches Feld erzeugt. An den Säulenwänden läuft ein Wasserfilm nach unten, der als Erdelektrode fungiert und die Partikel einfängt. Die Hochspannungs-Elektrode erzeugt Ionen, die an Staubpartikeln hängen bleiben. Die aufgeladenen Partikel ziehen wiederum andere Staubpartikel an und werden vom Wasserfilm aufgenommen. Das System funktioniert selbstreinigend nach einem definierten Intervall und sorgt somit für stets saubere Elektroden.

Die Effizienz der Anlage liegt im Schnitt bei 99.9%. Die Staubpartikel werden dann in der Abwasserbehandlungsanlage meist durch Sedimentation und den Einsatz von Filterpressen entsorgt. Im Gesamtergebnis bleibt das hauseigene Abluftsystem frei von Staub und der notwendige Wartungsrhythmus kann deutlich verlängert werden.

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