Plasma – alternative Energiequelle für Abgasreinigungs-Systeme
Plasmatechnologie bietet der Halbleiterindustrie eine flexible und zukunftssichere Lösung für die Abgasbehandlung. Mit ihrer Fähigkeit, Schadstoffe mit hohem Treibhauspotenzial effizient zu zersetzen, leistet sie einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung dieser Schlüsselindustrie mit der Dekarbonisierung des Subfab-Bereichs.
Wie funktioniert das Plasma-Wet-Verfahren?
Die Zersetzung von Schadstoffen mittels Plasma geschieht sowohl durch physikalische als auch chemische Prozesse, die nur in richtiger Kombination zu einer Reinigung des Abgasstroms führen. Im Zentrum steht die Erzeugung eines hochenergetischen Plasmazustands zwischen zwei Elektroden, der in Form eines Lichtbogens sichtbar wird. Dieser Lichtbogen mit einer Temperatur von ca. 10.000 Kelvin erzeugt freie Elektronen und Ionen. Er wird in einem strömenden Trägergas aus Stickstoff erzeugt, wodurch ein Teil der Ionen und Elektronen aus dem Lichtbogen in einen Reaktor befördert wird. Vor allem aber wird die hohe Temperatur des Lichtbogens an das Trägergas übertragen. Es entsteht eine Art Plasma-Flamme, die auch mit dem bloßen Auge erkennbar ist. Die hohe Temperatur und die energiereichen Teilchen der Plasma-Flamme treffen im Reaktor auf Schadstoffmoleküle aus der Chipherstellung. Die starken Molekülverbindungen werden durch die hohe Energie der Plasma-Flamme aufgebrochen. Die im Plasma erreichten Temperaturen tragen maßgeblich zur thermischen Zersetzung bei, was besonders bei der Behandlung thermodynamisch sehr stabiler PFC-Gase von Vorteil ist, die beispielsweise bei Ätzprozessen eingesetzt werden.
Die aufgebrochenen Strukturen führen zu reaktiven Radikalen. Diese sollen nicht in ihre schädliche Ausgangsform rekombinieren, sondern zu harmlosen Molekülverbindungen abreagieren. Die Bestandteile der PFC-Gase erfordern dazu zusätzlichen Sauerstoff und Wasserstoff, die in Form von Wasser im Reaktionsraum vorhanden sind. Dadurch lassen sich z. B. die Reaktion von Kohlenstoff zu CO2 und die Reaktion von Fluor zu Flusssäure steuern. Letztere wird mit Hilfe des Wäschers aus dem Abgasstrom gewaschen und kann noch in der Anlage neutralisiert werden.
Technische Umsetzung am Beispiel der Plasma-Wäscher-Anlage STYRAX
Unsere innovative Plasma-Wäscher Anlage STYRAX nutzt ein DC-Plasma mit Stickstoff als Trägergas, wobei der Plasmabrenner eine je nach Anforderung anpassbare Leistung von 7–15 kW erreicht. Die direkte Energieübertragung vom Plasma auf das Abgas aus der Chipherstellung gewährleistet die hocheffiziente Schadstoffzersetzung, insbesondere bei der Behandlung von PFC-Gasen. Die Flexibilität der STYRAX ermöglicht eine optimale Anpassung an verschiedene Prozessgase, was seine Vielseitigkeit für die Nachbehandlung verschiedener Halbleiterprozesse unterstreicht. Je nach Einsatzzweck wird die Anlage entsprechend angepasst und kann für Ätzprozesse (z. B. PFC-Gase) und CVD-Prozesse (z. B. H2, SiH4) verwendet werden.
Ein Schlüsselmerkmal von STYRAX ist die hohe Zuverlässigkeit mit einer Anlagenverfügbarkeit (Uptime) von über 98 Prozent, was auf die robuste Konstruktion und den geringen Wartungsaufwand zurückzuführen ist. Die Stromversorgung des Plasmabrenners hat eine exzellente AC/DC-Umwandlungseffizienz von über 95 Prozent. Die eingesetzte Energiemenge für die Abgasreinigung kann dadurch deutlich verringert werden und damit die Kosten der Abgasbehandlung um mehrere tausend Euro pro Jahr gesenkt werden.
Nachhaltige Abgasreinigung durch moderne Plasmatechnologie
Der Einsatz von Plasma in Abgasreinigungssystemen ermöglicht die Zerstörung von über 99 Prozent der Schadstoffe und bietet gleichzeitig eine höhere Energieeffizienz sowie einen reduzierten ökologischen Fußabdruck im Vergleich zu Brenner-Wäscher-Systemen.
Weitere Vorteile
Ein weiterer Vorteil, den bereits die Brenner-Wäscher STYRAX-Anlagen nutzen können, liegt in der Ressourcenschonung: In Kombination mit geschlossenen Waschkreisläufen kann der Wasserverbrauch erheblich reduziert werden. Optional lässt sich durch die Dosierung von Natron- oder Kalilauge der Wasserverbrauch weiter senken, was die Nachhaltigkeit der Halbleiterfertigung zusätzlich verbessert.
Durch die datentechnische Kopplung der Prozessanlage im Reinraum und des Plasma-Wäschers kann eine intelligente Anlagensteuerung ermöglicht werden und dadurch der Energieverbrauch dynamisch an die Anforderungen angepasst werden. Außerdem kann die Anlage mit systemischen Softwarelösungen spezifisch auf ankommende Gase reagieren und den Energieeinsatz noch besser an die Anforderungen anpassen. Dies führt zu einer weiteren Steigerung der Gesamteffizienz und unterstreicht die zukunftsweisende Ausrichtung dieses Abgasreinigungssystems im Hinblick auf Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit in der Halbleiterproduktion.
STYRAX ist ein etabliertes und weltweit verkauftes, zuverlässiges System. Die besondere Herausforderung bei der Weiterentwicklung zum Plasma-Wäscher bestand darin, die Anlage, um die Plasma-Komponenten zu erweitern, ohne dabei die Aufstellfläche der Anlage zu vergrößern, weitere Serviceflächen zu schaffen oder die Performance zu beeinträchtigen. Durch eigene Anstrengungen bei der Entwicklung eines AC/DC-Netzteils konnten vorhandene Räume optimal genutzt werden. Außerdem wurden nur dort Anpassungen vorgenommen, wo es notwendig war. So wurden zwar Elektrik und Reaktorkopf verändert, aber das restliche System nutzt weiterhin die bewährte Technik der STYRAX. Dadurch ist es gelungen, die Aufstellfläche und die Servicefläche beizubehalten und gleichzeitig die Performance zu verbessern.
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