Potentiale zur Emissionsreduzierung von Stickstofftrifluorid (NF3) und Schwefelhexafluorid (SF6) in der Halbleiterindustrie

Abstract

Stickstofftrifluorid (NF3) ist eine synthetische gasförmige anorganische Verbindung aus den Elementen Fluor und Stickstoff. Das Gas wird in der Halbleiterindustrie zur Reinigung der Innenwände von Kammern eingesetzt, in denen durch den Prozess der chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition; CVD) Siliciumschichten auf ein Grundsubstrat aufgebracht werden. Im Zuge des Prozesses verbleibt Silicium auf den Kammerinnenwänden. Eine Reinheit von Prozessgasen, Substrat und Kammer ist jedoch entscheidend für die Prozesseffizienz. Daher werden unter der Verwendung von NF3 durch plasmagestützte Zersetzung Fluorradikale freigesetzt, die mit dem Silicium auf den Wänden reagieren. Das Reaktionsprodukt wird aus der Kammer abgeführt. Je nach Art der Hochfrequenzleistung zur Plasmaerzeugung beträgt der Gasumsatz von NF3 im Prozess 80 – 99 %. Ist dem Prozess kein Abluftreinigungssystem nachgeschaltet, welches NF3 zersetzen kann, so entstehen Emissionen. Das Treibhauspotential von NF3 beträgt nach dem 5. Sachstandsbericht (AR5) des Weltklimarats 16.100 im Vergleich zu CO2. Durch eine Kombination aus Brenner und Wäscher ließe sich NF3 zu 99,99 % aus der Abluft reinigen. Nach aktuellem Kenntnisstand ist eine flächendeckende Verbreitung von anwendungsspezifischer Abluftreinigung in Halbleiterfertigungsbetrieben selbst in Deutschland nicht gegeben. Emissionen ließen sich vollständig mit dem Ersatz durch eine klimaneutrale Alternative vermeiden. Aktuell gibt es zwei verfügbare Alternativen. Die Firma Linde bietet on-site Generatoren an, um elementares Fluor (F2) direkt vor Ort zur Reinigung von CVD-Anlagen zu generieren. Die Firma Solvay hat ein Gasgemisch aus F2, Argon (Ar) und Stickstoff (N2) entwickelt, bei dem im Vergleich zu reinem F2 die Reinigungseffizienz gesteigert und die bei der Handhabe von reinem Fluor anfallenden sicherheitsrelevanten Risiken minimiert werden konnten. Die Verbreitung der beiden Alternativen ist aktuell nicht groß. Es ist fraglich, ob die alleinige Motivation der Industrie zu einer flächendeckenden Umrüstung führen würde. Schwefelhexafluorid (SF6) ist eine synthetische gasförmige anorganische Verbindung aus den Elementen Fluor und Schwefel. Das Gas weist mit 23.500 (AR5) das höchste bekannte Treibhauspotential auf. In der Halbleiterindustrie wird es zum Tiefenätzen von Kanälen eingesetzt. Die zunehmende Miniaturisierung von Halbleiterbauteilen erfordert das Ätzen von Kanälen mit gewisser Ätzrate, also Ätztiefe pro Zeit, sowie gewissem Aspektverhältnis, also Kanäle, die bis zu 50-mal so tief sind, wie breit. Hierfür ist ein reaktives Gas erforderlich, das im Ätzprozess chemisch mit dem gewünschten zu ätzenden Material reagiert und gleichzeitig nicht mit den maskierten Bereichen, die als eine Art Schablone zur Abbildung des jeweiligen Chip-Designs dienen. Nach aktuellem Stand liegt noch keine Alternative für SF6 in dieser Anwendung vor. Eine flächendeckende Verbreitung von Abluftreinigungssystemen ist insbesondere hier erforderlich, da der Gasumsatz von SF6 in Ätzprozessen etwa 30 % beträgt. Die Halbleiterindustrie ist heute eine der umsatzstärksten Industrien und wird voraussichtlich bis 2030 jährlich um 6 bis 8 % wachsen. Auch in Europa wird die Industrie mit der Grundlage des EU-Chip-Gesetzes weiter ausgebaut werden, bis 2027 eröffnen sechs neue große Standorte in Deutschland. Die flächendeckende Verbreitung von anwendungsspezifischen Abluftreinigungssystemen ist hinsichtlich Emissionsreduzierung notwendig. Falls technisch umsetzbar, sollten klimarelevante Gase wie NF3 und SF6 jedoch vollständig substituiert werden. Weiterführende Forschung hinsichtlich SF6-Ersatz in Tiefenätzprozessen erfordert die Vernetzung innerhalb der Industrie, aber auch mit Forschungseinrichtungen und Universitäten. Eine staatliche Förderung stellt hierbei eine Option zur Motivationssteigerung dar, ebenso Regulierungen hinsichtlich Einsatz der beiden Substanzen.