Clean Technologies

Das Fraunhofer IPMS setzt sich gezielt für die Reduzierung der Umweltbelastung durch technische Gase und Kältemittel im Reinraum ein. Durch die detaillierte Analyse bestehender Verbrauchsmuster wird Transparenz geschaffen und Optimierungspotenzial identifiziert. Dank ISO-Zertifizierungen und eines modernen Gebäudemanagementsystems kann der Treibhausgasausstoß am Fraunhofer IPMS bereits heute jährlich präzise erfasst werden.

Zur exakten Verbrauchserfassung und kontinuierlichen Emissionsüberwachung werden innovative Messtechnologien entwickelt. Eine Echtzeitmessung unverarbeiteter Treibhausgase ermöglicht die realistische Bewertung ihrer Klimawirkung. Die erhobenen Daten fließen direkt in die Fraunhofer-weite Treibhausgasbilanz (GHG-Bilanz) ein.

Reduzierung der Treibhausgasemissionen aus technischen Gasen in der Halbleiterfertigung

Erste Projektergebnisse zeigen, dass fluorierte Spezialgase trotz geringer Einsatzmengen aufgrund ihres hohen Global Warming Potentials (GWP) überproportional zur Emissionsbilanz beitragen. Ein zentrales Ziel des Projekts ist es daher, den tatsächlichen Ausstoß in die Atmosphäre zu bestimmen, im Vergleich zu den Mengen, die im Prozess verbraucht oder durch Abgasreinigungssysteme wie Scrubber und Brenner neutralisiert werden.

Durch die Entwicklung eines belastbaren Datenerfassungskonzepts und dessen Integration in die Fraunhofer-Gesamtbilanz leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zu nachhaltiger Mikroelektronik und umweltschonendem Reinraumbetrieb.

MEMS-Komponenten wie kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUTs) finden zunehmend Anwendung in der Medizintechnik, Industrieautomatisierung und zerstörungsfreien Prüfung. Beim Betrieb unter Umgebungsbedingungen sind sie jedoch anfällig für Oxidation und Feuchtigkeitsaufnahme.

Bisher wurden wasserabweisende Beschichtungen wie PTFE (Teflon) eingesetzt, was ein Material aus der umweltschädlichen PFAS-Gruppe ist. Aufgrund zunehmender Umweltauflagen erforscht das Fraunhofer IPMS nachhaltige Alternativen wie FDTS (Fluordecyltrichlorsilan), die vergleichbaren Schutz bieten.

Forschungsthemen am Fraunhofer IPMS zur PFAS-Reduktionsforschung:

• Entwicklung PFAS-freier Beschichtungsprozesse
• Bewertung von Anlagen und Prozessen zur Vermeidung von PFAS-Leckagen
• Einsatz alternativer, umweltfreundlicher Materialien ohne Qualitätsverlust
• Leistungsüberprüfung durch hydrophile Analytik
• Langzeitbewertung alternativer Materialklassen

Anwendungsbeispiel: PFAS-Ersatz bei Ultraschallsensoren

In einem Projekt wurde eine 100 nm dicke PTFE-Schicht bei Ultraschallsensoren durch eine wenige Nanometer dünne FDTS-Beschichtung per ALD-Verfahren ersetzt. Das führte zu einer Erhöhung der Resonanzfrequenz bei gleichbleibender Performance. Die Ergebnisse ermöglichen gezielte Designanpassungen und tragen zur PFAS-Reduktion in der MEMS-Fertigung bei.

Chemical Mechanical Polishing (CMP) ist ein zentraler Prozess in der Halbleiterfertigung, aber auch einer der größten CO₂-Verursacher in der Chipproduktion. Besonders kritisch ist der Einsatz von Ceroxid (Ceria) in Polierslurries, das nicht nur eine schlechte Umweltbilanz aufweist, sondern auch als potenziell krebserregend gilt und in seiner Verfügbarkeit eingeschränkt ist. Daher müssen Lösungen gefunden werden, um dieses Material zu ersetzen.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt nachhaltige CMP-Lösungen

Das Fraunhofer IPMS arbeitet intensiv an der Substitution von Ceroxid durch umweltfreundlichere Alternativen wie Siliciumdioxid (Silica). In aktuellen Forschungsprojekten konnte ein Ceria-freier Slurry auf 300-mm-Wafern erfolgreich getestet werden – ein wichtiger Schritt in Richtung nachhaltiger Mikroelektronik.

Durch gezielte Prozessoptimierung und den Einsatz alternativer Materialien kann CMP ohne seltene Erden wie Ceria durchgeführt werden, und zwar ohne Einbußen bei Qualität oder Effizienz. Das reduziert nicht nur den ökologischen Fußabdruck, sondern ermöglicht auch eine breitere Diversifikation von Chipdesigns im Rahmen moderner Technologien.

Bisher setzt die Halbleiterfertigung vor allem erdölbasierte Lösungsmittel ein, die gesundheitsschädlich sind und die Umwelt belasten. Die Forschung am Fraunhofer IPMS zielt darauf ab, diese Lösungsmittel durch umweltfreundliche, wasserbasierte Reinigungstechnologien zu ersetzen.

Saubere und effiziente Prozesse im Reinraum

In einem Projekt mit der intelligent fluids GmbH werden neue, wasserbasierte Reinigungsflüssigkeiten eingesetzt. Diese entfernen Fotolackreste zuverlässig von 300-mm-Wafern und sind speziell für den Reinraumeinsatz optimiert. Gleichzeitig erfüllen sie höchste Anforderungen an Prozessstabilität und Automatisierbarkeit, was eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in der industriellen Halbleiterfertigung ist.

Durch den Einsatz von wasserbasierten Formulierungen mit hohem Wasseranteil und erneuerbaren Rohstoffen reduziert sich der CO₂-Ausstoß erheblich. Gleichzeitig sinken der Energieverbrauch und der Bedarf an aggressiven Chemikalien und aufwendiger Abwasserbehandlung.

N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) ist ein wichtiger Lösungsmittelbestandteil in der Reinraumfertigung von Halbleitern, insbesondere für präzise Prozesse wie Lift-off und Fotolackentfernung. Diese Verfahren sind entscheidend für die Qualität und Leistungsfähigkeit von Halbleiterbauelementen.

Aufgrund seiner reproduktionstoxischen Wirkung und reizenden Effekte auf Augen, Haut und Atemwege wurde NMP 2018 in Anhang XVII der EU-REACH-Verordnung aufgenommen. Seit Mai 2020 ist die Verwendung von NMP in Verbraucherprodukten ab einem Gehalt von 0,3 % in der EU verboten, was die Halbleiterindustrie zum Umstieg auf sicherere Alternativen zwingt.

Fraunhofer IPMS - Forschung für eine nachhaltige Halbleiterproduktion

Das Fraunhofer IPMS forscht intensiv an der Entwicklung und Prüfung sicherer NMP-Ersatzstoffe, die den hohen Anforderungen der Halbleiterfertigung gerecht werden. Die idealen Alternativen müssen positive und negative Fotolacke rückstandsfrei entfernen, ohne empfindliche Schichten wie Silizium, Siliziumdioxid, Aluminium oder Tantalverbindungen anzugreifen. Zudem sollen sie für den Reinraumeinsatz, manuelle Nassprozesse sowie Ultraschallreinigung geeignet sein und eine gute Sicherheitsbewertung mit hohem Flammpunkt und Siedepunkt aufweisen.

Drei vielversprechende Kandidaten wurden identifiziert:

• Eine wässrige Mischung aus Ethern und Alkoholen
• Ein auf Dimethyladipat basierendes Lösungsmittel
• Eine Kombination aus Dimethylsulfoxid und Diglykolamin

Im Fraunhofer IPMS werden diese Alternativen aktuell umfassend getestet und hinsichtlich Prozessstabilität und Reinigungseffizienz untersucht. Ziel ist es, die technologischen Abläufe anzupassen und einen vollständigen Umstieg auf umwelt- und gesundheitsverträgliche Reinigungsverfahren in der Halbleiterfertigung zu ermöglichen.