Kohlenstoffeinsparung in der Halbleiterfertigung: Warum Infrarotheizung tatsächlich funktioniert
Wenn man versucht, in einer Halbleiterfertigungsanlage Kohlenstoffneutralität zu erreichen, wird schnell klar, dass es nicht ausreicht, einfach nur „grüne Energie-Zertifikate“ zu kaufen. Man muss sich auch mit den thermischen Belastungen auseinandersetzen.
Man denke an herkömmliche Widerstandsheizungen oder große Konvektionsöfen – sie sind im Grunde genommen Energieverschwender. Sie verbringen die Hälfte ihrer Zeit damit, die Luft sowie die Wände des Ofens zu erwärmen, bevor überhaupt eine Temperaturänderung am Wafer spürbar wird. Das ist Verschwendung von Energie.
Deshalb wenden wir gezielte Infrarot-Heizsysteme an. Anstatt den ganzen Raum zu heizen, heizen wir direkt die jeweiligen Stellen des Wafers.
Die Wärme genau dorthin bringen
Infrarot basiert auf Strahlungsenergie. Anstatt darauf zu warten, dass die Luft warm wird, senden die Lampen Photonen direkt auf die Oberfläche des Wafers. Das ist sehr schnell. Dadurch verbringt der Wafer weniger Zeit im Heizevorgang. Das bedeutet weniger kWh pro Charge und somit eine deutlich geringere Belastung für die Stromrechnung. Je nachdem, womit man arbeitet, wählt man entsprechende Wellenlängen aus: Kurzwellen, wenn eine schnelle Erwärmung der Oberfläche gewünscht ist, oder Mittelwellen, wenn die Wärme tiefer in das Material eindringen soll.
Die Realitäten des Reinraums
Man kann nicht einfach eine Glühbirne austauschen und das Problem gelöst sein. In einer Fertigungsanlage ist partikelförmige Verunreinigung der Feind. Schon eine einzige Partikel kann dazu führen, dass die Produktqualität stark leidet. Um Ausgasungen während des Heizevorgangs zu vermeiden, verwenden wir spezielle Beschichtungen sowie Quarzkästen.
Das Beste daran: Solche Infrarot-Heizsysteme nehmen viel weniger Platz ein als riesige Öfen. Dadurch hat man mehr Platz im Reinraum. Solange die Stromversorgung mit der erhöhten Belastung zurechtkommt, können diese Systeme problemlos in die bestehende Ausrüstung integriert werden.
Die Nachteile – denn nichts ist perfekt
Der Haken ist: Infrarotheizung ist zwar leistungsstark, aber auch anspruchsvoll in der Anwendung. Sie erzeugt starke Temperaturgradienten. Wenn die Lampe nur wenige Millimeter verschoben ist, entstehen heiße Stellen auf dem Wafer. Um das zu verhindern, benötigt man präzise PID-Steuerungen und Sensoren, damit alles gleichmäßig erwärmt wird.
Außerdem strahlen diese Hochleistungslampen viel Wärme nach hinten ab. Wenn die Klimaanlage und die Kühlvorrichtungen nicht stark genug sind, um diese Abwärme aus dem Reinraum zu entfernen, treten Alarme auf.
Es braucht etwas mehr Aufwand, um alles richtig einzustellen – doch die Energieeinsparungen machen diese Mühen wert.