Reduzierung der Energiekosten – und des CO2-Ausstoßes – bei der Herstellung von Wafern
Seien wir ehrlich: Halbleiterfabriken sind echte Energieverbraucher. Wenn man seinen CO2-Fußabdruck verringern will, muss man darauf achten, wie die Wafer erhitzt werden.
Lange Zeit haben wir auf Widerstandsheizungen gesetzt. Das Problem dabei ist, dass diese Heizungen versuchen, den ganzen Raum zu erhitzen, nur um die Wafer in Gang zu bringen. Das ist verschwenderisch. Deshalb wenden wir nun Infrarot-Heizlampen an. Anstelle des Erhitzens des gesamten Raumes lenken die Infrarotlampen die Energie direkt auf die Oberfläche der Wafer. Dadurch wird die Heizung schneller und effizienter – außerdem wird keine Energie verschwendet, wo sie nicht benötigt wird.
Der Trick, damit es funktioniert
Man kann ein Infrarotsystem einfach nicht einfach einschalten und dann weggehen. Es braucht eine effektive Rückkopplungsschleife – sonst geht alles schief.
Wir verwenden normalerweise diese Lampen zusammen mit kontaktlosen Pyrometer-Sensoren. Diese Sensoren überwachen kontinuierlich die Emissivität der Wafer in Echtzeit. Wenn der Sensor auch nur für eine Sekunde ausfällt, besteht das Risiko einer Überhitzung oder einer ungleichmäßigen Erwärmung der Wafer. Es handelt sich dabei um ein Gleichgewicht zwischen Effizienz und Schutz der Bauteile. Wir bauen diese Systeme so, dass sie schnelle Temperaturwechsel bewältigen können – doch das Ziel ist es, dabei die Glühfäden nicht zu überlasten.
Die Kompromisse, die man kennen sollte
Jeder möchte eine „grüne Fabrik“ haben – doch das bedeutet oft, dass man nach einer höheren Leistungsdichte sucht, um die Prozesszeiten zu verkürzen.
Ich bevorzuge hier Kurzwellen-Infrarotlampen. Sie dringen besser in die Wafer ein als Langwellenlampen. Dadurch kann die Gesamttemperatur im Raum niedriger gehalten werden, während die Wafer genau dort bleiben, wo sie sein sollen.
Aber es gibt einen Haken: Wenn man die Heizleistung erhöht, werden die Stromversorgungsanlagen und Kühlsysteme belastet. Wenn man versucht, maximale Produktionsraten zu erreichen, muss das Kühlsystem ausreichend stark sein, um die durch die Lampe entstehende Wärme zu bewältigen. Andernfalls tauscht man nur ein Problem gegen ein anderes aus.
Warum das wichtig ist
Letztendlich reduziert der Einsatz von Infrarotheizungen den „Ruheenergieverbrauch“. Anstatt die gesamte Struktur der Anlage zu erhitzen, wird die Energie genau dorthin geleitet, wo sie benötigt wird. Dadurch sinken die Gesamtkilowattstunden pro Wafer deutlich. Wenn man dazu noch einen kalibrierten Infrarot-Sensor sowie einen präzisen PID-Controller verwendet, wird keine Energie mehr verschwendet.Damit hat man eine viel effizientere Heizlösung.