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PFAS-freie Halbleiterzukunft: Fraunhofer ENAS, Paul Scherrer Institut PSI und memsstar Limited entwickeln nachhaltige und umweltfreundliche Alternative für »Ewigkeitschemikalien«
Kaum ein Lebensbereich kommt heute mehr ohne sie aus: Sie imprägnieren Funktionskleidung und machen sie wetterfest, sie sorgen als Antihaftbeschichtung für das schonende Garen selbst empfindlichster Lebensmittel und verleihen Kosmetik- und Pflegeprodukten lange Haltbarkeit. Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sind Segen und Fluch zugleich. Denn die auch als »Ewigkeitschemikalien« bezeichneten Verbindungen sind weit mehr als nur wasser- und schmutzabwesend. Sie gelten als persistente und toxische Stoffe mit erheblicher Gefahr für Umwelt und Gesundheit. Da sie extrem stabil und biologisch nicht abbaubar sind, können sie sich in der Natur und im menschlichen Körper anreichern und so das Risiko für Erkrankungen erhöhen. PFAS-Chemikalien werden jedoch nicht nur in Verbraucher- und Industrieprodukten eingesetzt, sondern finden auch in einer Vielzahl von Fertigungsprozessen Anwendung. Ihr Einsatzgebiet erstreckt sich von Produktionsabläufen im Automobilbau, über Fabrikationsprozesse in der Medizintechnik bis hin zu Fertigungslinien in der Luft- und Raumfahrt. Gerade in der Halbleiterindustrie sind die Fluorverbindungen wegen ihrer außergewöhnlichen Hitzebeständigkeit oder chemischen Stabilität bislang unersetzlich, etwa bei der Herstellung funktionaler Mikro- und Nanostrukturen. Gemeinsam arbeiten das Fraunhofer ENAS, das Paul Scherrer Institut PSI und memsstar Limited an einer Kehrtwende: Die drei Partner bündeln ihre Stärken, um eine PFAS-freie und umweltfreundliche Alternative für die Chipindustrie zu erforschen und industriell nutzbar zu machen.
Ziel der Zusammenarbeit ist es, einen neuartigen Ätzprozess für die mikro- und nanotechnologische Bearbeitung von Silizium zu entwickeln, der für die Herstellung von Halbleiterbauelementen entscheidend ist. Hierfür setzen die drei Partner mit dem metallunterstütztem chemischen Dampfphasen-Ätzen (dem sogenannten »Gas-phase metal-assisted chemical etching«- oder der »Gas-MacEtch«-Technologie) auf ein leistungsstarkes Ätzverfahren für Halbleiter. Mit diesem Verfahren lassen sich Mikro- und Nanostrukturen mit extrem hohen Aspektverhältnissen und besonders geraden, glatten Seitenwänden kontrolliert, reproduzierbar und mit hoher Qualität herstellen. Es verbindet unübertroffene Strukturpräzision sowie Designfreiheit mit äußerster Geschwindigkeit und ist auch ideal für die großflächige Bearbeitung und Strukturierung von Waferoberflächen geeignet.
Die »Gas-MacEtch«-Technologie basiert auf einer katalytischen Reaktion zwischen einem Metallkatalysator, der auf die Oberfläche des zu ätzenden Siliziumsubstrats aufgebracht wird, und einer gasförmigen Ätzchemie. Der Kontakt mit der Ätzchemie führt lokal zu einer beschleunigten chemischen Reaktion, bei der das Katalysatormaterial vertikal in das Siliziumsubstrat eindringt und dort gezielt zur Ausbildung fein geätzter funktionaler Strukturen mit exakten Geometrien führt.
Ökologisch und ökonomisch zukunftsfähig: Neue Ära der Chipfertigung mit ressourcenschonendem Ätzverfahren
»Das neue Verfahren verzichtet vollständig auf den Einsatz von PFAS-Verbindungen. Durch die alternative Verwendung von umweltfreundlichen und biologisch abbaubaren Chemikalien und Gasen werden schädliche Umweltbelastungen bei der Waferstrukturierung deutlich verringert und ein aktiver Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit in der Halbleiterfertigung geleistet«, erklärt Micha Haase, Leiter der Gruppe »Plasmaätzen und Prozessdiagnostik« am Fraunhofer ENAS, der das neue Verfahren gemeinsam mit Partnern vom Paul Scherrer Institut PSI und memsstar Limited entwickelt.
Ergänzt werden diese Vorteile des »Gas-MacEtch«-Prozesses durch einen weiteren umweltfreundlichen Aspekt: Der Ätzprozess ermöglicht im Vergleich zu etablierten Ätzverfahren eine Strukturierung von Siliziumwafern bei deutlich niedrigeren Temperaturen. Dadurch werden die Energiebilanz der Halbleiterherstellung verbessert, Treibhausgasemissionen reduziert und Energiekosten signifikant gesenkt.
Weltweit: Notwendiger Umstieg auf PFAS-freie Produkte und Prozesse
Die wachsende Komplexität gesetzlicher Vorgaben aus dem EU-Raum sowie durch weltweite Regulierungsgremien zur Reduzierung von PFAS als Reaktion auf globale Gesundheits- und Umweltbedenken erhöhen langfristig den Druck auf die Industrie und fordern einen Richtungswechsel. Für die Halbleiterindustrie bedeutet dies nicht nur neue Herausforderungen bei der Einhaltung geltender Umweltschutzbestimmungen und Auflagen, sondern auch eine aktive Verantwortung in der Entwicklung nachhaltiger Fertigungstechnologien und umweltfreundlicher PFAS-Alternativen.
»Unsere Forschung an einem PFAS-freien Ätzverfahren für die Chipindustrie trägt genau diesen internationalen Dynamiken und Entwicklungen Rechnung. Die Verbindung aus Umweltschutz und technologischem Fortschritt stellt einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil für Chiphersteller dar, der neuen gesetzlichen Anforderungen gerecht wird, die europäische Halbleiterindustrie als Innovationsführer in der globalen Wirtschaft positioniert und langfristig durch den Einsatz innovativer Technologien die Zukunftsfähigkeit der Branche sichert«, erläutert Micha Haase.
Die Arbeit der Forschenden habe, so der Wissenschaftler weiter, letztlich weitreichende positive Effekte für Gesellschaft und Umwelt. Der konsequente Verzicht auf toxische Substanzen in der Waferbearbeitung leistet einen aktiven Beitrag zur Minimierung von Risiken für Natur und Gesundheit. »Da PFAS im Verdacht steht, durch seinen jahrzehntelangen Einsatz ganze Ökosysteme zu schädigen, sich über die Nahrungskette auch im menschlichen Körper anzureichern und Krebs zu verursachen, unterstreicht die Abkehr von giftigen Industriechemikalien und den Ersatz durch unbedenkliche Stoffe auch unser Bewusstsein in der Wissenschaft für unsere gesellschaftliche Verantwortung«, erklärt der Forscher.
Drei Länder, ein Ziel: Starke europäische Partner entfesseln Potentiale für die nachhaltige Halbleiterfertigung
Um dem Ziel einer PFAS-freien Zukunft in der Halbleiterherstellung näher zu kommen, kooperieren das Fraunhofer ENAS, das Paul Scherrer Institut PSI und memsstar Limited eng zusammen:
Das Fraunhofer ENAS in Chemnitz entwickelt und optimiert im Rahmen der Zusammenarbeit den »Gas-MacEtch«-Prozess und stellt dessen nahtlose Integration in industrielle Fertigungsumgebungen sicher. Das Paul Scherrer Institut PSI aus Villingen in der Schweiz mit seiner ausgewiesenen Expertise im Bereich der »Gas-MacEtch«-Technologie untersucht und optimiert mit modernsten analytischen Methoden die katalytischen Reaktionspartner sowie die während des Ätzprozesses ablaufende chemische Wechselwirkung zwischen verschiedenen Materialsystemen. Als Europas führender Prozess- und Anlagenlieferant von Ätz- und Abscheidungslösungen für Halbleiter- und MEMS-Fertigungsprozesse stellt memsstar Limited aus Livingston in Großbritannien mit seiner »Orbis-3000«-Plattform ein Clustertool zum Dampfphasen-Ätzen von Siliziumoxid und dem Silizium-Tiefenätzen mittels »Gas-MacEtch«-Technologie bereit und treibt die technische Umsetzung sowie die Skalierung des Verfahrens in industrietaugliche Anlagen voran. So verbinden sich wissenschaftliche Tiefe, Prozess-Know-how und industrielle Umsetzungskraft, um den neuen Ätzprozess effizient und nachhaltig zu realisieren und in die Anwendung zu überführen.
Innovation im Einsatz: Anwendungsfelder mit Perspektive
Als Schlüsseltechnologie für die nächste Generation von Halbleiterbauelementen kann das neue Ätzverfahren perspektivisch beispielsweise für die Fertigung von 3D-NAND-Speichern eingesetzt werden, einer Neuentwicklung von Flash-Speicherchips, bei denen Speicherzellen für einen deutlichen Zugewinn an Speicherkapazität und -geschwindigkeit vertikal gestapelt werden.
Die Herstellung hochpräziser photonischer Kristalle für optische Anwendungen ist ein weiteres Beispiel für die Anwendung des »Gas-MacEtch«-Prozesses. Diese Strukturen erfordern extrem glatte Seitenwände und hohe Aspektverhältnisse, um Licht effizient zu leiten und zu manipulieren. Etablierte Verfahren stießen bei der Erzeugung solcher Strukturen bisher an ihre Grenzen. Das neue Ätzverfahren mittels »Gas-MacEtch«-Technologie überwindet diese Hürden, die durch Rauheit oder geometrische Einschränkungen gekennzeichnet waren, und ermöglicht die präzise und großflächige Herstellung von photonischen Kristallen oder anderen photonischen Bauelementen. Das eröffnet in Zukunft neue Anwendungen in der optischen Datenübertragung, Sensorik und Quantenkommunikation.
Über memsstar Limited
Das Unternehmen memsstar Limited ist ein führender Anbieter von Abscheide- und Ätzanlagen sowie von Technologieprodukten und Dienstleistungen für Hersteller von Halbleitern und mikroelektronischen mechanischen Systemen (MEMS). Die Ätz- und Abscheideanlagen des Unternehmens und seine Technologielösungen unterstützen den europäischen Halbleitermarkt sowie den globalen MEMS-Markt. Mit seinen Prozesstechnologien und Anlagen stärkt memsstar Limited die MEMS-Industrie bei der Bewältigung der Herausforderungen, die sich aus der Entwicklung und Herstellung zunehmend komplexer und integrierter MEMS-Bauteile ergeben.
Über das Paul Scherrer Institut PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI ist das größte Forschungsinstitut für Natur- und Ingenieurwissenschaften in der Schweiz und betreibt Spitzenforschung in den Bereichen Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Gesundheitsinnovationen und Grundlagen der Natur. Am Paul Scherrer Institut PSI suchen Forschende nach bisher unbekannten Wegen, Daten zu verarbeiten und zu speichern, Technologien nachhaltiger und effizienter zu gestalten oder neue Verfahren zu entwickeln, um immer tiefer in die Mikro- und Nanowelt vorzudringen. Ihre Erkenntnisse bilden die Grundlage für neue Anwendungen – sei es in der Medizin, der Informationstechnologie, der Energieerzeugung und -speicherung – oder für neue Produktionsverfahren in der Industrie.
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