PlasmaKlient war ein Forschungsprojekt, um Plasmaätzprozesse umweltfreundlicher zu gestalten anhand von Leiterplattenherstellungen.
Forschungsprojekt PlasmaKlient
PlasmaKlient war ein gefördertes Forschungsprojekt (KMU-innovativ vom BMBF, heute BMFTR) mit der Hochschule Furtwangen sowie der plasma technology GmbH. Von 2019 bis 2022 wurde an einer neuartigen Plasmatechnologie geforscht, welche die Umweltfreundlichkeit von Plasmaätzprozesse verbessern sollte, indem keine FKW-Emissionen mehr freigesetzt werden.
Problemstellung und Notwendigkeit
Die weltweiten Emissionen von perfluorierten Kohlenwasserstoffen (auch FKW, F-Gase, PFC) stellen, aufgrund ihrer extrem hohen Treibhauspotenziale und Langlebigkeit in der Atmosphäre, eine maßgebliche Komponente des Klimawandels dar. Ihr Einsatz wurde vor über 35 Jahren als Alternative zu ozonschädlichen FCKW-Verbindungen in Klima- und Kühlanlagen, Sprays, Schäumen und Dämmstoffen sowie Feuerlöschmitteln forciert.
Spätestens seit der Klimakonferenz von Kigali 2016, auf der sich 150 Staaten zu einer drastischen Verbrauchsreduzierung verständigt haben, wurden auch die klimaschädlichen perfluorierten Kohlenwasserstoffe reglementiert. Für Industrieländer wurde eine stufenweise Reduktion um insgesamt 85 Prozent bis 2036 beschlossen, während die Entwicklungs- und Schwellenländer sich auf Reduktionsziele von 80 bzw. 85 Prozent bis 2047 verpflichten. Vordergründig werden diese Zielstellungen vor allem mit dem rasant wachsenden Bedarf an Klimageräten verbunden, für die sich jedoch bereits heute natürliche Ersatzkältemittel wie Ammoniak, CO2 oder Propan anbieten. Die Vorgaben gelten jedoch gleichermaßen für industrielle Produktionsverfahren.
Trocken- bzw. Plasmaätzprozesse
Herkömmliche Trocken- bzw. Plasmaätzprozesse in der Halbleiter- und Leiterplattenherstellung, setzen fluorierte Treibhausgase in erheblichen Mengen ein, als auch frei. Die als Ätzgase verwendeten Stoffe wie:
- Tetrafluormethan (CF₄),
- Hexafluorethan (C₂F₆),
- Perfluorpropan (C₃F₈) oder
- Perfluorbutadien (C₄F₆).
Diese haben die 7.390- (CF4) bis 12.200 fache (C2F6) Treibhauswirkung von CO2.
Aus technologischer Sicht spielt das Plasmaätzen angesichts der immer komplexeren Schaltungsstrukturen und wachsenden Anforderungen an die Qualität der Kontaktierungs- und Verbindungsflächen eine entscheidende Rolle in der Leiterplatten- und Halbleiterherstellung. So wird der Prozess für das Rückätzen von Schaltungslagen in mehrschichtigen Leiterplattenaufbauten, die Oberflächenaktivierung und -strukturierung oder das Reinigen von Bohrungen zur Durchkontaktierung genutzt.
In der Halbleiterfertigung dient er z.B. der Substratstrukturierung aber auch der Reinigung von CVD-Beschichtungsanlagen. Alternative, FKW-freie Prozessgase, die sich durch adäquate Ätzraten, Prozessstabilitäten und Bearbeitungsergebnisse auszeichnen, bzw. Reinigungssysteme, die eine effektive und energieeffiziente Abscheidung der sehr stabilen Fluorverbindungen aus der Prozessabluft gewährleisten, stehen bislang nicht zur Verfügung. Daher ist die Gefahr groß, dass sich die absolut notwendigen FKW-Emissionsreduktionen für die Leiterplatten- und Halbleiterindustrie zeitnah zu einem ganz konkreten Problem entwickeln – nicht nur in Europa, sondern weltweit.
Zielsetzung von PlasmaKlient
Um die Klimafreundlichkeit von Plasmaätzprozessen deutlich zu verbessern und somit deren langfristige Einsatzfähigkeit sicherstellen zu können, wurde durch PlasmaKlient ein neuartiges Prozess- und Anlagenkonzept erforscht und am Beispiel für Leiterplattenanwendungen demonstrativ umgesetzt. Erreicht werden sollte das Forschungsziel über einen mehrstufigen, hermetisch kreislaufgeführten Plasmaprozess, in dem folgende Verfahrensschritte direkt miteinander verschaltet werden:
- Prozessstufe 1: Erzeugung von reaktivem Fluor aus einem Target.
- Prozessstufe 2: Überführung des Fluors in eine stabil ausregelte, hochabrasive Prozessatmosphäre der sogenannten Ätzstufe.
- Prozessstufe 3: Chemische Rekombination der unverbrauchten Fluorreste und Rückführung der Recyclingprodukte als Ausgangstarget.
Ergebnis
Anhand der Referenzanwendung aus der Leiterplattenherstellung, konnten wir das Plasmaätzen umweltfreundlicher gestalten. Es konnte nachgewiesen werden, dass effiziente, FKW-emissionsfreie Äztprozesse in einer Niederdruckplasma-Anlage möglich sind, ohne die Funktionsfähigkeit der Leiterplatten zu beinträchtigen.
Der Erfolg von PlasmaKlient legte den Grundstein, einen weiteren Plasmatechnologieprozess, künftig umwelt- bzw. klimafreundlich zu machen und somit einen Beitrag für Innovation sowie Nachhaltigkeit zu schaffen.