Polymerové membrány bez PFAS pro výrobu polovodičů

Nová, PFAS-volná high-tech membrána dokáže zachytit nejmenší částicové znečištění a umožňuje tak výrobu polovodičů příští generace. © Fraunhofer IAP/Till Budde / Inovativní, PFAS-volná high-tech membrána dokáže oddělit ultra-malá částicová znečištění, což umožňuje výrobu polovodičů příští generace. © Fraunhofer IAP, foto: Till Budde

Bez PFAS polymerní membrána je chemicky stabilní, vysoce propustná a má průměr pórů přibližně sedm nanometrů. © Fraunhofer IAP / Bez PFAS polymerní membrána je chemicky stabilní, vysoce propustná a má průměr pórů přibližně sedm nanometrů. © Fraunhofer IAP

Chemikálie PFAS, krátce pro Per- a Polyfluoralkylové látky, jsou kvůli své stabilitě, voděodolnosti a odpudivosti vůči tuku široce rozšířené v mnoha odvětvích. Ve výrobě polovodičů se například v řadě procesních kroků používají membrány obsahující PFAS. Výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro aplikovanou polymerovou výzkum IAP nyní vyvinuli udržitelnou alternativu s novou, PFAS-free membránou. Chemicky stabilní, vysoce permeabilní polymerová membrána má průměr pórů přibližně sedm nanometrů a umožňuje filtraci nejmenších částicových nečistot. Membrána může být přizpůsobena zákazníkovi, takže lze nový postup snadno integrovat do stávajících zařízení.

PFAS chemikálie jsou jedovaté, trvale znečišťují vodu a půdu a hromadí se v člověku i zvířatech prostřednictvím potravin a produktů blízkých spotřebiteli. Evropská agentura pro chemické látky (ECHA) proto v únoru 2023 zveřejnila návrh zákazu výroby, používání a uvádění na trh, včetně dovozu, PFAS v Evropském hospodářském prostoru. Průmysl polovodičů tento hrozící zákaz PFAS kriticky vnímá, protože tyto chemikálie se používají například v leptacích a čisticích procesech, ale také například jako membrány a pouzdra v filtrech. Podle mnoha výrobců jsou tyto trvanlivé per- a polyfluorované chemikálie dosud nenahraditelné, protože výroba většiny polovodičových produktů by pak již nebyla možná. Výzkumníci z Fraunhoferova IAP v Postupimi se nyní podařilo vyvinout pro dodavatele v odvětví polovodičů PFAS-free membránu z konvenčních, specificky stabilizovaných polymerů, která může nahradit PFAS membrány. Membrána z polymeru polyakrylonitril (PAN) se vyznačuje vysokou chemickou a mechanickou stabilitou. Navíc má extrémně malý průměr pórů přibližně sedm nanometrů. To je nezbytné pro oddělení částicových nečistot z výroby a filtraci a recyklaci provozních kapalin, jako jsou kyseliny a rozpouštědla. Membrána může být přizpůsobena zákazníkovi, takže lze nový postup snadno integrovat do stávajících zařízení na výrobu další generace čipů.

Je nutné zabránit znečištění

„Při výrobě čipů probíhá nespočet procesních kroků, jako je řezání, čištění a planparování, aby se na wafery nanesly struktury. Ve všech těchto operacích vznikají částicové nečistoty, které je třeba při každém procesu odstranit, jinak by mohly poškodit výrobu nanometrových struktur,“ vysvětluje Dr. Murat Tutus, inženýr z Fraunhoferova IAP a vedoucí oddělení „Membrány a funkční fólie“. Týmu Murata Tutuse se podařilo realizovat chemicky a mechanicky vysoce stabilní membránu z konvenčního polymeru, která dokáže odstranit částice o velikosti pouhých sedmi nanometrů. Pro srovnání: v medicíně se pro sterilní filtrace používají filtry o velikosti přibližně 220 nanometrů. „Polymer jsme mohli chemicky modifikovat pomocí další, naším patentem chráněné složky a také ho stabilizovat pro drsné procesní podmínky,“ říká vědec.

Navíc museli výzkumníci zajistit, aby rozložení velikosti pórů bylo jen mírně odlišné od sedmi nanometrů. Dále měla membrána vykazovat vysokou propustnost. „Míra propustnosti určuje počet pórů na povrchu. Čím menší jsou póry, tím nižší je propustnost. Proto jsme ve druhém kroku při konstantní velikosti pórů zvýšili počet pórů, čímž jsme zvýšili permeabilitu,“ vysvětluje Tutus.

Výroba membrány s REACH-souladnými rozpouštědly

Protože lze membránu přizpůsobit zákazníkovi podle velikosti pórů a propustnosti, může být snadno upravena pro různé aplikace v jiných odvětvích. Výhodou přizpůsobení membrány je, že lze dále využívat stávající zařízení a zaměstnanci nemusí být přeškolováni. Velký potenciál pro jejich vývoj vidí Dr. Tutus a jeho tým zejména v farmaceutickém a chemickém průmyslu, kde se také pracuje s agresivními rozpouštědly. Při výrobě samotné membrány se používají udržitelná, REACH-souladná (Registrace, Hodnocení, Schvalování a Omezení chemických látek) rozpouštědla, přičemž celý výrobní proces je navržen tak, aby byl ekologicky šetrný při nízkých teplotách. Membrána je vyráběna metodou NIPS, což je zkratka pro „non-solvent induced phase separation“, tedy ne-rozpouštědlem indukované fáze oddělení, přičemž výzkumníci mohou také upravit morfologii, tedy tlakovou stabilitu membrány.