Membranes polymères sans PFAS pour la fabrication de semi-conducteurs

Membrane innovante de haute technologie, sans PFAS, capable de filtrer les plus petites impuretés particulaires, permettant ainsi la fabrication de semi-conducteurs de prochaine génération. © Fraunhofer IAP/Till Budde / La membrane innovante de haute technologie, sans PFAS, peut éliminer les contaminants particulaires ultra-fins, permettant la production de semi-conducteurs de nouvelle génération. © Fraunhofer IAP, Photo : Till Budde

La membrane polymère sans PFAS est chimiquement stable, hautement perméable et possède un diamètre de pore d'environ sept nanomètres. © Fraunhofer IAP / La membrane polymère sans PFAS est chimiquement stable, hautement perméable et présente un diamètre de pore d'environ sept nanomètres. © Fraunhofer IAP

Les substances chimiques nocives pour la santé et l'environnement PFAS, abrégé pour substances per- et polyfluoralkylées, sont largement répandues dans de nombreux secteurs en raison de leur stabilité, de leur résistance à l'eau et à la graisse. Dans la fabrication de semi-conducteurs, par exemple, des membranes contenant des PFAS sont utilisées à plusieurs étapes du processus. Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la recherche appliquée sur les polymères IAP ont maintenant développé une alternative durable avec une membrane innovante sans PFAS. La membrane polymère, chimiquement stable et hautement perméable, a un diamètre de pore d'environ sept nanomètres et permet la filtration de plus petites impuretés particulaires. La membrane peut être adaptée aux besoins spécifiques des clients, ce qui facilite l'intégration de cette nouvelle méthode dans les installations existantes.

Les produits chimiques PFAS sont toxiques, polluent durablement l'eau et le sol, et s'accumulent dans l'organisme humain et animal via l'alimentation et les produits de consommation. L'Agence européenne des produits chimiques (ECHA) a publié en février 2023 une proposition d'interdiction de la fabrication, de l'utilisation et de la mise sur le marché, y compris l'importation, des PFAS dans l'Espace économique européen. L'industrie des semi-conducteurs voit cette interdiction imminente avec scepticisme, car ces produits chimiques sont utilisés notamment dans les processus de gravure et de nettoyage, mais aussi comme membranes et boîtiers dans les filtres. Selon de nombreux fabricants, ces substances chimiques per- et polyfluorées, durables, sont jusqu'à présent sans alternative, et leur interdiction rendrait impossible la production de la majorité des semi-conducteurs. Des chercheurs du Fraunhofer IAP à Potsdam ont réussi à développer pour un fournisseur de l'industrie des semi-conducteurs une membrane sans PFAS à partir de polymères conventionnels, spécifiquement stabilisés, qui peut remplacer les membranes contenant des PFAS. La membrane en polymère de polyacrylonitrile (PAN) se distingue par une haute stabilité chimique et mécanique. Elle possède également un diamètre de pore extrêmement petit d'environ sept nanomètres. Cela est nécessaire pour éliminer les particules contaminantes issues de la production et pour filtrer et recycler les fluides de procédé tels que les acides et les solvants. La membrane peut être adaptée aux besoins spécifiques des clients, ce qui facilite l'intégration de cette nouvelle méthode dans les installations existantes de fabrication de la prochaine génération de puces.

Les contaminants doivent être évités

»Lors de la fabrication de puces, de nombreux processus tels que la découpe, le nettoyage et la planéité sont réalisés pour déposer les structures sur les wafers. Lors de toutes ces opérations, des particules contaminantes se forment, qui doivent être séparées à chaque étape, sinon elles endommageraient la fabrication des structures de quelques nanomètres», explique le Dr Murat Tutus, ingénieur à l'Institut Fraunhofer IAP et responsable du département « Membranes et films fonctionnels ». L'équipe de Murat Tutus a réussi à réaliser une membrane chimiquement et mécaniquement très stable à partir d'un polymère conventionnel, capable de filtrer des particules d'une taille de seulement sept nanomètres. À titre de comparaison : en médecine, des filtres d'environ 220 nanomètres sont utilisés pour la filtration stérile. « Nous avons pu modifier chimiquement le polymère grâce à une autre composante brevetée par nos soins, et le stabiliser pour des conditions de processus difficiles », explique le chercheur.

De plus, les chercheurs ont dû relever le défi d'obtenir une distribution de tailles de pores qui ne dévie que légèrement des sept nanomètres. En outre, la membrane doit être hautement perméable. « La perméabilité est déterminée par le nombre de pores à la surface. Plus les pores sont petits, plus la perméabilité est faible. Nous avons donc dû augmenter le nombre de pores tout en conservant leur taille constante pour améliorer la perméabilité », explique Tutus.

Production de la membrane avec des solvants conformes au règlement REACH

Étant donné que la membrane peut être adaptée aux besoins spécifiques via la taille des pores et la perméabilité, elle peut facilement être adaptée à diverses applications dans d'autres secteurs. L'avantage de cette adaptation : les installations existantes peuvent continuer à être utilisées, et le personnel n'a pas besoin d'être formé à de nouvelles techniques. Dr Tutus et son équipe voient un grand potentiel pour leurs développements notamment dans l'industrie pharmaceutique et chimique, où l'on utilise également des solvants agressifs. Lors de la fabrication de la membrane elle-même, des solvants durables et conformes au règlement REACH (Enregistrement, évaluation, autorisation et restriction des substances chimiques) sont utilisés, et l'ensemble du processus de production est conçu de manière durable à basse température. La membrane est produite selon la méthode NIPS, acronyme de non-solvent induced phase separation, permettant aux chercheurs d'ajuster également la morphologie, c'est-à-dire la stabilité à la pression de la membrane.