PFAS-mentes polimer membránok az félvezetőgyártáshoz

Újszerű, PFAS-mentes csúcstechnológiás membrán képes kis méretű részecskeszennyeződéseket kiszűrni, ezáltal lehetővé téve a következő generációs félvezetők gyártását. © Fraunhofer IAP/Till Budde / Az innovatív, PFAS-mentes csúcstechnológiai membrán képes ultra-kis részecskeszennyeződéseket kiszűrni, lehetővé téve a következő generációs félvezetők gyártását. © Fraunhofer IAP, Fotó: Till Budde

A PFAS-mentes polimer membrán kémiailag stabil, rendkívül permeábilis és kb. hét nanométeres pórusátmérővel rendelkezik. © Fraunhofer IAP / A PFAS-mentes polimer membrán kémiailag stabil, rendkívül permeábilis és kb. hét nanométeres pórusátmérővel rendelkezik. © Fraunhofer IAP

A PFAS nevű, egészségre és környezetre káros vegyszerek, röviden Per- és Polyfluoralkilvegyületek, stabilitásuk, víz- és zsírtaszító képességük miatt számos iparágban széles körben alkalmazottak. Például félvezetők gyártásánál számos folyamatlépésben PFAS-tartalmú membránokat használnak. A Fraunhofer Polimerkutató Intézet (IAP) kutatói most egy fenntartható alternatívát fejlesztettek ki egy új, PFAS-mentes membránnal. A kémiailag stabil, magas permeabilitású polimer membránnak körülbelül hét nanométeres pórusátmérője van, és lehetővé teszi a legkisebb részecskék szűrését. A membrán egyedi igény szerint testreszabható, így az új eljárás könnyen integrálható a meglévő berendezésekbe.

A PFAS vegyszerek mérgezőek, tartósan szennyezik a vizet és a talajt, valamint felhalmozódnak az emberi és állati szervezetben az élelmiszerek és fogyasztói termékek révén. Az Európai Vegyi Anyag Ügynökség (ECHA) ezért 2023 februárjában közzétette a PFAS gyártásának, felhasználásának és forgalmazásának, beleértve az importot, betiltására irányuló javaslatot az Európai Gazdasági Térségben. A félvezetőipar kritikusan szemléli a PFAS betiltását, mivel ezeket a vegyszereket többek között az etetési és tisztítási folyamatokban használják, de például membránokként és házakként is alkalmazzák szűrőkben. Sok gyártó szerint ezek a tartós per- és polyfluorált vegyszerek eddig nélkülözhetetlenek, és a legtöbb félvezető termék gyártása így nem lenne lehetséges. A Potsdami Fraunhofer IAP kutatóinak sikerült egy hagyományos, speciálisan stabilizált polimerekből készült PFAS-mentes membránt kifejleszteni egy félvezető beszállítójának, amely helyettesítheti a PFAS membránokat. A membrán a poliakrilnitril (PAN) polimerből készült, és magas kémiai és mechanikai stabilitással rendelkezik. Emellett rendkívül kicsi, körülbelül hét nanométeres pórusátmérővel bír. Ez szükséges ahhoz, hogy a gyártási folyamat során keletkező részecskék szűrése megtörténjen, valamint az olyan folyadékok, mint az savak és oldószerek szűrése és újrahasznosítása is biztosított legyen. A membrán egyedi igény szerint testreszabható, így könnyen integrálható a következő generációs chipek gyártásába.

Szennyeződések elkerülése

„A chipgyártás során számos folyamat lépése van, mint például vágás, tisztítás és planárisítás, amelyek során a szerkezeteket a waferekre viszik fel. Mindezek a műveletek során részecskeszennyeződések keletkeznek, amelyeket minden folyamatnál el kell távolítani, különben károsítanák a nanométeres méretű szerkezetek gyártását,” magyarázza Dr. Murat Tutus, a Fraunhofer IAP mérnöke és a „Membránok és funkcionális fóliák” osztályvezetője. Tutus és csapata sikerrel hozott létre egy hagyományos polimerből készült, rendkívül kémiailag és mechanikailag stabil membránt, amely csak hét nanométeres pórusmérettel szűri ki a részecskéket. Összehasonlításképpen: az orvostechnikában steril szűréshez 220 nanométeres szűrőket használnak. „A polimert egy további, általunk szabadalmaztatott komponenssel kémiailag módosítottuk, és a szigorúbb folyamatfeltételekhez is stabilizáltuk,” mondja a kutató.

Ezenkívül a kutatóknak fel kellett állítaniuk egy pórusméret-eloszlást, amely csak minimálisan tér el a hét nanométertől. Emellett a membránnak magas átjárhatósággal kellett rendelkeznie. „Az átjárhatóság mértéke meghatározza a felületi pórusok számát. Minél kisebbek a pórusok, annál alacsonyabb az átjárhatóság. Ezért a második lépésben a pórusok számát növeltük, miközben a pórusméretet állandóan tartottuk,” magyarázza Tutus.

A membrán REACH-kompatibilis oldószerekkel történő gyártása

Mivel a membrán a pórusméret és az átjárhatóság szerint egyedi igény szerint alakítható, könnyen alkalmazható különböző iparágakban is. A membrán testreszabásának előnye, hogy a meglévő berendezéseket tovább lehet használni, a munkatársakat nem kell továbbképzni. Dr. Tutus és csapata különösen a gyógyszer- és vegyiparban lát nagy potenciált, ahol szintén agresszív oldószerekkel dolgoznak. A membrán gyártásához fenntartható, REACH-kompatibilis (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) oldószereket használnak, és a teljes gyártási folyamat alacsony hőmérsékleten fenntartható módon zajlik. A membránt a NIPS-eljárással készítik, azaz nem oldószer-indukált fázis elkülönítéssel, amelynek során a kutatók a membrán morfológiáját, azaz a nyomásállóságát is beállíthatják.