Membrane polimeriche prive di PFAS per la produzione di semiconduttori

Membrana high-tech innovativa, priva di PFAS, può filtrare le più piccole impurità particellari e permette la produzione di semiconduttori di prossima generazione. © Fraunhofer IAP/Till Budde / La membrana high-tech innovativa, priva di PFAS, può separare contaminanti particellari ultra-piccoli, consentendo la produzione di semiconduttori di prossima generazione. © Fraunhofer IAP, Foto: Till Budde

La membrana polimerica priva di PFAS è chimicamente stabile, altamente permeabile e presenta un diametro dei pori di circa sette nanometri. © Fraunhofer IAP / La membrana polimerica priva di PFAS è chimicamente stabile, altamente permeabile e presenta un diametro dei pori di circa sette nanometri. © Fraunhofer IAP

Le sostanze chimiche dannose per la salute e l'ambiente PFAS, abbreviazione di Perfluoroalchil e Polifluoralkil, sono ampiamente diffuse in molti settori a causa della loro stabilità, resistenza all'acqua e al grasso. Nella produzione di semiconduttori, ad esempio, vengono utilizzate membrane contenenti PFAS in numerosi passaggi del processo. Con una membrana innovativa, priva di PFAS, i ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per la Ricerca Applicata sui Polimeri IAP hanno sviluppato un'alternativa sostenibile. La membrana di polimero chimicamente stabile e altamente permeabile ha un diametro di poro di circa sette nanometri e permette la filtrazione di impurità di particelle molto piccole. La membrana può essere personalizzata in base alle esigenze del cliente, rendendo semplice l'integrazione del nuovo metodo negli impianti esistenti.

I chemical PFAS sono tossici, inquinano permanentemente acqua e suolo e si accumulano nel cibo e nei prodotti di consumo, entrando in contatto con uomini e animali. L'Agenzia Europea delle Sostanze Chimiche (ECHA) ha pubblicato nel febbraio 2023 la proposta di divieto di produzione, uso e commercializzazione, inclusa l'importazione, di PFAS nello Spazio Economico Europeo. L'industria dei semiconduttori vede con preoccupazione il potenziale divieto di PFAS, poiché queste sostanze chimiche vengono utilizzate in vari processi, tra cui quelli di etching e pulizia, ma anche come membrane e involucri in filtri. Secondo molti produttori, le sostanze chimiche perfluorate e polifluorate sono finora insostituibili, e la produzione della maggior parte dei semiconduttori non sarebbe più possibile senza di esse. I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer IAP di Potsdam sono riusciti a sviluppare, per un fornitore dell'industria dei semiconduttori, una membrana priva di PFAS realizzata con polimeri convenzionali e specificamente stabilizzati, che può sostituire le membrane contenenti PFAS. La membrana, realizzata con il polimero poliacrilonitrile (PAN), si distingue per un'elevata stabilità chimica e meccanica. Inoltre, presenta un diametro di poro estremamente piccolo, di circa sette nanometri. Ciò è necessario per separare le impurità di particelle durante la produzione e filtrare e riciclare i fluidi di processo, come acidi e solventi. La membrana può essere personalizzata in base alle esigenze del cliente, facilitando l'integrazione del nuovo metodo negli impianti di produzione delle prossime generazioni di chip.

Le impurità devono essere evitate

«Durante la produzione di chip, si svolgono numerosi passaggi di processo come taglio, pulizia e planarity, per applicare le strutture sui wafer. In tutte queste operazioni si generano impurità di particelle che devono essere rimosse in ogni fase, altrimenti si rischierebbe di danneggiare le strutture nanometriche», spiega il dottor Murat Tutus, ingegnere presso l'Istituto Fraunhofer IAP e responsabile del dipartimento «Membrane e film funzionali». Il team di Murat Tutus è riuscito a realizzare una membrana altamente stabile chimicamente e meccanicamente, realizzata con un polimero convenzionale, in grado di filtrare particelle con un diametro di soli sette nanometri. Per confronto: in campo medico, vengono utilizzati filtri con dimensioni di circa 220 nanometri per la filtrazione sterile. «Abbiamo modificato chimicamente il polimero attraverso un componente brevettato da noi e lo abbiamo stabilizzato anche per condizioni di processo aggressive», afferma il ricercatore.

Inoltre, i ricercatori dovevano ottenere una distribuzione delle dimensioni dei pori che si discostasse di poco dai sette nanometri. Inoltre, la membrana doveva essere altamente permeabile. «La permeabilità dipende dal numero di pori sulla superficie. Più piccoli sono i pori, minore sarà la permeabilità. Per questo, nel secondo passaggio, abbiamo aumentato il numero di pori mantenendo costante la dimensione, per migliorare la permeabilità», spiega Tutus.

Produzione della membrana con solventi conformi a REACH

Poiché la membrana può essere personalizzata in base alle dimensioni dei pori e alla permeabilità, può essere facilmente adattata a molteplici applicazioni in altri settori. Il vantaggio di personalizzare una membrana: gli impianti esistenti possono continuare a essere utilizzati, senza dover formare nuovamente il personale. I dottori Tutus e il suo team vedono un grande potenziale nelle loro innovazioni soprattutto nel settore farmaceutico e chimico, dove si utilizzano anche solventi aggressivi. Per la produzione della membrana stessa vengono impiegati solventi sostenibili e conformi a REACH (Registrazione, Valutazione, Autorizzazione e Restrizione delle Sostanze Chimiche), e l'intero processo produttivo è progettato in modo sostenibile a basse temperature. La membrana viene prodotta mediante il metodo NIPS, abbreviazione di «non-solvent-induced phase separation», ovvero separazione di fase non indotta da solventi, e i ricercatori possono anche adattare la morfologia, cioè la stabilità alla pressione, della membrana.