Polymeer membranen vrij van PFAS voor de halfgeleiderfabricage

Nieuwe, PFAS-vrije hightech-membraan kan kleinste deeltjesverontreinigingen filtreren en maakt zo de productie van halfgeleiders van de volgende generatie mogelijk. © Fraunhofer IAP/Till Budde / Het innovatieve, PFAS-vrije hightech-membraan kan ultrakleine deeltjesverontreinigingen afscheiden, waardoor de productie van halfgeleiders van de volgende generatie mogelijk wordt. © Fraunhofer IAP, Foto: Till Budde

De PFAS-vrije polymeerfilm is chemisch stabiel, zeer permeabel en heeft een poriegrootte van ongeveer zeven nanometer. © Fraunhofer IAP / De PFAS-vrije polymeerfilm is chemisch stabiel, zeer permeabel en heeft een poriegrootte van ongeveer zeven nanometer. © Fraunhofer IAP

De schadelijke chemische stoffen PFAS, kort voor Per- en Polyfluoralkylstoffen, zijn vanwege hun stabiliteit, water- en vetbestendigheid wijdverspreid in veel industrieën. In de productie van halfgeleiders worden bijvoorbeeld in diverse processtappen PFAS-houdende membranen gebruikt. Met een nieuwe, PFAS-vrije membraan hebben onderzoekers van het Fraunhofer-Instituut voor Toegepaste Polymeronderzoek IAP nu een duurzame alternatief ontwikkeld. De chemisch stabiele, hoog doorlatende polymeren membraan heeft een poriegrootte van ongeveer zeven nanometer en maakt filtratie van kleinste deeltjesverontreinigingen mogelijk. De membraan kan op maat worden aangepast, zodat de nieuwe methode eenvoudig in bestaande installaties kan worden geïntegreerd.

PFAS-chemicaliën zijn giftig, ze vervuilen permanent water en bodem en accumuleren via voedsel en consumentenproducten in mens en dier. Daarom heeft het Europees Agentschap voor Chemische Stoffen (ECHA) in februari 2023 een voorstel gepubliceerd voor een verbod op de productie, het gebruik en de marktintroductie, inclusief de invoer, van PFAS in de Europese Economische Ruimte. De halfgeleiderindustrie ziet het dreigende PFAS-verbod kritisch, omdat deze chemicaliën onder andere worden gebruikt in etsen en reinigingsprocessen, maar bijvoorbeeld ook als membranen en behuizingen in filters. Volgens veel fabrikanten zijn de duurzame per- en polyfluorierte chemicaliën tot nu toe onmisbaar, omdat de productie van de meeste halfgeleiderproducten anders niet mogelijk zou zijn. Onderzoekers van het Fraunhofer IAP in Potsdam zijn er nu in geslaagd voor een toeleverancier in de halfgeleiderindustrie een PFAS-vrij membraan te ontwikkelen uit conventionele, specifiek gestabiliseerde polymeren, dat PFAS-membranen kan vervangen. Het membraan van het polymeer polyacrylnitril (PAN) onderscheidt zich door een hoge chemische en mechanische stabiliteit. Bovendien heeft het een extreem kleine poriegrootte van ongeveer zeven nanometer. Dit is noodzakelijk om deeltjesverontreinigingen uit de productie te verwijderen en de procesvloeistoffen zoals zuren en oplosmiddelen te filtreren en te recyclen. De membraan kan op maat worden aangepast, zodat de nieuwe methode eenvoudig in bestaande systemen voor de productie van de volgende chipgeneratie kan worden geïntegreerd.

Verontreinigingen moeten worden vermeden

»Bij de productie van chips vinden talloze processtappen plaats, zoals zagen, reinigen en planariseren, om de structuren op de wafers aan te brengen. Bij al deze operaties ontstaan deeltjesverontreinigingen die bij elk proces moeten worden verwijderd, omdat anders de productie van nanometergrote structuren zou worden beschadigd«, legt Dr. Murat Tutus uit, ingenieur bij het Fraunhofer IAP en hoofd van de afdeling »Membranen en functionele folies«. Het team van Murat Tutus is erin geslaagd een chemisch en mechanisch zeer stabiel membraan te realiseren uit conventioneel polymeer dat deeltjes met een poriegrootte van slechts zeven nanometer kan zeven. Ter vergelijking: in de medische techniek worden voor steriele filtratie filters gebruikt met een grootte van 220 nanometer. »We konden het polymeer chemisch modificeren door een aanvullende, door ons gepatenteerde component, en het ook stabiliseren voor zware procesomstandigheden«, zegt de onderzoeker.

Bovendien stonden de onderzoekers voor de uitdaging om een verdeling van de poriegrootte te bereiken die slechts gering afwijkt van de zeven nanometer. Daarnaast moest het membraan hoog doorlatend zijn. »De mate van doorlaatbaarheid wordt bepaald door het aantal poriën op het oppervlak. Hoe kleiner de poriën, des te lager de doorlaatbaarheid«, legt Tutus uit. »Dus moesten we in een tweede stap, bij constante poriegrootte, het aantal poriën verhogen om zo de permeabiliteit te vergroten.«

Productie van het membraan met REACH-conforme oplosmiddelen

Aangezien het membraan kan worden aangepast op basis van poriegrootte en doorlaatbaarheid, kan het eenvoudig worden aangepast voor verschillende toepassingen in andere sectoren. Het voordeel van het aanpassen van een membraan: bestaande installaties kunnen blijven worden gebruikt, en medewerkers hoeven niet opnieuw te worden opgeleid. Dr. Tutus en zijn team zien vooral veel potentieel voor hun ontwikkelingen in de farmaceutische en chemische industrie, waar ook met agressieve oplosmiddelen wordt gewerkt. Bij de productie van het membraan worden duurzame, REACH-conforme (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) oplosmiddelen gebruikt, en het volledige productieproces is bij lage temperaturen milieuvriendelijk ingericht. Het membraan wordt geproduceerd volgens de NIPS-methode, kort voor niet-oplosmiddelgeïnduceerde fase-separatie, waarbij de onderzoekers ook de morfologie, dus de drukstabiliteit van het membraan, kunnen aanpassen.