PFAS-freie Polymermembranen für die Halbleiterverarbeitung

PFAS-freie Polymermembranen für die Halbleiterverarbeitung – Aufgrund ihrer Stabilität und Beständigkeit gegenüber Wasser und Fett werden PFAS-Chemikalien in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt, sind jedoch gesundheits- und umweltschädlich. In vielen Halbleiterherstellungsprozessen werden beispielsweise PFAS-haltige Membranen eingesetzt. Forscher des Fraunhofer IAP haben nun eine nachhaltige Alternative in Form einer innovativen, PFAS-freien Membran entwickelt. Die chemisch stabile, hochpermeable Polymermembran hat einen Porendurchmesser von etwa sieben Nanometern und ermöglicht die Filtration kleinster partikulärer Verunreinigungen. Die Membran kann an spezifische Anforderungen angepasst werden, sodass sich das neue Verfahren problemlos in bestehende Systeme integrieren lässt.

PFAS-Chemikalien sind giftig. Sie verunreinigen Wasser und Böden und reichern sich über Lebensmittel und Konsumgüter bei Menschen und Tieren an. Die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) veröffentlichte daher im Februar 2023 einen Vorschlag, der die Produktion, Verwendung und den Vertrieb (einschließlich Import) von PFAS im Europäischen Wirtschaftsraum verbieten würde. Die Halbleiterindustrie betrachtet das drohende PFAS-Verbot als kritisches Thema, da die Chemikalien als Membranen und Gehäuse in Filtern sowie in Prozessen wie Ätzen und Reinigen verwendet werden. Zahlreichen Herstellern zufolge gibt es keine sinnvolle Alternative zu nachhaltigen Per- und Polyfluoralkyl-Chemikalien. Ein Verbot würde die Produktion der meisten Halbleiterprodukte unmöglich machen.

PFAS-freie Membran

Nun ist es Forschern des Fraunhofer IAP in Potsdam gelungen, für einen Zulieferer der Halbleiterindustrie eine PFAS-freie Membran zu entwickeln. Diese Membran basiert auf herkömmlichen, speziell stabilisierten Polymeren. Es könnte PFAS-Membranen ersetzen. Die Polymer-Polyacrylnitril-Membran (PAN) bietet ein hohes Maß an chemischer und mechanischer Stabilität. Zudem verfügt es über einen extrem kleinen Porendurchmesser von etwa sieben Nanometern. Dies ist notwendig, um partikuläre Verunreinigungen aus der Produktion abzutrennen und die für den Prozess benötigten Flüssigkeiten – etwa Säuren und Lösungsmittel – zu filtern und zu recyceln. Die Membran kann an spezifische Bedürfnisse angepasst werden. Dadurch kann diese neue Anwendung problemlos in bestehende Systeme integriert werden, um die nächste Generation von Chips herzustellen.

Vermeidung von Verunreinigungen und Verunreinigungen

„Die Herstellung von Chips umfasst zahlreiche Prozessschritte wie Schneiden, Reinigen und Glätten, um die Strukturen auf den Wafer aufzubringen. Bei all diesen Vorgängen entstehen partikuläre Schadstoffe, die bei jedem Prozess abgetrennt werden müssen, sonst würden sie die Entstehung nanometergroßer Strukturen beeinträchtigen“, sagt Dr. Murat Tutus, Ingenieur am Fraunhofer IAP und Leiter der Abteilung „Membranen und Funktionsfolien“. Murat Tutus und seinem Team ist es gelungen, eine chemisch und mechanisch sehr stabile Membran aus konventionellem Polymer herzustellen. Diese Membran kann Partikel mit einer Porengröße von nur sieben Nanometern filtern. Zum Vergleich: In der Medizintechnik werden zur Sterilfiltration Filter mit einer Porengröße von 220 Nanometern eingesetzt. „Mit einer weiteren von uns entwickelten Komponente konnten wir das Polymer chemisch modifizieren und auch unter rauen Bedingungen stabilisieren“, sagt der Forscher.

Grad der Durchlässigkeit des Membranfensters

Die Aufgabe der Forscher bestand außerdem darin, eine Porengrößenverteilung zu erreichen, die nur unwesentlich von sieben Nanometern abweicht. Darüber hinaus muss die Membran sehr durchlässig sein. „Der Grad der Durchlässigkeit wird durch die Anzahl der Poren auf der Oberfläche bestimmt.“ Je kleiner die Poren sind, desto geringer ist die Durchlässigkeit. Um die Durchlässigkeit zu erhöhen, mussten wir daher in einem zweiten Schritt die Anzahl der Poren erhöhen und gleichzeitig die Porengröße konstant halten“, erklärt Tutus.

Membranproduktion mit REACH-konformen Lösungsmitteln

Da die Porengröße und Durchlässigkeit der Membran an spezifische Anforderungen angepasst werden kann, ist es einfach, sie an verschiedene Anwendungen in anderen Branchen anzupassen. Ein weiterer Vorteil der Membrananpassung besteht darin, dass vorhandene Systeme verwendet werden können und keine Schulung des Personals erforderlich ist. DR. Tutus und sein Team sehen großes Potenzial für ihre Entwicklungen in der Pharma- und Chemieindustrie, wo auch aggressive Lösungsmittel zum Einsatz kommen. Bei der Membranproduktion selbst kommen durchgehend REACH-konforme Lösungsmittel (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) und niedrige Temperaturen zum Einsatz, was den Prozess zu einem insgesamt nachhaltigen Prozess macht. Die Membran wird mithilfe eines NIPS-Verfahrens (Nicht-Lösungsmittel-induzierte Phasentrennung) hergestellt, das es den Forschern auch ermöglicht, die Morphologie oder Druckstabilität der Membran anzupassen.

Quelle: Fraunoffer
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