Die Halbleiterindustrie setzt schon lange auf PFAS, doch das könnte sich dank einer innovativen Partnerschaft zwischen einem US-amerikanischen Hersteller und der University of Massachusetts ändern, wie Kerry Hebden herausfindet.

PFAS (per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen) sind für ihre extreme Beständigkeit in der Umwelt bekannt, eine Eigenschaft, die sie zum Synonym für „für immer“ gemacht hat, und stellen eine Gruppe von fast 15.000 synthetischen Chemikalien dar.

Sie stecken jedoch in Kontroversen. Tatsächlich deuten wissenschaftliche Untersuchungen darauf hin, dass eine wiederholte Exposition gegenüber bestimmten PFAS zu negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, einschließlich Auswirkungen auf die Fortpflanzung und Entwicklung, sowie zu einem erhöhten Risiko für bestimmte Krebsarten führen kann. Allein in Europa werden laut einem der Europäischen Chemikalienagentur vorgelegten Bericht jedes Jahr zwischen 52 und 84 Milliarden Euro (54,8 bis 85,5 Milliarden US-Dollar) für Gesundheitskosten ausgegeben, die durch die Exposition gegenüber PFAS entstehen. Dänemark, Deutschland, die Niederlande, Norwegen und Schweden, Mitautoren des Berichts, schlagen vor, etwa 10.000 PFAS einzuschränken.¹

Die Langlebigkeit von PFAS hängt von seinen Hauptbestandteilen, den Kohlenstoff- und Fluoratomen, ab. Die atomare Bindung zwischen diesen beiden Elementen ist eine der stärksten und daher werden die Chemikalien nicht so leicht abgebaut. Ironischerweise ist es diese Eigenschaft, die dazu geführt hat, dass sie in Hunderten von Alltagsprodukten verwendet werden – von antihaftbeschichtetem Kochgeschirr und wasserabweisender Kleidung bis hin zu Teppichen, Toilettenartikeln und Lebensmittelverpackungen. Aufgrund ihres nachhaltigen Charakters sind die meisten PFAS leicht zu transportieren und können Tausende von Kilometern von ihrem Freisetzungsort zurücklegen – sie wurden sogar in einem Eiskern aus der arktischen Wildnis Spitzbergens gefunden.²

Obwohl sich Beweise für eine Beschränkung oder ein Verbot von PFAS häufen, sind nicht alle damit einverstanden. Die Halbleiterindustrie lehnt die Beschränkungen ab, weil sie erklärt, dass fluorierte Materialien aufgrund ihrer einzigartigen Löslichkeitseigenschaften für die Herstellung vieler elektrischer Komponenten unerlässlich seien. Sie sind nicht nur hydrophob, sondern auch oleophob (ölabweisend) und können das Vermischen zwischen Schichten in einem komplexen System wie einer Antireflexbeschichtung verhindern. Die Zugabe kleiner Mengen fluorierter Materialien ermöglicht auch Strukturierungsmöglichkeiten, die sonst nicht möglich wären, was zu einer überlegenen Geräteleistung führt.

Ihr Nutzen ist so groß, dass es schwierig ist, Ersatz zu finden, und einige Unternehmen, darunter Intel, haben Arbeitsgruppen gebildet, um mögliche Einschränkungen in den USA zu vermeiden. Chemours, das sich zusammen mit DuPont und Corteva darauf geeinigt hat, Ansprüche in Höhe von mehr als 1 Milliarde US-Dollar beizulegen, die darauf zurückzuführen sind, dass PFAS die öffentlichen Wassersysteme der USA verunreinigt haben, befürwortet ebenfalls offen deren Verwendung.³ Chemours ist bestrebt, weiterhin Fluorpolymere, eine bestimmte Klasse von PFAS, herzustellen, da es keine Alternative gibt, die alle ihre einzigartigen Eigenschaften besitzt und gleichzeitig das gleiche hohe Leistungsniveau bietet, und ein Verbot dieser Polymere verheerende Auswirkungen auf Arbeitsplätze und Versorgung hätte Ketten. , und die Wirtschaft.

Aber Transene ist ein Unternehmen, das den bevorstehenden Wandel erkannt und Maßnahmen ergriffen hat, um ihn anzugehen. Transene mit Hauptsitz in Danvers, Massachusetts, USA, entwickelt und produziert seit 1965 Materialien für die Elektronikindustrie und viele andere Branchen. Das Unternehmen bietet eine breite Produktpalette an, darunter Nassätzmittel, Fotolackentwickler und Fotomaskenchemikalien, die alle traditionell hergestellt werden gebraucht. enthalten PFAS.

Das Unternehmen war bereits mit den sich ändernden Trends bei Chemikalien vertraut und begann, nach sichereren Alternativen zu suchen, um sich einen Vorsprung zu verschaffen, als sich die Diskussionen um die Reduzierung oder Eliminierung von PFAS drehten.

Ihre Forschung führte sie zum Toxics Use Reduction Institute (TURI) an der University of Massachusetts Lowell (UMass Lowell). TURI arbeitete für Transene mit Ramaswamy Nagarajan zusammen, einem Professor für Kunststofftechnik an der UMass, dessen Team einen Zuschuss zur Finanzierung eines Forschungsprojekts erhielt, das dem Unternehmen bei der Umstellung von PFAS helfen sollte.

„Wir mussten unsere Arbeitsweise bereits früher überdenken, beispielsweise als Perfluoroctylsulfonat (PFOS) Anfang der 2000er Jahre verboten wurde“, sagte Christuk. „Es war ein sehr wirksames Tensid und wurde in allem verwendet. Aber wir konnten keine einzige Alternative finden, um es zu ersetzen, also haben wir uns für eine Reihe verschiedener Tenside entschieden – alles zu ändern war ein riesiges Projekt.

Christuk sagte, dieses Mal wolle das Unternehmen der Zeit voraus sein und, was noch wichtiger ist, keinen Ersatz haben, der an sich jetzt oder später ein Problem darstellen würde. „Die Zusammenarbeit mit UMass war sehr vorteilhaft, da wir ein kleines Familienunternehmen sind, das nicht über das zusätzliche Personal oder die Zeit verfügt, sich der Forschung zu widmen, die Professor Ramaswamy und sein Team durchführen könnten“, sagte er.

Ramaswamy und sein Team konzentrierten sich darauf, die in der Halbleiterindustrie üblicherweise verwendeten Ätzlösungen zu ersetzen. Diese basieren hauptsächlich auf Wasser – bis zu 75 % bei Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) und Chrom-Ätzmitteln – und sind stark polarer Natur, wie beispielsweise PAN-Ätzmittel, bei dem es sich um eine Mischung aus Phosphorsäure, Essigsäure und Salpetersäure handelt. „Manche Ätzmittel sind sehr, sehr aggressiv und unsere Ersatzstoffe mussten genauso gut funktionieren, aber nicht so giftig“, erklärte Ramaswamy.

Zu den strengen Kriterien, die für den Ersatz erfüllt werden mussten, gehörten eine verbesserte Verteilbarkeit, geringe Schaumeigenschaften, eine erhöhte Freisetzung von Oberflächengasen und die Vermeidung unerwünschter Verunreinigungen. Das Team bewertete vier Arten typischer Ätzlösungen als Grundlage für ihre Alternativen und testete die Ersatzlösungen, um sicherzustellen, dass sie die gleichen Eigenschaften wie PFAS hatten. „Wir wollten, dass es sich bei den Alternativen um Drop-in-Ersatzprodukte handelt, also verwendeten wir leicht verfügbare Chemikalien“, sagte Ramaswamy. Anschließend wurde das Tool P2OASys (Pollution Prevention Options Analysis System) von TURI verwendet, um die Sicherheit der neuen Tenside zu bewerten.