Die Rolle von PFAS in der Halbleiterfertigung

Überblick über PFAS

Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen—allgemein bekannt als PFAS—sind eine Gruppe von etwa 15.000 synthetischen Chemikalien, die in den 1940er und 1950er Jahren von den Industriegrößen 3M und DuPont entwickelt wurden. In den Jahrzehnten nach ihrer Markteinführung fanden PFAS breite Anwendung in unverzichtbaren Konsumgütern—von Kleidung und Polsterstoffen bis hin zu Kochgeschirr und Lebensmittelverpackungen. Grund hierfür sind ihre vorteilhaften Eigenschaften wie Wasserundurchlässigkeit, Flecken- und Fettabweisung sowie Vieles mehr. 

PFAS-Einsatz in der Elektronik

Auch in der Elektronikfertigung werden PFAS umfangreich eingesetzt und sind in verschiedensten Komponenten wie Elektrokabeln, Computerbauteilen, elektrischer Isolierung, Medizinprodukten, Dichtungen, Dichtungsringen, Schläuchen und weiteren Anwendungen zu finden. Entsprechend lassen sich PFAS in zahlreichen Elektronikprodukten nachweisen, darunter:  

• PCBAs
• PCB-Laminate
• Computerfestplatten
• Halbleiter
• PTFE-Klebebänder

Empfohlene Lektüre: Wo finden sich PFAS in Ihrer Elektronik-Lieferkette?

Warum PFAS plötzlich in Verruf geraten

Forschungsergebnisse aus dem letzten Vierteljahrhundert, verbunden mit nahezu 80 Jahren Erfahrung im Umgang mit diesen Verbindungen, haben gezeigt, dass PFAS gefährlich sind. Viele dieser Chemikalien sind bioakkumulierend, toxisch für Menschen und Tiere und können Jahrzehnte bis Jahrhunderte in der Umwelt verbleiben. Angesichts der zunehmenden Beweislast hat sich eine breite öffentliche Übereinstimmung herausgebildet: Die Verwendung von PFAS und deren Einsatz müssen drastisch eingeschränkt werden, um die Gesundheit von Mensch und Umwelt zu schützen. 

PFAS: Ein notwendiges Übel? 

Während das öffentliche Bewusstsein für die Branchen, die die sogenannten „Ewigkeitschemikalien“ einsetzen, rasch wächst, bleibt eine Branche häufig außen vor, wenn es um PFAS und den Handlungsbedarf zur Einstellung ihrer Nutzung geht: die Halbleiterfertigung. 

PFAS spielen seit langem eine zentrale Rolle bei der Chip-Herstellung und dem komplexen Fertigungsprozess von Halbleitern. Die Chemikalien sind für mehrere spezifische Herstellungsabschnitte unentbehrlich, stellen einen Schlüsselfaktor in Verpackungsmaterialien dar und sind in verschiedenen Anwendungen für Equipment und Infrastruktur der Halbleiterfertigung wichtig. Ohne den Einsatz von PFAS würden Halbleiterhersteller Gefahr laufen, die aktuellen Produktionsniveaus nicht zu erreichen – ihre Fähigkeit, Chips in höchster Qualität und auf dem neuesten Stand der Technik zu fertigen, würde stark beeinträchtigt. 

Anders gesagt: PFAS sind in der Halbleiterbranche zu einem notwendigen Übel geworden. In den kommenden Jahren werden Regierungen, Aufsichtsbehörden und die Öffentlichkeit mit einer äußerst komplexen Fragestellung ringen müssen: Wie kann man die Nutzung von PFAS durch einen Sektor einschränken, der diese Verbindungen benötigt, um das wohl kritischste technologische Gerät unserer Zeit herzustellen? 

Wie kann man die Nutzung von PFAS durch einen Sektor einschränken, der diese Verbindungen benötigt, um das wohl kritischste technologische Gerät unserer Zeit herzustellen? 

PFAS in der Halbleiterfertigung 

Halbleiterunternehmen haben in den vergangenen Jahren erste Maßnahmen ergriffen, um einige der berüchtigteren PFAS aus Reinräumen, Fertigungs- und Verpackungsanlagen zu entfernen. So wurde die Verwendung von PFOA ausgephast und die Eliminierung weiterer langkettiger PFAS aus der Chipproduktion läuft weiter. Dennoch ist die Branche aktuell stark auf kurzkettige PFAS angewiesen—das sind Varianten mit kürzeren Kohlenstoffrückgraten, meist aus sieben oder weniger Kohlenstoffatomen pro Molekül.

Der Branchentrend zu kurzkettigen PFAS

Die Entscheidung der Halbleiterindustrie für kurzkettige PFAS-Versionen wurde nicht isoliert getroffen. Eine Vielzahl von Industrien ersetzen „Legacy PFAS“—so werden die langkettigen Verbindungen heute bezeichnet—durch ihre kurzkettigen Nachfolger. Die Argumentation: Kürzere Kohlenstoffrückgrate führen zu kürzeren Halbwertszeiten und geringerer Bioakkumulation, wodurch die Belastung von Umwelt, Mensch und Tier reduziert werden soll. Bislang gibt es allerdings keine überzeugenden Belege, dass kurzkettige PFAS tatsächlich weniger schädlich sind als ihre Vorgänger. 

Derzeit bleiben kurzkettige PFAS für die Branche absolut unverzichtbar. SEMI, einer der führenden Branchenverbände im Chip- und Mikroprozessorekosystem, veröffentlichte kürzlich eine Stellungnahme zur Rolle der PFAS in der Halbleiterproduktion. Der Verband erklärt darin, dass diese umstrittene Stoffgruppe in der gesamten „Halbleiterproduktion, im Fertigungsequipment, in der gesamten Halbleiter-Lieferkette und generell in der Technologiebranche“ verwendet wird.“ Weiter heißt es, dass Halbleiterchips und verwandte Bauteile „ohne PFAS an mehreren Punkten in der Lieferkette nicht gefertigt werden können“.

Der Verband erklärt, dass diese umstrittene Stoffgruppe in der gesamten „Halbleiterproduktion, im Fertigungsequipment, in der gesamten Halbleiter-Lieferkette und generell in der Technologiebranche“ verwendet wird.

PFAS im Photolithographie-Prozess 

Der Photolithographie-Prozess ist eine Schlüsselstufe in der Halbleiterfertigung. Hierbei wird ein Fotoresist auf einen Siliziumwafer aufgetragen. Anschließend werden komplexe geometrische Muster einer Maske per ultraviolettem (UV) Licht (welches mit dem Fotoresist interagiert) auf den Wafer übertragen. PFAS werden dem Fotoresist häufig zugegeben, um die Haftung, Haltbarkeit und thermische Stabilität zu verbessern. 

Diese Chemikalien sind insbesondere für die Entwicklung von Fotoresists für die Deep-UV-(DUV)-Lithographie essenziell—ein Verfahren, das für die Herstellung modernster Technologie-Nodes von entscheidender Bedeutung ist. Wie das Semiconductor PFAS Consortium, ein Gremium von Branchenakteuren, feststellt, werden PFAS genutzt, um „kritische Eigenschaften wie Oberflächenbeschichtungs-Uniformität, vollständige Resistablösung mit geringer Defektanzahl, verbesserte Line-Edge-Rauigkeit und reduzierte Linienkollaps“-Risiken zu realisieren.

PFAS werden auch als Tenside in den Spüllösungen verwendet, mit denen der Fotoresist vom Wafer entfernt wird. Dadurch kann die Oberflächenspannung reduziert und das Kollabieren von Strukturen verhindert werden. 

PFAS werden auch als Tenside in den Spüllösungen verwendet, mit denen der Fotoresist vom Wafer entfernt wird. Dadurch kann die Oberflächenspannung reduziert und das Kollabieren von Strukturen verhindert werden. 

PFAS in Verpackungsmaterialien

Neben ihrer Rolle in der Chip-Fertigung sind PFAS auch in den Back-End-Fertigungsstufen wie der Verpackung wertvolle Stoffe. Die thermische und chemische Stabilität, geringe Oberflächenenergie, geringe Feuchtigkeitsaufnahme und geringe dielektrische Konstante—wodurch elektrische Leistungsverluste minimiert werden—sind wesentliche Eigenschaften für die Materialien, die im sensiblen Verpackungsprozess verwendet werden. 

Verpackungssubstrate müssen zahlreiche Anforderungen erfüllen, um die nötigen mechanischen, thermischen und elektrischen Funktionen von Halbleitern zu gewährleisten. Dazu zählen u. a. die oben genannten Eigenschaften wie thermische und chemische Stabilität, geringe Feuchtigkeitsaufnahme, eine niedrige dielektrische Konstante sowie Nichtbrennbarkeit. PFAS vereinen diese Eigenschaften und sind daher für die Substratentwicklung essenziell. Fluorierte Polymere (eine PFAS-Untergruppe) werden außerdem für den Kern des Substrats eingesetzt, um einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) zu erzielen und die Stabilität und Form über einen weiten Temperaturbereich hinweg zu sichern. 

PFAS haben sich außerdem als hochwirksame Chemikalien für Klebstoffformulierungen bei der Verpackung bewährt. Beim Die-Attach-Prozess etwa wird ein leistungsfähiger Klebstoff benötigt, um Siliziumchips auf Substraten oder Rahmen zu befestigen. Da viele Halbleiter in Anwendungen mit extremen Temperaturen eingesetzt werden, müssen diese Klebstoffe einen hohen Wärmeleitkoeffizienten, niedrigen CTE und hohe Resilienz gegenüber thermischer Ermüdung durch zyklische Temperaturwechsel aufweisen. Fluorierte Polymere erfüllen alle diese Anforderungen. Nach Angaben der National Academy of Engineering sind diese Polymere „ideal, um einen hohen Wärmeleitkoeffizienten, niedrigen CTE und Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung zu gewährleisten“.

PFAS haben sich außerdem als hochwirksame Chemikalien für Klebstoffformulierungen bei der Verpackung bewährt.

PFAS in Fertigungseinrichtungen, Schmiermitteln und Infrastruktur 

PFAS sind auch für das hochspezialisierte Fertigungsequipment, das bei der Chipproduktion eingesetzt wird, von zentraler Bedeutung. Die Chemikalien zeichnen sich durch chemische Inertheit sowie durch zahlreiche weitere der oben genannten Eigenschaften aus und kommen daher z. B. in Bauteilen wie Rohren, Behältern oder Dichtungen zum Einsatz. 

Zahlreiche PFAS werden ebenfalls in Schmiermitteln eingesetzt, die für Maschinen und Anlagen in der Halbleiterfertigung erforderlich sind. Um die für die wirtschaftliche Produktion entscheidenden hohen Ausbeuten zu erreichen, müssen diese Schmierstoffe höchste Effizienz aufweisen und auch unter extremen physikalischen Bedingungen sowie im Kontakt mit aggressiven Chemikalien maximale Performance liefern. 

Das Reinraum-Umfeld in der Halbleiterfertigung gleicht einem Chemie-Kampfgebiet: Es ist durchsetzt von ätzenden, aggressiven Substanzen wie Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid, Tetramethylammoniumhydroxid, reaktiven Gasradikalen wie ionisiertem Chlor und Fluorgas sowie verschiedenen pyrophoren Gasen, die sich unter bestimmten Temperaturbedingungen selbst entzünden können. Schmiermittel müssen so formuliert sein, dass sie allen möglichen Reaktionen mit diesen Chemikalien widerstehen und über die grundsätzliche Resilienz verfügen, um durchgehend unter unterschiedlichsten chemischen und thermischen Bedingungen stabil zu funktionieren. PFAS wie Perfluorpolyether (PFPE), Polychlortrifluorethylen (PCTFE) und Polytetrafluorethylen (PTFE) verleihen Schmiermitteln die nötige thermische Stabilität, chemische Inertheit und Widerstandsfähigkeit gegen Zersetzung, um diese extremen Anforderungen reibungslos zu meistern. 

PFAS wie Perfluorpolyether (PFPE), Polychlortrifluorethylen (PCTFE) und Polytetrafluorethylen (PTFE) verleihen Schmiermitteln die nötige thermische Stabilität, chemische Inertheit und Zersetzungsbeständigkeit zur störungsfreien Anwendung unter extremen Bedingungen. 

Schließlich macht diese außergewöhnliche Stabilität PFAS auch zu wichtigen Stoffen in der Infrastruktur von Fertigungsanlagen. Sie werden häufig in Wasserversorgungssystemen sowie speziell entwickelten Tanks, Dichtungen und Ventilen genutzt, um während der Produktion höchste Reinheitsanforderungen sicherzustellen. 

Der sich wandelnde Stand der PFAS-Regulierung weltweit

Während PFAS weiterhin eine unersetzliche Rolle in der Halbleiterfertigung einnehmen – der Branchenverband SEMI geht aktuell von Hunderten bis Tausenden spezifischer Anwendungsfälle aus – wächst die Zahl der gesetzlichen Einschränkungen weltweit rasant. In der Europäischen Union unterliegt die Verwendung mehrerer PFAS – darunter Perfluoroktansulfonsäure (PFOS) und Perfluoroktansäure (PFOA) – dem Stockholmer Übereinkommen über persistente organische Schadstoffe (POPs). Die EU-Chemikalienverordnung REACH (Registration, Evaluation, Authorisation, and Restriction of Chemicals) listet zudem zahlreiche PFAS auf der Liste der Substances of Very High Concern (SVHC, besonders besorgniserregende Stoffe). 

Die USA haben bisher keine so restriktiven PFAS-Regulierungen verabschiedet wie ihre europäischen Pendants. (Allerdings beginnt die EPA, eine proaktivere und durchsetzungsstarke Strategie zu verfolgen, um die Verwendung dieser Stoffe einzuschränken und Unternehmen für PFAS-Verunreinigungen stärker haftbar zu machen.) Aus diesem äußerst behutsamen – manche würden sagen: langsamen – ansatz auf Bundesebene resultiert, dass zahlreiche Bundesstaaten eigene PFAS-Regelungen umsetzen. 

Kalifornien, Maine, Minnesota und Washington haben Gesetze erlassen, die PFAS in bestimmten Konsumgütern verbieten. Zudem haben immer mehr Bundesstaaten Trinkwassergrenzwerte mit maximalen Schadstoffkonzentrationen (MCLs) für wichtige PFAS eingeführt. Insgesamt haben 34 US-Bundesstaaten Regelwerke verabschiedet, die darauf abzielen, die Chemikalien zu beschränken, Transparenz zu erlangen oder Gelder für Forschung, Testung und Sanierung bereitzustellen. 

Reaktion der Halbleiterindustrie auf erweiterte PFAS-Regulierung

Die Tragweite der regulatorischen Entwicklung im PFAS-Bereich ist der Halbleiterindustrie keineswegs entgangen. Wie aus öffentlichen Stellungnahmen, Forschungspublikationen und weiteren Materialien von Verbänden wie SEMI und der Semiconductor Industry Association (SIA) der letzten Jahre deutlich wird, bemühen sich Chiphersteller aktiv, die Bedeutung von PFAS für das Fundament der modernen Technologie zu verdeutlichen. „In der Halbleiterindustrie sollten Politikverantwortliche bei der Einführung von Beschränkungen für fluorierte Chemikalien besonders sorgfältig vorgehen“, schrieb David Isaacs, Vice President Government Affairs der SIA, in einem Beitrag aus 2023 zur Notwendigkeit des PFAS-Einsatzes in der Branche. „Angesichts der zentralen Rolle von Halbleitern für Wirtschaft und nationale Sicherheit sollten politische Maßnahmen, die den laufenden Halbleiterbetrieb oder zukünftige Innovationen unverhältnismäßig beeinträchtigen, vermieden werden.“

Wie aus öffentlichen Stellungnahmen, Forschungspublikationen und weiteren Materialien von Verbänden wie SEMI und der Semiconductor Industry Association (SIA) der letzten Jahre deutlich wird, bemühen sich Chiphersteller aktiv, die Bedeutung von PFAS für das Fundament der modernen Technologie zu verdeutlichen.

Im Rahmen eines Vorschlags der EPA aus 2023 zur Aufhebung der Low Volume Exemptions (LVE) für PFAS wählte SEMI eine noch nachdrücklichere, warnende Tonalität. Die Organisation verfasste einen Kommentar, wonach eine solche restriktive Haltung fatale Folgen für die US-Halbleiterfertigung hätte. „Die Halbleiterindustrie nutzt PFAS in kritischen Anwendungen, für die es keine praktikablen Alternativen gibt“, heißt es. Die Aufhebung der LVEs könnte letztlich „zur Stilllegung aller inländischen Halbleiterproduktionen führen“.

Das ist nur ein kleiner Ausschnitt des energischen Widerstands der Branche gegen die ausgedehnten Regulierungsmaßnahmen und die sich verfestigende Negativwahrnehmung von PFAS. Die Dringlichkeit hinter Äußerungen wie diesen ist offensichtlich: Diese Chemikalien sind mit der rasch wachsenden Chip-Industrie fast untrennbar verwoben. Fertigungsunternehmen und ihre Verbände senden eine komplexe, aber gewichtige Botschaft: PFAS mögen Risiken für Mensch und Umwelt bergen, sind aber keineswegs eine durchweg schädliche Stoffgruppe, die pauschal eliminiert werden müsste. Das Verhältnis der modernen Gesellschaft zu PFAS ist weitaus vielseitiger und ineinander verschränkt—insbesondere in der Halbleiterfertigung. 

Es ist außerdem hervorzuheben, dass die Rolle der PFAS in der Halbleiterindustrie sich bedeutend von anderen Sektoren unterscheidet. In anderen PFAS-nutzenden Industriebereichen werden wichtige Produkteigenschaften zwar durch den Entzug dieser Stoffe beeinträchtigt, zumeist jedoch handelt es sich nur um eine Verbesserung der Endprodukte durch PFAS. In der Chipherstellung hingegen sind kurzkettige PFAS ein essenzieller, konstitutiver Teil des Produktionsprozesses. Und laut SEMI wären Restriktionen wie die Aufhebung der LVE „katastrophal“ für das US-Chip-Ökosystem. 

In der Chipherstellung hingegen sind kurzkettige PFAS ein essenzieller, konstitutiver Teil des Produktionsprozesses.