Le rôle des PFAS dans la fabrication des semi-conducteurs

Présentation des PFAS

Les substances per- et polyfluoroalkylées — couramment appelées PFAS — forment une famille d’environ 15 000 composés chimiques synthétiques développés dans les années 1940 et 1950 par les géants industriels 3M et DuPont. Dans les décennies suivant leur commercialisation, les PFAS se sont imposés dans de nombreux biens de consommation essentiels, des vêtements et textiles d’ameublement aux ustensiles de cuisine et emballages alimentaires. Leur popularité s’explique par leurs propriétés avantageuses : imperméabilité, résistance aux taches, aux graisses, etc. 

Utilisation des PFAS dans l’électronique

Les PFAS ont également été largement adoptés dans la fabrication de produits électroniques, et se retrouvent par exemple dans les câbles électroniques, composants informatiques, isolants électriques, dispositifs médicaux, joints, garnitures, tuyaux, et bien d’autres applications. De ce fait, on détecte des PFAS dans divers produits électroniques, notamment :  

• PCBAs
• PCB Laminates
• Disques durs informatiques
• Semiconducteurs
• Rubans PTFE

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Pourquoi les PFAS sont-ils soudainement controversés ?

Les recherches menées au cours du dernier quart de siècle, conjuguées à près de 80 ans d’expérience avec ces composés, ont démontré que les PFAS sont dangereux. Nombre de ces substances sont bioaccumulables, toxiques pour l’être humain et les animaux, et peuvent persister dans l’environnement pendant des décennies voire des siècles. À mesure que les preuves s’accumulent, un consensus public s’est formé : il faut fortement limiter l’utilisation des PFAS pour protéger la santé humaine et la faune. 

PFAS : un mal nécessaire ? 

Mais bien que le public prenne de plus en plus conscience des secteurs ayant recours à ces « produits chimiques éternels », un domaine est souvent exclu des discussions : la fabrication de semiconducteurs. 

Les PFAS jouent pourtant depuis longtemps un rôle essentiel dans la production de puces et les processus complexes de fabrication des semiconducteurs. Ces composés sont indispensables à plusieurs étapes spécifiques de la fabrication, constituent un élément clé des matériaux d’emballage, et disposent d’applications variées dans l’équipement et l’infrastructure des usines. Sans PFAS, les fabricants de semiconducteurs risqueraient de ne plus pouvoir assurer leur niveau de production actuel, voire de compromettre leur capacité à fabriquer des puces de pointe et de la plus haute qualité. 

En d’autres termes, les PFAS sont en quelque sorte devenus un mal nécessaire pour l’industrie des semiconducteurs, secteur d’importance vitale. Dans les années à venir, les gouvernements, organismes de réglementation et l’opinion publique vont devoir répondre à une question particulièrement complexe : comment restreindre l’usage des PFAS dans un secteur qui en dépend pour produire ce qui constitue sans doute le matériel technologique le plus crucial de notre époque ? 

Comment restreindre l’usage des PFAS dans un secteur qui en dépend pour fabriquer ce qui constitue sans doute le matériel technologique le plus crucial de notre époque ? 

PFAS dans la fabrication des semiconducteurs 

Ces dernières années, les entreprises de semiconducteurs ont pris quelques mesures significatives pour éliminer dans leurs salles blanches, usines et installations d’emballage certains PFAS parmi les plus problématiques. Elles ont notamment abandonné progressivement l’utilisation du PFOA et poursuivent l’effort de suppression d’autres PFAS à longue chaîne. Cependant, le secteur dépend toujours fortement des PFAS à chaîne courte, c’est-à-dire des composés dont la structure carbonée comporte généralement sept atomes de carbone ou moins par molécule.

L’évolution vers les PFAS à chaîne courte

La décision de l’industrie des semiconducteurs d’opter pour des PFAS à chaîne courte s’inscrit dans une dynamique sectorielle globale. De nombreux secteurs remplacent les « legacy PFAS » — ou PFAS à longue chaîne — par des substituts à chaîne plus courte. Cela repose sur l’idée que des chaînes carbonées plus courtes entraînent une demi-vie plus courte et une bioaccumulation réduite, limitant ainsi la présence de ces substances dans l’environnement et atténuant leur toxicité pour l’Homme et la faune. Toutefois, à ce jour, aucune preuve substantielle ne démontre de façon incontestable que les PFAS à chaîne courte sont réellement moins nocifs que leurs prédécesseurs. 

Actuellement, les PFAS à chaîne courte restent absolument essentiels à l’industrie. SEMI, l’une des principales associations du secteur des semiconducteurs, a récemment publié une déclaration sur le rôle des PFAS dans la fabrication de semiconducteurs. L’organisation explique que cette famille chimique controversée est utilisée dans « la production de semiconducteurs, les équipements de fabrication, l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement en semiconducteurs et, plus largement, dans la technologie. » Selon cette déclaration, les puces et dispositifs similaires « ne peuvent être produits sans la disponibilité de PFAS à divers stades de la chaîne d’approvisionnement ».

L’association professionnelle explique que cette famille chimique controversée est utilisée à tous les niveaux : « production de semiconducteurs, équipements de fabrication, chaîne d’approvisionnement complète de l’industrie, et technologie en général. »

PFAS dans le procédé de photolithographie 

Le procédé de photolithographie constitue une étape clé de la fabrication des semiconducteurs. Lors de cette étape, une résine photosensible est appliquée sur une tranche de silicium ; puis, un motif géométrique complexe porté par un masque est transféré sur la tranche au moyen de lumière ultraviolette (UV), qui interagit avec la résine. Les PFAS sont souvent présents dans la formulation des résines photosensibles pour améliorer l’adhérence, la durabilité et la stabilité thermique du matériau. 

Ces composés sont particulièrement importants pour formuler les résines utilisées en lithographie UV profonde (DUV), un processus central dans la fabrication de nœuds technologiques avancés. Ainsi que le souligne le Semiconductor PFAS Consortium, un groupe d’acteurs du secteur dédié à l’élaboration d’une stratégie globale concernant les PFAS, les fabs recourent à ces substances afin de garantir « des caractéristiques déterminantes telles que l’uniformité du revêtement de surface, l’élimination totale de la résine avec un faible taux de défauts, une réduction des aspérités de bord et un effondrement réduit des lignes ».

Les PFAS sont également utilisés comme agents tensioactifs dans les solutions de rinçage appliquées pour éliminer la résine de la tranche. Ils permettent de diminuer la tension superficielle et de prévenir l’effondrement des motifs. 

Les PFAS sont également utilisés comme agents tensioactifs dans les solutions de rinçage appliquées pour enlever la résine photosensible de la tranche. Ils permettent de réduire la tension superficielle et d’éviter l’effondrement des motifs. 

PFAS dans les matériaux d’emballage

Au-delà de leur rôle dans la fabrication des puces, les PFAS se révèlent précieux lors des étapes aval, notamment l’emballage. Leur stabilité thermique et chimique, leur faible énergie de surface, une absorption d’humidité réduite, ainsi que leur faible constante diélectrique — avantageuse pour limiter les pertes électriques — constituent des atouts majeurs pour les matériaux utilisés lors de ce processus complexe et délicat. 

Les substrats d’emballage doivent répondre à toute une série de critères majeurs pour garantir les fonctions mécaniques, thermiques et électriques d’un semiconducteur. Ces critères recouvrent bon nombre des caractéristiques citées plus haut : stabilité thermique et chimique, faible absorption d’humidité, faible constante diélectrique, mais aussi ininflammabilité. Les PFAS possèdent toutes ces propriétés, ce qui les rend essentiels à la formulation des matériaux de substrat. Les polymères fluorés (une catégorie de PFAS) servent aussi à la fabrication du cœur du substrat afin d’assurer un faible coefficient de dilatation thermique (CTE), ce qui contribue à la stabilité et la forme de l’emballage sur de larges plages de températures. 

Les PFAS se sont aussi révélés très efficaces dans les formulations d’adhésifs d’emballage. Lors de la fixation du dé — die attach — un adhésif performant est requis pour fixer les puces silicium aux substrats et cadres du boîtier. De nombreux semiconducteurs étant employés dans des environnements mécaniques à fortes contraintes thermiques, ces adhésifs doivent offrir un coefficient de transfert thermique élevé, un faible CTE et une bonne résistance à la fatigue thermique liée aux variations cycliques de température. Les polymères fluorés répondent à l’ensemble de ces exigences. Selon la National Academy of Engineering, ces polymères sont « idéaux pour garantir un coefficient de transfert thermique élevé, un faible CTE et une bonne résistance à la fatigue thermique ».

Les PFAS se sont aussi révélés très efficaces dans les formulations d’adhésifs d’emballage.

PFAS dans les équipements, la lubrification et l’infrastructure de fabrication de semiconducteurs 

Les PFAS sont indispensables aux équipements de fabrication sophistiqués et spécialisés utilisés en production de puces. Leur résistance aux réactions chimiques — appelée inertie chimique — ainsi que d’autres propriétés évoquées précédemment en font des matériaux précieux pour la fabrication de composantes d’équipement telles que les tuyaux, réservoirs et joints. 

Divers PFAS sont également incorporés aux lubrifiants utilisés sur les équipements de fabrication et de traitement. Pour garantir des rendements élevés, ces lubrifiants doivent être extrêmement performants, même dans des environnements physiques extrêmes et en présence de nombreux produits chimiques agressifs propres aux installations de production. 

L’environnement des salles blanches dédiées à la fabrication des semiconducteurs constitue une véritable zone chimique de combat. On y rencontre des substances corrosives et caustiques comme l’acide sulfurique, le peroxyde d’hydrogène, l’hydroxyde de tétraméthylammonium, des radicaux gazeux réactifs comme le chlore ionisé ou le fluor, ainsi que divers gaz pyrophoriques susceptibles de s’enflammer spontanément à certaines températures. Les lubrifiants doivent donc être formulés de manière à résister à l’ensemble de ces interactions potentielles et faire preuve d’une robustesse essentielle pour assurer des performances constantes sur de larges gammes chimiques et thermiques. Les PFAS tels que le perfluoropolyether (PFPE), le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE) confèrent aux lubrifiants la stabilité thermique, l’inertie chimique et la résistance à la dégradation nécessaires pour fonctionner de manière optimale dans ces conditions extrêmes. 

Les PFAS tels que le perfluoropolyether (PFPE), le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE) confèrent aux lubrifiants la stabilité thermique, l’inertie chimique et la résistance à la dégradation essentielles pour fonctionner de façon fiable dans ces conditions extrêmes. 

Enfin, cette remarquable stabilité fait également des PFAS une substance importante pour l’infrastructure des usines de production. Ces substances sont couramment utilisées dans les systèmes de distribution d’eau, les cuves spécialisées, les joints et vannes assurant un haut niveau de pureté tout au long du processus de fabrication. 

L’évolution des réglementations PFAS à l'échelle mondiale

Tandis que les PFAS restent incontournables en fabrication de semiconducteurs — l’association professionnelle SEMI estime à plusieurs centaines, voire milliers, les cas d’usages spécifiques —, la réglementation limitant leur utilisation se renforce à un rythme soutenu. Dans l’Union européenne, la Convention de Stockholm sur les Polluants Organiques Persistants (POP) restreint déjà plusieurs PFAS, notamment l’acide perfluorooctanesulfonique (PFOS) et l’acide perfluorooctanoïque (PFOA). Par ailleurs, la réglementation REACH (Registration, Evaluation, Authorisation, and Restriction of Chemicals) de l’UE inclut un certain nombre de PFAS dans sa liste de candidats « Substances of Very High Concern » (SVHC). 

Les États-Unis n’ont pas adopté de réglementation aussi stricte que l’Europe concernant les PFAS. (Toutefois, l’EPA commence à suivre une démarche plus proactive et déterminée pour limiter l’utilisation de ces substances et tenir les entreprises responsables de la contamination aux PFAS.) En raison de cette approche fédérale très délibérative — certains diraient « lente » —, les États américains se sont eux-mêmes saisis de la question réglementaire PFAS. 

La Californie, le Maine, le Minnesota et l’État de Washington ont adopté des lois interdisant ces substances dans certains produits de consommation, et de plus en plus d’États fixent des seuils d’exposition dans l’eau potable (MCL : Maximum Contaminant Levels) pour certains PFAS. Au total, 34 États des États-Unis ont introduit une législation visant à restreindre ces composés, à imposer la transparence sur leur usage ou à allouer des moyens à la recherche, aux tests et à la dépollution. 

La réponse de l’industrie des semiconducteurs à l’essor des réglementations PFAS

L’ampleur croissante de la réglementation sur les PFAS n’échappe nullement à l’industrie des semiconducteurs. Comme en témoignent les déclarations publiques, articles scientifiques et autres travaux publiés par des associations telles que SEMI ou la Semiconductor Industry Association (SIA), les fabricants de puces tiennent à souligner le rôle fondamental des PFAS dans ce qui constitue sans doute le pivot de la technologie moderne. « Dans l’industrie des semiconducteurs, il convient de faire preuve de prudence lorsqu’il s’agit de restreindre l’usage des substances fluorées », écrivait David Isaacs, Vice-Président Affaires institutionnelles de la SIA, dans un article publié en 2023 en faveur du maintien des usages essentiels des PFAS dans l’industrie. « Compte tenu du rôle capital des semiconducteurs dans l’économie et la sécurité nationale, il est important d’éviter toute politique qui pourrait freiner de manière excessive les opérations ou l’innovation du secteur. »

Comme en témoignent les déclarations, publications scientifiques et autres contributions des associations telles que SEMI ou la Semiconductor Industry Association (SIA), les fabricants de puces insistent sur le rôle fondamental des PFAS dans ce qui constitue probablement la clé de voûte de la technologie moderne.

En réponse à une proposition de l’EPA en 2023 visant à supprimer les exemptions de faible volume (LVEs) pour les PFAS, SEMI a adopté un ton encore plus alarmiste. L’organisation a adressé un commentaire à l’agence, estimant qu’une approche aussi restrictive pourrait entraîner des conséquences désastreuses pour la fabrication nationale de semiconducteurs. « L’industrie des semiconducteurs utilise les PFAS dans des applications critiques sans alternatives viables », a rappelé le groupe, ajoutant que la suppression des LVEs pourrait entraîner « l’arrêt complet de toutes les opérations de fabrication de semiconducteurs aux États-Unis ».

Ce n’est là qu’un aperçu de la vigueur de la réaction de l’industrie face à la montée des mesures réglementaires et au durcissement de la perception publique à l’égard des PFAS. L’urgence pratique de la plupart de ces prises de position ne saurait être plus explicite : ces composés sont aujourd’hui quasi indissociables de l’essor de l’industrie des puces. Les fabricants et les associations qui les représentent s’unissent autour d’un message aussi complexe que fondamental : si les PFAS présentent des risques pour la santé humaine et l’environnement, ils ne constituent pas pour autant une famille de substances qu’il faudrait éradiquer en bloc. La relation de nos sociétés contemporaines aux PFAS est bien plus nuancée et imbriquée, et cette complexité se révèle, de façon exemplaire, dans la fabrication des semiconducteurs. 

Il convient aussi de rappeler que le rôle des PFAS dans l’industrie des semiconducteurs est très différent de leur emploi dans d’autres secteurs. Si certains produits d’autres industries perdent en durabilité ou en performances en supprimant les PFAS, ces substances n’y sont la plupart du temps qu’améliorantes. En fabrication de puces au contraire, les PFAS à chaîne courte font partie intégrante et indispensable du processus. Et selon SEMI, toute restriction telle que la suppression des LVEs serait « catastrophique » pour l’écosystème du semiconducteur aux États-Unis. 

En fabrication de semiconducteurs, à l’inverse, les PFAS à chaîne courte sont une composante essentielle du processus.