De rol van PFAS in halfgeleiderproductie

Overzicht van PFAS

Per- en polyfluoralkylstoffen—beter bekend als PFAS—vormen een familie van circa 15.000 synthetische chemicaliën die in de jaren 1940 en 1950 zijn ontwikkeld door de industriële grootmachten 3M en DuPont. In de decennia na hun introductie zijn PFAS populair geworden in essentiële consumentenproducten, uiteenlopend van kleding en meubelstoffen tot kookgerei en voedselverpakkingen. Dit is te danken aan de gunstige eigenschappen, zoals waterdichtheid, vuilafstotendheid, vetbestendigheid en meer. 

PFAS-gebruik in elektronica

PFAS worden ook op grote schaal toegepast in de elektronica-industrie en zijn terug te vinden in onder meer elektronische kabels, computeronderdelen, elektrische isolatie, medische apparatuur, afdichtingen en pakkingen, slangsystemen en meer. Daardoor kunnen PFAS worden aangetroffen in diverse elektronische producten, waaronder:  

• PCBAs
• PCB-laminaten
• Computerharde schijven
• Halfgeleiders
• PTFE-tapes

Aanbevolen lectuur: Waar bevinden zich PFAS in uw elektronica-toeleveringsketen?

Waarom PFAS plotseling zo’n slechte reputatie krijgen

Onderzoek van de afgelopen 25 jaar, gecombineerd met bijna 80 jaar ervaring met deze verbindingen, heeft aangetoond dat PFAS gevaarlijk zijn. Veel van deze chemicaliën zijn bioaccumulerend, giftig voor mensen en dieren, en kunnen decennialang of zelfs eeuwenlang in het milieu aanwezig blijven. Naarmate het bewijsmateriaal tegen PFAS toeneemt, groeit ook de consensus in de samenleving: het gebruik van PFAS moet aanzienlijk worden beperkt om de gezondheid van mens en natuur te beschermen. 

PFAS: een noodzakelijk kwaad? 

Hoewel het bewustzijn bij het publiek over de sectoren die deze zogenaamde "forever chemicals" in hun producten verwerken snel toeneemt, blijft één branche vaak buiten beschouwing in discussies rondom PFAS en het dringende streven naar uitfasering: de halfgeleiderproductie. 

PFAS spelen al jarenlang een essentiële rol in de chipproductie en de specifieke processen binnen de halfgeleiderindustrie. De chemicaliën zijn cruciaal voor diverse aspecten van de fabricage, zijn een belangrijk bestanddeel van verpakkingsmaterialen en hebben uiteenlopende toepassingen in productiemachines en infrastructuur van fabrieken. Zonder PFAS zouden halfgeleiderfabrikanten het risico lopen niet aan de huidige productie-eisen te kunnen voldoen. Bovendien zou hun vermogen om kwalitatief hoogwaardige, geavanceerde chips te maken ernstig in het gedrang komen. 

Met andere woorden: PFAS zijn in zekere zin een noodzakelijk kwaad geworden binnen de cruciale halfgeleiderindustrie. In de komende jaren zullen overheden, toezichthoudende instanties en de samenleving zich moeten buigen over een uiterst complexe vraag: Hoe beperkt u het gebruik van PFAS in een sector die deze verbindingen nodig heeft voor de productie van misschien wel het belangrijkste technologische hardware van onze tijd? 

Hoe beperkt u het gebruik van PFAS in een sector die deze verbindingen nodig heeft voor de productie van misschien wel het belangrijkste technologische hardware van onze tijd? 

PFAS in halfgeleiderproductie 

De halfgeleiderbranche heeft de afgelopen jaren enkele betekenisvolle stappen genomen om een aantal van de beruchtere PFAS uit cleanrooms, fabrieken en verpakkingsfaciliteiten te weren. Het gebruik van PFOA is uitgefaseerd, en men werkt door aan het verwijderen van andere langketen-PFAS uit de chipproductie. Toch blijft de sector grotendeels afhankelijk van kortketen-PFAS, een variant met een kortere koolstofketen—meestal zeven of minder koolstofatomen per molecuul.

De overstap naar kortketen-PFAS in de sector

De keuze van de halfgeleiderindustrie voor kortketenvarianten is niet in een vacuüm genomen. Talloze sectoren vervangen "legacy PFAS"—zoals langketenverbindingen nu worden genoemd—door hun kortketen-opvolgers. Dit is hoofdzakelijk gebaseerd op de gedachte dat kortere koolstofketens zorgen voor kortere halfwaardetijden en minder bioaccumulatie, waardoor de aanwezigheid van deze stoffen in het milieu afneemt en hun toxische impact op mens en dier wordt beperkt. Tot op heden is er echter geen overtuigend bewijs dat kortketen-PFAS daadwerkelijk minder schadelijk zijn dan hun voorgangers. 

Op dit moment zijn kortketen-PFAS absoluut onmisbaar voor de sector. SEMI, een toonaangevende brancheorganisatie van chipproducenten en andere bedrijven binnen het microprocessorecosysteem, bracht onlangs een verklaring uit over de rol van PFAS in halfgeleiderproductie. De branche benadrukte dat deze controversiële chemische familie wordt gebruikt in "de halfgeleiderproductie, productieapparatuur, de gehele toeleveringsketen van halfgeleiders en de technologiebranche in het algemeen”. In de verklaring wordt ronduit gesteld dat halfgeleiderchips en vergelijkbare apparaten "niet geproduceerd kunnen worden zonder PFAS op meerdere punten in de toeleveringsketen".

De branche verklaarde dat deze controversiële chemische familie wordt gebruikt in "de halfgeleiderproductie, productieapparatuur, de gehele toeleveringsketen van halfgeleiders en de technologiebranche in het algemeen.

PFAS in het fotolithografieproces 

Het fotolithografieproces is een cruciale stap binnen de halfgeleiderproductie. Tijdens deze stap wordt een fotoresist aangebracht op een siliciumwafer, waarna complexe geometrische patronen met behulp van ultraviolet (UV) licht—dat interageert met de fotoresist—op de wafer worden overgebracht via een masker. PFAS worden veelvuldig gebruikt in de fotoresist om de hechting, duurzaamheid en thermische stabiliteit te vergroten. 

Deze chemische verbindingen zijn vooral belangrijk voor de formulering van fotoresists voor deep UV (DUV) lithografie, een proces dat essentieel is voor de productie van de meest geavanceerde nodes in de sector. Zoals het Semiconductor PFAS Consortium—een samenwerkingsverband van branchepartijen dat zich richt op het ontwikkelen van een alomvattende PFAS-strategie—opmerkt, gebruiken fabs PFAS in deze toepassing vanwege "essentiële eigenschappen als uniforme oppervlaktelaag, volledige resistverwijdering met lage defectgraad, verbeterde line edge roughness en verminderde line collapse".

PFAS worden ook als oppervlakteactieve stoffen ingezet in de spoeloplossingen die nodig zijn om de fotoresist van de wafer te verwijderen. Hierbij helpen deze stoffen de oppervlaktespanning te verlagen en patrooninstorting te voorkomen. 

PFAS worden ook als oppervlakteactieve stoffen ingezet in de spoeloplossingen die nodig zijn om de fotoresist van de wafer te verwijderen. Hierbij helpen deze stoffen de oppervlaktespanning te verlagen en patrooninstorting te voorkomen. 

PFAS in verpakkingsmaterialen

Naast hun rol in de chipproductie zijn PFAS waardevolle stoffen in back-end-productiefases zoals verpakking. Belangrijke eigenschappen voor deze materialen zijn thermische en chemische stabiliteit, lage oppervlaktespanning, geringe vochtopname en een lage diëlektrische constante—die gunstig is omdat deze elektrische verliesstromen minimaliseert. Al deze eigenschappen zijn gewenst bij het complexe, delicate verpakkingsproces. 

Verpakkingssubstraten moeten aan strenge mechanische, thermische en elektrische eisen voldoen, waaronder de hierboven genoemde kenmerken (zoals thermische en chemische stabiliteit, geringe vochtopname en lage diëlektrische constante) en bovendien onbrandbaar zijn. PFAS beschikken over al deze eigenschappen en zijn daarmee essentieel voor de ontwikkeling van substraatmaterialen. Gefluoreerde polymeren (een type PFAS) worden ook gebruikt bij de productie van de substraatkern om deze een lage uitzettingscoëfficiënt te geven, zodat het verpakkingsmateriaal vormvast blijft bij temperatuurschommelingen. 

PFAS hebben zich tevens bewezen als uiterst effectieve chemicaliën voor formuleringen van verpakkingslijmen. Bij het plaatsen van een chip, de zogenaamde die-attach, is bijvoorbeeld een sterke lijm nodig om de siliciumchips op het substraat of de frames te bevestigen. Omdat veel halfgeleiders worden gebruikt in mechanische omgevingen met extreme hitte, moeten deze lijmen bestand zijn tegen hoge temperaturen, beschikken over een lage uitzettingscoëfficiënt en bestand zijn tegen vermoeiing door temperatuurschommelingen. Gefluoreerde polymeren voldoen aan al deze eisen. Volgens de National Academy of Engineering zijn deze polymeren "ideaal vanwege het hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt, de lage uitzettingscoëfficiënt (CTE) en de weerstand tegen thermische vermoeiing".

PFAS hebben zich tevens bewezen als uiterst effectieve chemicaliën voor formuleringen van verpakkingslijmen.

PFAS in productieapparatuur, smering en infrastructuur voor halfgeleiders 

PFAS zijn onmisbaar voor de geavanceerde, gespecialiseerde machines die gebruikt worden bij chipfabricage. Door hun weerstand tegen chemische reacties—de zogenaamde chemische inertheid—en de reeds genoemde eigenschappen zijn PFAS waardevol voor componenten zoals leidingen, containers en afdichtingen van deze apparatuur. 

Verschillende PFAS worden ook verwerkt in de smeermiddelen die nodig zijn voor halfgeleiderfabricage- en verwerkingsapparatuur. Fabrikanten moeten voldoen aan hoge productievolumes en dus moeten smeermiddelen uitzonderlijk effectief zijn om optimale prestaties te behouden in extreme fysieke omgevingen en in contact met agressieve chemicaliën zoals die kenmerkend zijn voor fabricagefaciliteiten. 

De omgeving in de cleanrooms waar halfgeleiders worden geproduceerd, is een chemisch strijdtoneel. Hier zijn bijtende en corrosieve stoffen als zwavelzuur, waterstofperoxide en tetramethylammoniumhydroxide aanwezig, evenals reactieve gasradicalen zoals geioniseerde chloor en fluorgas, plus een aantal pyrofore gassen die bij de juiste temperatuur spontaan kunnen ontvlammen. Smeermiddelen moeten daarom worden ontwikkeld om bestendig te zijn tegen deze chemische reacties en over het algemeen bestand zijn tegen uiteenlopende chemische en thermische omstandigheden. PFAS als perfluorpolyether (PFPE), polychloortrifluorethyleen (PCTFE) en polytetrafluorethyleen (PTFE) geven smeermiddelen de thermische stabiliteit, chemische inertheid en degradatieweerstand die nodig zijn voor probleemloos functioneren onder zulke extreme omstandigheden. 

PFAS als perfluorpolyether (PFPE), polychloortrifluorethyleen (PCTFE) en polytetrafluorethyleen (PTFE) geven smeermiddelen de thermische stabiliteit, chemische inertheid en degradatieweerstand die nodig zijn voor probleemloos functioneren onder zulke extreme omstandigheden. 

Tot slot maakt deze uitzonderlijke stabiliteit PFAS ook tot een belangrijk bestanddeel van de infrastructuur van fabricagefaciliteiten. De chemicaliën worden vaak gebruikt in waterdistributiesystemen en in de speciaal ontworpen tanks, afdichtingen en kleppen die een hoge zuiverheid tijdens het productieproces waarborgen. 

De veranderende stand van PFAS-regelgeving wereldwijd

Hoewel PFAS nog steeds een onvervangbare functie vervullen in de halfgeleiderindustrie—de branchevereniging SEMI schat dat er momenteel honderden tot duizenden specifieke toepassingen zijn—breidt de regelgeving die het gebruik van deze stoffen beperkt zich snel uit. Binnen de Europese Unie gelden via het Verdrag van Stockholm inzake persistente organische verontreinigende stoffen (POPs) beperkingen op meerdere PFAS, waaronder perfluoroctaansulfonzuur (PFOS) en perfluoroctaanzuur (PFOA). Bovendien staan er binnen de EU-registratie, evaluatie, autorisatie en beperking van chemicaliën (REACH) diverse PFAS op de lijst van stoffen die als zeer zorgwekkend (SVHC, Substances of Very High Concern) worden gekandideerd. 

De Verenigde Staten zijn tot nu toe minder voortvarend dan Europa met het invoeren van vergaande PFAS-regelgeving. (De Amerikaanse EPA neemt recentelijk wel een proactievere, meer stevige houding aan ten aanzien van PFAS-gebruik en rekent ondernemingen strikter af op PFAS-vervuiling.) Door deze bedachtzame—sommigen zouden zeggen trage—benadering op federaal niveau, nemen Amerikaanse staten de PFAS-regulering steeds vaker in eigen handen. 

California, Maine, Minnesota en Washington hebben wetgeving ingevoerd die het gebruik van PFAS in specifieke consumentenproducten verbiedt en steeds meer staten stellen drinkwaternormen op met maximale concentraties (MCL’s) voor bepaalde PFAS. In totaal hebben 34 Amerikaanse staten wetgeving ingevoerd gericht op beperking van deze chemicaliën, transparantie over het gebruik of financiering van onderzoek, testen of saneringsinspanningen. 

Reactie van de halfgeleiderindustrie op strengere PFAS-regelgeving

De steeds bredere en diepere PFAS-regelgeving ontgaat de halfgeleidersector niet. Uit openbare verklaringen, wetenschappelijke publicaties en andere documenten van brancheverenigingen zoals SEMI en de Semiconductor Industry Association (SIA) van de afgelopen jaren blijkt dat chipfabrikanten willen benadrukken hoe onmisbaar PFAS zijn voor het hart van moderne technologie. "In de halfgeleidersector moeten beleidsmakers voorzichtig zijn met restricties op het gebruik van gefluoreerde chemicaliën", schrijft SIA Vice President of Government Affairs David Isaacs in een blogpost uit 2023 ter verdediging van het essentiële gebruik van PFAS binnen de sector. "Gezien de cruciale rol van halfgeleiders voor onze economie en nationale veiligheid, is het belangrijk beleid te vermijden dat de huidige productie of toekomstige innovatie onnodig in gevaar brengt."

Uit openbare verklaringen, wetenschappelijke publicaties en andere documenten van brancheverenigingen zoals SEMI en de Semiconductor Industry Association (SIA) van de afgelopen jaren blijkt dat chipfabrikanten willen benadrukken hoe onmisbaar PFAS zijn voor het hart van moderne technologie.

Als reactie op het voorstel van de EPA in 2023 om low volume exemptions (LVEs) voor PFAS in te trekken, koos SEMI een nog dringender toon en bracht een reactie in bij het agentschap waarin werd gewaarschuwd dat een dergelijke restrictieve maatregel desastreus zou kunnen uitpakken voor de binnenlandse halfgeleiderindustrie. "De halfgeleiderindustrie gebruikt PFAS in cruciale toepassingen waarvoor geen haalbare alternatieven beschikbaar zijn", aldus de branche, en het intrekken van LVEs zou uiteindelijk "kunnen leiden tot de stillegging van alle binnenlandse halfgeleiderproductie".

En dit is slechts een kleine greep uit het felle verweer van de sector tegen strengere regelgeving en negatieve beeldvorming rondom PFAS. De praktische urgentie achter deze uitspraken laat zich niet missen: PFAS zijn vrijwel onlosmakelijk verbonden met de opbloeiende chipindustrie. Productiefirma’s en hun belangenverenigingen brengen samen een genuanceerd maar belangrijk signaal over: hoewel PFAS risico’s kunnen opleveren voor mens en milieu, zijn ze niet simpelweg een uitsluitend schadelijke familie van door mensen gemaakte chemicaliën die volledig uit de samenleving verbannen moeten worden. De relatie van de hedendaagse maatschappij met PFAS is complex en dat blijkt bij uitstek uit de halfgeleiderproductie. 

Het is bovendien van belang te benadrukken dat de rol die PFAS spelen binnen de halfgeleiderbranche wezenlijk anders is dan in andere sectoren. In andere industrieën die kritisch worden gevolgd vanwege PFAS-gebruik, leiden restricties hooguit tot wat verlies aan duurzaamheid of prestatie, maar PFAS dienen daar veelal als versterkende toevoeging. Bij chipfabricage daarentegen vormen kortketen-PFAS een essentieel en constitutief onderdeel van het productieproces. Volgens SEMI zouden beperkingen zoals het intrekken van LVEs "catastrofaal" zijn voor het Amerikaanse chip-ecosysteem. 

Bij chipfabricage daarentegen vormen kortketen-PFAS een essentieel en constitutief onderdeel van het productieproces.