Rola PFAS w produkcji półprzewodników

Przegląd PFAS

Per- i polifluorowane substancje alkilowe—powszechnie znane jako PFAS—to rodzina około 15 000 syntetycznych związków chemicznych, które zostały opracowane w latach 40. i 50. XX wieku przez gigantów produkcji, firmy 3M oraz DuPont. W kolejnych dekadach po wprowadzeniu na rynek PFAS zyskały popularność w kluczowych dobrach konsumenckich, począwszy od odzieży i tapicerki po naczynia kuchenne i opakowania do żywności. Wynika to z ich korzystnych właściwości, takich jak wodoodporność, odporność na zabrudzenia, olejoodporność i inne. 

Zastosowanie PFAS w elektronice

PFAS zostały również szeroko zaadaptowane w produkcji elektroniki i występują m.in. w kablach elektronicznych, komponentach komputerowych, izolacji elektrycznej, urządzeniach medycznych, uszczelnieniach i podkładkach, przewodach oraz wielu innych elementach. W rezultacie PFAS można wykryć w wielu produktach elektronicznych, takich jak:  

• PCBAs
• PCB Laminates
• Dyski twarde
• Półprzewodniki
• Taśmy PTFE

Polecane materiały: Gdzie znajdują się PFAS w Państwa łańcuchu dostaw elektroniki?

Dlaczego PFAS nagle zyskały złą sławę

Badania prowadzone przez ostatnie ćwierć wieku, w połączeniu z blisko 80-letnim doświadczeniem w stosowaniu tych związków, wykazały, że PFAS są niebezpieczne. Wiele z tych substancji jest bioakumulacyjnych, toksycznych dla ludzi i zwierząt oraz zdolnych do przetrwania w środowisku przez dekady, a nawet stulecia. Wraz z narastaniem dowodów przeciwko PFAS kształtuje się coraz silniejszy konsensus społeczny: PFAS i ich zastosowanie powinny zostać znacząco ograniczone, aby chronić zdrowie ludzi oraz środowiska. 

PFAS: konieczne zło? 

Jednak choć świadomość społeczna dotycząca sektorów wykorzystujących tzw. „chemikalia wieczne” szybko rośnie, jeden obszar często pozostaje poza dyskusją o PFAS i konieczności ich wycofywania: produkcja półprzewodników. 

PFAS od dawna pełnią kluczową rolę w procesie produkcji układów scalonych i złożonych etapach wytwarzania półprzewodników. Związki te są niezbędne w kilku specyficznych aspektach produkcji, stanowią ważny składnik materiałów opakowaniowych i mają szerokie zastosowania w wyposażeniu oraz infrastrukturze zakładów wytwarzających półprzewodniki. Bez dostępu do PFAS producenci półprzewodników ryzykowaliby spadek wydajności produkcji. Dodatkowo ich zdolność do wytwarzania najwyższej jakości, najbardziej zaawansowanych technologicznie chipów zostałaby poważnie zagrożona. 

Innymi słowy, w pewnych obszarach PFAS stały się koniecznym złem w kluczowym dla rozwoju przemysłu półprzewodników. W nadchodzących latach rządy, organy regulacyjne oraz społeczeństwo będą musiały zmierzyć się z wyjątkowo złożonym pytaniem: Jak ograniczyć użycie PFAS w sektorze, który potrzebuje tych związków do produkcji najważniejszego obecnie sprzętu technologicznego? 

Jak ograniczyć użycie PFAS w sektorze, który potrzebuje tych związków do produkcji najważniejszego obecnie sprzętu technologicznego? 

PFAS w produkcji półprzewodników 

Firmy z branży półprzewodników w ostatnich latach podjęły kilka znaczących działań zmierzających do eliminacji najbardziej niepożądanych PFAS ze swoich cleanroomów, fabryk i zakładów pakujących. Skutecznie wycofano stosowanie PFOA i kontynuuje się proces eliminacji innych PFAS o długich łańcuchach z produkcji chipów. Jednak branża wciąż w dużej mierze opiera się na PFAS o krótkich łańcuchach. Są to wersje związków o krótszym szkielecie węglowym, zazwyczaj składające się z siedmiu lub mniej atomów węgla w cząsteczce.

Kierunek branżowy: PFAS o krótkim łańcuchu

Decyzja branży półprzewodników o przejściu na PFAS o krótkim łańcuchu nie została podjęta w oderwaniu od realiów. Wiele gałęzi przemysłu zastępuje „tradycyjne PFAS”—czyli związki o dłuższych łańcuchach węglowych—ich krótkimi odpowiednikami. Opiera się to głównie na założeniu, że krótszy szkielet węglowy skróci okres półtrwania i zmniejszy bioakumulację, a tym samym ograniczy obecność tych substancji w środowisku i złagodzi ich toksyczny wpływ na ludzi i zwierzęta. Jednak do tej pory nie pojawiły się jednoznaczne dowody, które potwierdzałyby, że PFAS o krótkim łańcuchu są mniej szkodliwe od poprzedników. 

Obecnie PFAS o krótkim łańcuchu pozostają absolutnie niezbędne dla branży. SEMI, jedno z wiodących stowarzyszeń branżowych zrzeszających producentów chipów i firmy z ekosystemu mikroprocesorów, wydało niedawno oświadczenie dotyczące roli PFAS w produkcji półprzewodników. Organizacja ta wyjaśniła, że kontrowersyjna rodzina związków chemicznych jest wykorzystywana w całym „procesie produkcji półprzewodników, wyposażeniu produkcyjnym, pełnym łańcuchu dostaw oraz w szeroko pojętej technologii.” W oświadczeniu jednoznacznie stwierdzono również, że chipy półprzewodnikowe i podobne urządzenia „nie mogą być produkowane bez dostępności PFAS na wielu etapach łańcucha dostaw”.

Organizacja branżowa wyjaśniła, że kontrowersyjna rodzina związków chemicznych jest wykorzystywana w całym „procesie produkcji półprzewodników, wyposażeniu do produkcji półprzewodników, w całym łańcuchu dostaw oraz w szeroko pojętej technologii.

PFAS w procesie fotolitografii 

Proces fotolitografii jest kluczowym etapem produkcji półprzewodników. W tym kroku na krzemowej płytce nakładana jest warstwa fotooporu, a następnie skomplikowane geometryczne wzory z maski są przenoszone na płytkę za pomocą światła ultrafioletowego (UV), które oddziałuje z warstwą fotooporu. PFAS są często stosowane w fotooporze w celu poprawy adhezji, trwałości oraz stabilności termicznej materiału. 

Związki te są niezbędne do formulacji fotooporu do litografii w głębokim ultrafiolecie (DUV), która odgrywa kluczową rolę w produkcji najbardziej zaawansowanych chipów. Jak zauważa Semiconductor PFAS Consortium, zespół interesariuszy branżowych opracowujących kompleksową strategię zarządzania PFAS, w fabach stosuje się PFAS, by osiągnąć „kluczowe parametry: jednolitość powłoki, całkowite usuwanie warstw fotooporowych przy niskim poziomie defektów, poprawioną szorstkość krawędzi linii oraz zmniejszone ryzyko załamania linii”.

PFAS są również stosowane jako środki powierzchniowo czynne w roztworach płuczących służących do usuwania fotooporów z płytki krzemowej. Dzięki temu substancje te mogą zmniejszać napięcie powierzchniowe i ograniczać ryzyko załamania wzoru. 

PFAS są również stosowane jako środki powierzchniowo czynne w roztworach płuczących używanych do usuwania fotooporów z waferów. W tej roli substancje te pozwalają zmniejszyć napięcie powierzchniowe i zapobiegać załamaniu wzoru. 

PFAS w materiałach opakowaniowych

Oprócz roli w produkcji chipów PFAS są cenionymi substancjami w końcowych etapach produkcji, takich jak proces pakowania. Ich stabilność termiczna i chemiczna, niska energia powierzchniowa, niska chłonność wilgoci oraz niski współczynnik dielektryczny—preferowany w celu minimalizacji strat mocy elektrycznej—stanowią istotne cechy materiałów wykorzystywanych w zaawansowanych i delikatnych procesach pakowania. 

Podłoża opakowaniowe muszą spełniać szereg kluczowych wymagań, by sprostać niezbędnym funkcjom mechanicznym, termicznym i elektrycznym układów półprzewodnikowych. Obejmuje to szereg parametrów wymienionych powyżej—m.in. stabilność termiczną i chemiczną, niską chłonność wilgoci oraz niski współczynnik dielektryczny—jak również niepalność. PFAS posiadają wszystkie te właściwości, co czyni je niezbędnymi do formulacji materiałów podłożowych. Polimery fluorowane (rodzaj PFAS) są wykorzystywane również do produkcji warstwy rdzenia podłoża, by zapewnić niski współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) oraz utrzymać stabilność i kształt opakowania przy ekspozycji na szeroki zakres temperatur. 

PFAS okazały się także wyjątkowo skuteczne w formulacjach klejów opakowaniowych. Podczas montaŜu chipów (die attach) stosuje się mocny klej, umożliwiający zamocowanie chipów krzemowych do podłoży i ramek opakowaniowych. Ponieważ wiele półprzewodników jest wykorzystywanych w środowisku o wysokim obciążeniu temperaturowym, kleje te muszą wykazywać wysoki współczynnik przewodnictwa cieplnego, niski CTE i odporność na zmęczenie termiczne spowodowane cyklicznymi zmianami temperatury. Polimery fluorowane spełniają wszystkie te wymagania. Według National Academy of Engineering polimery te „są idealne do zapewnienia wysokiego przewodnictwa cieplnego, niskiego CTE i odporności na zmęczenie termiczne.”

PFAS okazały się także wyjątkowo skutecznymi związkami chemicznymi w formulacjach klejów opakowaniowych.

PFAS w wyposażeniu, smarowaniu i infrastrukturze produkcji półprzewodników 

PFAS są kluczowe dla zaawansowanego sprzętu produkcyjnego stosowanego przy wytwarzaniu chipów. Dzięki odporności na reakcje chemiczne (inercja chemiczna) oraz innym właściwościom opisanym powyżej, PFAS są wartościowymi materiałami do produkcji podzespołów sprzętu, takich jak rury, zbiorniki czy uszczelki. 

Wiele rodzajów PFAS zostało także wprowadzonych do smarów stosowanych w urządzeniach do produkcji i przetwarzania półprzewodników. Aby umożliwić producentom osiąganie wysokiej wydajności i opłacalności produkcji, smary te muszą być wyjątkowo skuteczne, utrzymując wysoką wydajność w ekstremalnych środowiskach fizycznych i przy kontakcie z agresywnymi substancjami chemicznymi typowymi dla takich zakładów. 

Środowisko w cleanroomach, w których odbywa się produkcja półprzewodników, to prawdziwe pole walki chemicznej. Przestrzeń ta jest nasycona korozyjnymi, żrącymi substancjami, takimi jak kwas siarkowy, nadtlenek wodoru, wodorotlenek tetrametyloamoniowy, gazowe rodniki reaktywne, np. zjonizowany chlor czy fluor, a także liczne gazy piroforyczne, zdolne do samozapłonu w odpowiednich warunkach temperaturowych. Smary stosowane w tym sprzęcie muszą być odporne na wszelkie możliwe reakcje z tymi chemikaliami oraz wyróżniać się ogólną trwałością konieczną do stabilnej pracy w szerokim spektrum środowisk chemicznych i temperatur. PFAS, takie jak perfluoropolieter (PFPE), polichlorotrifluoroetylen (PCTFE) i politetrafluoroetylen (PTFE), mogą zapewnić smarom stabilność termiczną, inercję chemiczną i odporność na degradację niezbędne do niezakłóconego działania w tak ekstremalnych warunkach. 

PFAS, takie jak perfluoropolieter (PFPE), polichlorotrifluoroetylen (PCTFE) oraz politetrafluoroetylen (PTFE), zapewniają smarom stabilność termiczną, inercję chemiczną i odporność na degradację, pozwalając im działać bez zakłóceń w skrajnie trudnych warunkach. 

Wreszcie, wyjątkowa stabilność PFAS sprawia, że związki te są także istotnymi komponentami infrastruktury zakładów produkcyjnych. PFAS są często wykorzystywane w systemach dystrybucji wody oraz wyspecjalizowanych zbiornikach, uszczelnieniach i zaworach, które zapewniają najwyższą czystość w procesie produkcji. 

Dynamicznie zmieniające się regulacje PFAS na świecie

Mimo że PFAS wciąż odgrywają niezastąpioną rolę w produkcji półprzewodników—według branżowego stowarzyszenia SEMI istnieją obecnie setki, jeśli nie tysiące przypadków użycia—zakres regulacji ograniczających ich stosowanie szybko się rozszerza. W Unii Europejskiej Konwencja Sztokholmska dotycząca trwałych zanieczyszczeń organicznych (POPs) wprowadza ograniczenia dla kilku PFAS, w tym kwasu perfluorooktanosulfonowego (PFOS) i kwasu perfluorooktanowego (PFOA). Natomiast europejska rejestracja, ocena, udzielanie zezwoleń i ograniczenia chemikaliów (REACH) uwzględnia liczne PFAS na liście kandydackiej substancji wzbudzających szczególnie duże obawy (SVHC). 

Stany Zjednoczone nie były dotąd tak zdecydowane jak Europa w zakresie wprowadzania obszernych regulacji dotyczących PFAS. (Choć EPA zaczęła wdrażać bardziej proaktywną i stanowczą politykę ograniczania stosowania tych substancji oraz pociągania firm do odpowiedzialności za skażenie PFAS.) Jednak ze względu na powolne działania federalne zmierzające do ograniczenia tych toksycznych związków, poszczególne stany USA biorą regulacje PFAS w swoje ręce. 

Kalifornia, Maine, Minnesota i Waszyngton uchwaliły już ustawy zakazujące stosowania tych chemikaliów w określonych produktach konsumenckich, a coraz większa liczba stanów wprowadza także normy dla wody pitnej, ustanawiając maksymalne dopuszczalne stężenia PFAS (MCL). Łącznie 34 stany USA wdrożyły przepisy mające na celu ograniczenie użycia tych związków, egzekwowanie transparentności ich stosowania lub przeznaczenie środków na badania, testy i działania remediacyjne. 

Odpowiedź branży półprzewodników na rozszerzające się regulacje PFAS

Branża półprzewodników jest w pełni świadoma rosnących wyzwań związanych z zaostrzaniem się przepisów dotyczących PFAS. Jeśli brać pod uwagę publiczne oświadczenia, publikacje badań i inne materiały organizacji branżowych, takich jak SEMI czy Semiconductor Industry Association (SIA) z ostatnich lat, firmy produkujące chipy zdecydowanie komunikują, jak newralgiczne są PFAS dla kluczowej dziś technologii. „W branży półprzewodników decydenci powinni postępować ostrożnie, wprowadzając ograniczenia dla związków fluoru,” napisał w poście z 2023 r. David Isaacs, wiceprezes ds. relacji rządowych SIA. „Biorąc pod uwagę kluczową rolę półprzewodników dla naszej gospodarki i bezpieczeństwa narodowego, ważne jest, by unikać polityk, które bezpodstawnie ograniczą bieżącą produkcję lub przyszłą innowację w tej branży.”

Jeśli brać pod uwagę publiczne oświadczenia, wyniki badań i inne materiały publikowane przez organizacje branżowe, jak SEMI oraz Semiconductor Industry Association (SIA), firmy z branży układów scalonych zdecydowanie podkreślają kluczowe znaczenie PFAS dla filaru nowoczesnych technologii.

W odpowiedzi na propozycję EPA z 2023 r. dotyczącą uchylenia zwolnień z niskiej objętości (LVE) dla PFAS, SEMI przyjęło jeszcze bardziej stanowczy ton. Organizacja przekazała stanowisko agencji argumentując, że taka restrykcyjna polityka może wywołać katastrofalne skutki dla krajowej produkcji półprzewodników. „Branża półprzewodników wykorzystuje PFAS w kluczowych zastosowaniach i nie ma dla nich realnych alternatyw”, podkreślono, ostrzegając, że uchylenie LVE „może w efekcie doprowadzić do zamknięcia całej krajowej produkcji półprzewodników”.

A to tylko wycinek intensywnej reakcji branży na rozszerzające się działania regulacyjne i negatywną opinię publiczną wobec PFAS. Za takimi stanowiskami stoi pilna potrzeba praktyczna: związki te są niemal nierozerwalnie powiązane z dynamicznie rozwijającym się sektorem chipów. Producenci oraz ich organizacje branżowe przekazują złożony, ale istotny przekaz: choć PFAS mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzi i środowiska, nie są one jedynie złą rodziną chemikaliów, którą należy całkowicie wyeliminować. Współczesne związki społeczno-gospodarcze z PFAS są dużo bardziej złożone, a ich sedno można znaleźć właśnie w przemyśle półprzewodników. 

Warto dodatkowo podkreślić, że rola PFAS w branży półprzewodników znacząco różni się od innych sektorów. W branżach krytykowanych za stosowanie PFAS usunięcie tych związków może wpłynąć na trwałość czy użyteczność produktów, ale najczęściej PFAS jedynie poprawiają ich parametry. Tymczasem w produkcji układów scalonych PFAS o krótkim łańcuchu są nieodzowną, konstytutywną częścią procesu. I jak stwierdza SEMI, potencjalne ograniczenia—takie jak uchylenie LVE—byłyby „katastrofalne” dla ekosystemu produkcji chipów w USA. 

Natomiast w produkcji chipów PFAS o krótkim łańcuchu są nieodzowną, konstytutywną częścią procesu produkcyjnego.