Yarı İletken Üretiminde PFAS'ın Rolü

PFAS'a Genel Bakış

Per ve polifloroalkil maddeler—yaygın olarak PFAS olarak bilinir—1940’lar ve 1950’lerde üretim devi 3M ve DuPont tarafından geliştirilen yaklaşık 15.000 sentetik kimyasal ailesinden oluşur. PFAS, piyasaya sürüldüklerinden sonraki on yıllarda, giyim ve döşemeden, mutfak gereçleri ve gıda ambalajına kadar hayati tüketici ürünlerinde yaygın hâle gelmiştir. Bunun nedeni ise su geçirmezlik, leke iticilik, yağ direnci gibi avantajlı özellikleridir. 

Elektronikte PFAS Kullanımı

PFAS, elektronik üretiminde de yaygın biçimde kullanılmakta olup, elektronik kablolar, bilgisayar parçaları, elektriksel yalıtım, tıbbi cihazlar, contalar, borular gibi birçok üründe yer almaktadır. Sonuç olarak, PFAS farklı elektronik ürün gruplarında tespit edilebilir, örneğin:  

• PCBAs
• PCB Laminatları
• Bilgisayar Sabit Diskleri
• Yarı İletkenler
• PTFE Bantlar

Önerilen Okuma: Elektronik tedarik zincirinizde PFAS nerede?

PFAS’ın Son Dönemde Kötü Ün Kazanma Nedenleri

Son çeyrek yüzyılda yapılan araştırmalar ile yaklaşık 80 yıllık deneyimin birleşimi, PFAS’ın tehlikeli olduğunu ortaya koymuştur. Bu kimyasalların çoğu biyobirikimli, insanlara ve hayvanlara toksik olup, çevrede onlarca hatta yüzlerce yıl boyunca kalıcı olabilmektedir. PFAS’a karşı olan bilimsel kanıtların giderek artmasıyla birlikte, kamuoyunda da yükselen bir uzlaşı oluşmuştur: PFAS ve kullanımları, insan ve yaban hayatının sağlığını koruyabilmek için ciddi biçimde sınırlandırılmalıdır. 

PFAS: Kaçınılmaz Bir Zorunluluk mu? 

Kamuoyunun, “kalıcı kimyasallar” olarak adlandırılan PFAS’ı içeren sektörlerin farkındalığı hızla artarken, PFAS ve kullanılmamasının gerekliliği üzerine yapılan tartışmalarda genellikle bir alan göz ardı edilmektedir: yarı iletken üretimi. 

PFAS, çip üretiminde ve yarı iletken üretim sürecinin karmaşık aşamalarında uzun zamandır temel bir rol üstlenmektedir. Bu kimyasallar, üretimin bazı aşamalarında kritik öneme sahiptir, paketleme malzemelerinde önemli bir bileşendir ve yarı iletken üretim ekipmanları ile tesis altyapısında çok sayıda uygulama alanına sahiptir. PFAS’a erişim olmadan, yarı iletken üreticileri mevcut üretim seviyelerini sürdürememe riskiyle karşı karşıya kalabilirler. Ayrıca, en yüksek kaliteli ve son teknoloji çip üretimini sürdürme yetenekleri de ciddi biçimde tehlikeye girebilir. 

Başka bir deyişle, PFAS yarı iletken endüstrisinde bazı açılardan kaçınılmaz bir zorunluluk haline gelmiştir. Önümüzdeki yıllarda hükümetler, düzenleyici kurumlar ve geniş kamuoyu karmaşık bir soruyla karşı karşıya kalacaktır: Zamanımızın muhtemelen en kritik teknoloji donanımlarından birini üretmek için bu bileşiklere ihtiyaç duyan bir sektörde PFAS kullanımını nasıl sınırlayabilirsiniz? 

Zamanımızın muhtemelen en kritik teknoloji donanımını üretmek için bu bileşiklere ihtiyaç duyan bir sektörde PFAS kullanımını nasıl sınırlayabilirsiniz? 

Yarı İletken Üretiminde PFAS 

Yarı iletken firmaları son yıllarda temizlik odalarından, fabrikalarından ve paketleme tesislerinden kötü ün salmış bazı PFAS türlerini çıkarmak adına anlamlı adımlar atmıştır. PFOA kullanımı başarıyla aşamalı olarak sonlandırılmış ve çip üretiminden diğer uzun zincirli PFAS’ın uzaklaştırılması süreci devam etmektedir. Ancak sektör hâlâ kısa zincirli PFAS’a büyük ölçüde bağımlıdır. Bunlar, karbon omurgası yedi veya daha az atomdan oluşan kimyasal biçimlerdir.

Endüstride Kısa Zincirli PFAS’a Geçiş

Yarı iletken endüstrisinin kısa zincirli PFAS’a geçme kararı, tek başına alınmış bir karar değildir. Pek çok endüstri, “eski PFAS” olarak anılan uzun zincirli bileşiklerin yerine daha kısa zincirli muadillerini kullanmaktadır. Bunun temel nedeni, kısa karbon zincirlerinin daha kısa yarı ömür ve daha düşük biyobirikim sağlaması dolayısıyla çevredeki varlığının ve toksik etkilerinin azalacağı varsayımıdır. Ancak mevcut durumda, kısa zincirli PFAS’ın öncüllerinden daha az zararlı olduğuna dair kesin bir bilimsel kanıt ortaya çıkmamıştır. 

Şu anda, kısa zincirli PFAS endüstri için vazgeçilmez biçimde gereklidir. Çip üreticileri ve mikroişlemci ekosistemindeki diğer şirketler için önde gelen sektör birliklerinden olan SEMI, yakın zamanda yarı iletken üretiminde PFAS’ın rolüne ilişkin bir açıklama yayımlamıştır. Sektör grubu, bu tartışmalı kimyasal ailenin “yarı iletken üretimi, yarı iletken üretim ekipmanları, tüm yarı iletken endüstrisi tedarik zinciri ve genel olarak teknolojide” kullanıldığını belirtmiştir.” Açıklamada ayrıca, yarı iletken çipler ve benzer cihazların “tedarik zincirinde birçok noktada PFAS olmadan üretilemeyeceği” de vurgulanmıştır.

Sektör grubu, bu tartışmalı kimyasal ailenin “yarı iletken üretimi, yarı iletken üretim ekipmanları, tüm yarı iletken endüstrisi tedarik zinciri ve genel olarak teknolojide” kullanıldığını açıklamıştır.

Fotolitografi Sürecinde PFAS 

Fotolitografi süreci, yarı iletken üretiminin kritik bir aşamasıdır. Bu adımda, silikon gofretin yüzeyine bir fotoresist uygulanır ve ardından karmaşık geometrik desenler ve maskeler, ultraviyole (UV) ışık (fotoresisti etkileyen) kullanılarak gofretin yüzeyine aktarılır. PFAS, fotoresistlerin yapışmasını, dayanıklılığını ve termal stabilitesini artırmak amacıyla sıklıkla fotoresist bileşiminde kullanılmaktadır. 

Kimyasal bileşikler özellikle derin UV (DUV) litografi için fotoresist formulasyonlarında kritik öneme sahiptir; bu süreç, sektörün ileri düzey node üretiminde hayati bir rol oynamaktadır. Semiconductor PFAS Consortium’un (PFAS kullanımı üzerine strateji geliştiren sektör paydaşlarının oluşturduğu bir konsorsiyum) belirttiğine göre, fabrikalar PFAS’ı, “yüzey kaplama homojenliği, düşük defektle tam resist çıkarımı, iyileştirilmiş çizgi kenarı pürüzlülüğü ve azaltılmış çizgi çökmesi” gibi kritik özellikleri elde etmek için bu şekilde kullanıyor.

PFAS ayrıca, gofretlerden fotoresisti uzaklaştırmak için kullanılan durulama solüsyonlarında yüzey aktif madde olarak da kullanılır. Bu kullanımda, kimyasallar yüzey gerilimini azaltabilir ve desen çökmesini önleyebilir. 

PFAS ayrıca, gofretlerden fotoresisti çıkarmada kullanılan durulama çözeltilerinde yüzey aktif madde olarak da yer alır. Bu sayede kimyasallar yüzey gerilimini azaltabilir ve desen çökmesini önleyebilir. 

Paketleme Malzemelerinde PFAS

Çip üretimindeki rolüne ek olarak, PFAS arka uç üretim aşamalarında da (örneğin paketlemede) değerli maddelerdir. Maddelerin termal ve kimyasal stabilitesi, düşük yüzey enerjisi, düşük nem çekimi ve düşük dielektrik sabiti—ki bu elektriksel güç kaybını en aza indirmek için tercih edilir—kapsamlı, hassas paketleme süreçlerindeki malzemeler için son derece kullanışlı özelliklerdir. 

Paketleme altlıklarının, yarı iletkenin gerekli mekanik, termal ve elektriksel fonksiyonlarını karşılamak için birçok kritik özelliği yerine getirmesi gerekir. Bunlar, yukarıda sayılan termal ve kimyasal stabilite, düşük nem çekimi ve düşük dielektrik sabiti gibi özelliklerin yanı sıra yanmazlık gibi diğer gereksinimleri içerir. PFAS, tüm bu özelliklere sahip olduğundan, altlık malzemeleri formulasyonunda temel unsurlardır. Florlu polimerler (bir PFAS türü), altlık çekirdeğinde kullanılarak düşük bir termal genleşme katsayısı (CTE) sağlar ve böylece paketlemenin çok farklı sıcaklık değişimlerinde stabilitesini ve şeklini korumasına yardımcı olur. 

PFAS, paketleme yapıştırıcı bileşimlerinde de son derece etkili kimyasallar olarak kendini kanıtlamıştır. Örneğin die attach işlemi sırasında, silikon çiplerin altlık ve çerçevelere montajında güçlü bir yapıştırıcı gerekir. Birçok yarı iletken, aşırı ısıya maruz kalan mekanik ortamlarda kullanıldığından, bu yapıştırıcıların yüksek ısı iletim katsayısına, düşük CTE değerine ve çoğunlukla sıcaklıktaki döngüsel dalgalanmalardan kaynaklanan termal yorulmaya karşı dirençli olması gerekir. Florlu polimerler, bu gereksinimlerin hepsini karşılar. National Academy of Engineering'e göre, bu polimerler “yüksek ısı transfer katsayısı, düşük CTE ve termal yorulmaya karşı direnç sağlamak için idealdir”.

PFAS, paketleme yapıştırıcı bileşimlerinde de son derece etkili kimyasallar olarak kendini kanıtlamıştır.

Yarı İletken Üretim Ekipmanlarında, Yağlama ve Altyapıda PFAS 

PFAS, çip üretiminde kullanılan sofistike ve son derece özelleşmiş üretim ekipmanlarının vazgeçilmez bir unsurudur. Kimyasalların kimyasal tepkimelere karşı (kimyasal inertlik olarak bilinir) direnç göstermesi ve yukarıda değinilen diğer özellikleri, borular, kaplar ve contalar gibi ekipman parçalarının üretiminde bu maddeleri değerli kılar. 

Bir dizi PFAS türü ayrıca, yarı iletken üretim ve işleme ekipmanlarına uygulanan yağlayıcılarda da kullanılmaktadır. Üreticilerin ekonomik olarak sürdürülebilir yüksek verim elde etmesi için, bu yağlayıcıların son derece etkin olması gerekir; bunlar, üretim tesislerinde maruz kalınan aşırı fiziki ortam ve agresif kimyasal çeşitliliği karşısında yüksek performansı koruyabilmelidir. 

Yarı iletken üretiminin gerçekleştiği temiz odalardaki ortam adeta bir kimyasal savaş alanıdır. Bu alanda sülfürik asit, hidrojen peroksit ve tetrametilamonyum hidroksit gibi aşındırıcı, yakıcı maddeler; iyonize klor ve flor gazı gibi reaktif gaz radikalleri ve uygun sıcaklık koşullarında kendiliğinden tutuşturma özelliğine sahip çok sayıda piroforik gaz yer alır. Ekipman yağlayıcıları, bu kimyasalların tümüne karşı reaksiyonlara dirençli olacak şekilde ve çok çeşitli kimya ve sıcaklık aralıklarında sürekli yüksek performans gösterecek dayanıklılığa sahip olacak şekilde formul edilmelidir. Perfloropolieter (PFPE), poliklorotriflorietilen (PCTFE) ve politetrafloroetilen (PTFE) gibi PFAS, yağlayıcılara, bu zorlu koşullarda sorunsuz işleyiş için gereken termal stabiliteyi, kimyasal inertliği ve bozunmaya karşı direnci sağlayabilir. 

Perfloropolieter (PFPE), poliklorotriflorietilen (PCTFE) ve politetrafloroetilen (PTFE) gibi PFAS, yağlayıcılara bu zorlu koşullarda sorunsuz çalışmak için gerekli olan termal stabilite, kimyasal inertlik ve bozunma direnci kazandırabilir. 

Son olarak, bu olağanüstü stabilite, PFAS’ı üretim tesisi altyapısında da önemli bir madde hâline getirmektedir. Kimyasallar, üretim sürecinde yüksek saflık seviyelerini sağlayan su dağıtım sistemleri ile son derece özel tanklar, contalar ve vanalarda sıklıkla kullanılmaktadır. 

Dünyada Gelişen PFAS Mevzuatı Durumu

PFAS, yarı iletken üretiminde hâlâ vazgeçilmez bir işlev görmeye devam ederken—sektör birliği SEMI, şu anda yüzlerce, belki de binlerce özgün kullanım örneği olduğuna işaret etmektedir—bu bileşiklerin kullanımını sınırlayan PFAS düzenlemeleri dünyada hızla artmaktadır. Avrupa Birliği’nde, Kalıcı Organik Kirleticiler (POP’lar) Stockholm Sözleşmesi, perflorooktansülfonik asit (PFOS) ve perflorooktanoik asit (PFOA) dahil olmak üzere çeşitli PFAS üzerinde kısıtlamalar getirmektedir. AB'nin Kimyasalların Kaydı, Değerlendirilmesi, İzni ve Kısıtlanması (REACH) düzenlemesi, çok sayıda PFAS’ı Yüksek Derecede Endişe Veren Maddeler (SVHC) Aday Listesi'ne dâhil etmektedir. 

ABD ise, önemli PFAS düzenlemelerini uygulama konusunda Avrupa’daki muadilleri kadar hızlı davranmamıştır. (Yine de EPA son dönemde kimyasalların kullanımını sınırlamaya ve PFAS kirliliğinden kurumsal şirketleri sorumlu tutmaya yönelik daha proaktif ve kararlı bir strateji benimsemeye başlamıştır.) Ancak bu nispeten yavaş ve kapsamlı değerlendirmelere dayalı (kimi zaman “ağırdan alan” olarak yorumlanan) yaklaşım nedeniyle, ABD eyaletleri PFAS düzenlemelerini kendi inisiyatiflerine almıştır. 

California, Maine, Minnesota ve Washington gibi eyaletler, bu kimyasalların belirli tüketici ürünlerinde kullanımını yasaklayan mevzuatlar geçirmiştir; giderek artan sayıda eyalet ise anahtar PFAS türleri için maksimum kirleticilik seviyelerini (MCL’ler) içeren içme suyu standartları oluşturmuştur. Toplamda, ABD'deki 34 eyalet, bu kimyasalları sınırlandırmayı, kullanım şeffaflığını zorunlu kılmayı ya da araştırma, test ve iyileştirme çalışmaları için finansman ayırmayı amaçlayan çeşitli yasalar sunmuştur. 

Yarı İletken Endüstrisinin Yaygın PFAS Mevzuatına Yanıtı

Giderek genişleyen PFAS mevzuatının kapsamı yarı iletken endüstrisinin de gözünden kaçmamıştır. Son birkaç yılda SEMI ve Semiconductor Industry Association (SIA) gibi sektör birliklerinin yayımladığı kamuya açık açıklamalar, araştırmalar ve diğer materyaller de gösteriyor ki, çip firmaları PFAS’ın çağdaş teknolojinin tam kalbinde ne kadar kritik olduğunu vurgulamakta kararlıdır. “Yarı iletken sektöründe politika yapıcılar, florlu kimyasalların kullanımına yönelik kısıtlamaları getirirken dikkatli hareket etmelidir,” diye belirtiyor SIA Hükümet İlişkileri Başkan Yardımcısı David Isaacs, 2023 tarihli bir yazısında sektör için PFAS’ın vazgeçilmezliğini savunarak: “Yarı iletkenlerin ekonomimiz ve ulusal güvenliğimizdeki kritik rolü göz önüne alındığında, mevcut yarı iletken operasyonlarını veya gelecekteki inovasyonu gereksiz yere sınırlayan politikalardan kaçınmak önemlidir.”

Son birkaç yılda SEMI ve Semiconductor Industry Association (SIA) gibi sektör birliklerinin yayımladığı kamuya açık açıklamalar, araştırmalar ve diğer materyaller de gösteriyor ki, çip firmaları PFAS’ın çağdaş teknolojinin tam kalbinde ne kadar kritik olduğunu vurgulamakta kararlıdır.

EPA'nın 2023’te PFAS için düşük hacimli muafiyetleri (LVE) kaldırma önerisine yanıt olarak SEMI daha da güçlü ve karamsar bir dil benimsedi. Örgüt, bu derece kısıtlayıcı bir tutumun ülke içindeki yarı iletken üretiminde yıkıcı bir etkiye yol açabileceğini belirten bir yorum sundu: “Yarı iletken endüstrisi PFAS’ı, yerine geçebilecek uygun alternatiflerin bulunmadığı uygulamalarda kullanıyor”; LVE’lerin kaldırılması ise nihayetinde “tüm yurt içi yarı iletken operasyonlarının durmasına yol açabilir.”

Bu, artan düzenleyici aksiyon ve PFAS çevresindeki olumsuz kamuoyu algısına karşı sektörün verdiği tepkinin yalnızca küçük bir örneğidir. Bu tür açıklamaların ardında yatan pratik aciliyet oldukça açık: Bu kimyasallar, büyüyen çip endüstrisinden neredeyse ayrılmaz hâle gelmiştir. Üretici firmalar ve onları temsil eden birlikler, karmaşık ama son derece önemli bir mesajda birleşmektedir: PFAS insan sağlığı ve çevre için belirli riskler taşısa da, bu bileşikler toptan yok edilmesi gereken kategorik olarak kötü insan yapımı kimyasal ailesi değildir. Modern toplumun PFAS ile olan ilişkisi çok daha katmanlı ve iç içedir; bu karmaşıklığın özünde ise büyük ölçüde yarı iletken üretimi yer alır. 

PFAS’ın yarı iletken sektöründeki rolünün diğer sektörlerden anlamlı biçimde farklı olduğu da vurgulanmaya değer. Diğer sektörler, formüllerinden bu bileşikleri çıkardıklarında ürünlerinin dayanıklılığından ve kullanım özelliklerinden bir miktar ödün verse de, çoğu ürün sadece geliştirilmiş olur. Ancak, çip üretiminde kısa zincirli PFAS, sürecin ayrılmaz ve temel bir parçasıdır. SEMI'nin ifadeleriyle, LVE’lerin kaldırılması gibi olası kısıtlamalar ABD’deki çip üretim ekosistemi açısından “felaket” olacaktır. 

Çip üretiminde ise, kısa zincirli PFAS sürecin ayrılmaz ve temel bir parçasıdır.