Vai trò của PFAS trong sản xuất bán dẫn

Tổng quan về PFAS

Các hợp chất ankyl per- và polyfluor hóa—thường được biết đến với tên PFAS—là một nhóm khoảng 15.000 hóa chất tổng hợp được phát triển vào những năm 1940 và 1950 bởi các tập đoàn sản xuất lớn như 3M và DuPont. Trong những thập kỷ sau khi được đưa ra thị trường, PFAS đã trở nên phổ biến trong nhiều mặt hàng tiêu dùng thiết yếu từ may mặc, đồ nội thất đến dụng cụ nấu ăn và bao bì thực phẩm. Điều này là nhờ các tính chất ưu việt như chống nước, chống bám bẩn, chống dầu mỡ, và nhiều đặc tính khác. 

Ứng dụng PFAS trong ngành điện tử

PFAS cũng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất linh kiện điện tử, có mặt trong các sản phẩm như cáp điện tử, linh kiện máy tính, vật liệu cách điện, thiết bị y tế, gioăng làm kín, ống dẫn, và nhiều hơn nữa. Do đó, PFAS có thể được phát hiện trong nhiều loại sản phẩm điện tử, bao gồm:  

• PCBAs
• Laminates PCB
• Ổ cứng máy tính
• Linh kiện bán dẫn
• Băng keo PTFE

Đọc thêm: PFAS nằm ở đâu trong chuỗi cung ứng điện tử của bạn?

Lý do PFAS bất ngờ bị lên án

Các nghiên cứu trong 25 năm qua, kết hợp với gần 80 năm kinh nghiệm sử dụng các hợp chất này, đã chứng minh rằng PFAS là các hóa chất nguy hiểm. Nhiều loại trong số đó có khả năng tích lũy sinh học, độc hại đối với con người và động vật, và có thể tồn tại trong môi trường hàng thập kỷ, thậm chí hàng thế kỷ. Khi các bằng chứng chống lại PFAS ngày càng gia tăng, một đồng thuận xã hội ngày càng rõ rệt: cần giảm thiểu đáng kể việc sử dụng PFAS để bảo vệ sức khỏe con người và động vật hoang dã. 

PFAS: Một ác nhân bắt buộc?

Tuy nhận thức của công chúng về các ngành sử dụng “hóa chất vĩnh cửu” này đang tăng nhanh, lĩnh vực sản xuất linh kiện bán dẫn lại thường bị bỏ qua trong các cuộc thảo luận về PFAS và nhu cầu ngừng sử dụng chúng. 

PFAS đã lâu đóng vai trò không thể thiếu trong sản xuất chip và các quy trình tinh vi trong ngành bán dẫn. Những hóa chất này rất quan trọng trong nhiều khâu sản xuất cụ thể, là thành phần then chốt trong vật liệu đóng gói, và có nhiều ứng dụng thiết yếu trong thiết bị sản xuất bán dẫn và hạ tầng nhà máy. Nếu không có PFAS, các nhà sản xuất bán dẫn sẽ khó đáp ứng sản lượng hiện tại. Hơn nữa, năng lực tiếp tục sản xuất các loại chip chất lượng cao, tiên tiến nhất có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng. 

Nói cách khác, PFAS phần nào đã trở thành “ác nhân cần thiết” trong ngành bán dẫn vốn đóng vai trò sống còn. Trong những năm tới, các chính phủ, cơ quan quản lý và cộng đồng sẽ phải đối mặt với một vấn đề cực kỳ phức tạp: Làm sao để hạn chế PFAS trong một ngành vốn cần các hợp chất này để sản xuất phần cứng công nghệ quan trọng nhất thời đại? 

Làm sao để hạn chế PFAS trong một ngành vốn cần các hợp chất này để sản xuất phần cứng công nghệ quan trọng nhất thời đại? 

PFAS trong sản xuất bán dẫn 

Các công ty bán dẫn đã thực hiện một số bước quan trọng trong những năm gần đây để loại bỏ các PFAS đáng lo ngại nhất khỏi phòng sạch, nhà máy và xưởng đóng gói. Họ đã thành công chấm dứt sử dụng PFOA và đang tiếp tục loại bỏ các PFAS chuỗi dài khác khỏi quy trình sản xuất chip. Tuy nhiên, ngành vẫn còn phụ thuộc nhiều vào PFAS chuỗi ngắn—các hợp chất với chuỗi carbon ngắn hơn, thường từ bảy nguyên tử carbon trở xuống mỗi phân tử.

Ngành dịch chuyển sang PFAS chuỗi ngắn

Quyết định của ngành bán dẫn chuyển sang PFAS chuỗi ngắn không diễn ra trong khoảng không. Nhiều ngành công nghiệp khác cũng đang thay thế “PFAS truyền thống”—tức các hợp chất chuỗi dài—bằng các phiên bản chuỗi ngắn hơn. Điều này dựa trên lý thuyết rằng chuỗi carbon ngắn giúp rút ngắn chu kỳ bán rã và giảm khả năng tích lũy sinh học, từ đó hạn chế tồn dư hóa chất trong môi trường và giảm độc tính đối với con người, động vật. Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có bằng chứng rõ ràng cho thấy PFAS chuỗi ngắn thực sự ít độc hại hơn các hợp chất đi trước. 

Thời điểm hiện tại, PFAS chuỗi ngắn vẫn là thành phần không thể thay thế trong ngành. SEMI, một trong các hiệp hội lớn của các nhà sản xuất chip và các doanh nghiệp trong hệ sinh thái vi xử lý, gần đây đã đưa ra tuyên bố về vai trò của PFAS trong sản xuất bán dẫn. Hiệp hội này giải thích rằng nhóm hóa chất gây tranh cãi này được sử dụng trong “sản xuất bán dẫn, thiết bị sản xuất bán dẫn, toàn bộ chuỗi cung ứng ngành bán dẫn, và công nghệ nói chung.” Tuyên bố khẳng định các loại chip bán dẫn và các thiết bị tương tự “không thể sản xuất nếu PFAS không sẵn sàng tại nhiều điểm trong chuỗi cung ứng.”

Hiệp hội cho biết PFAS được sử dụng trong “sản xuất bán dẫn, thiết bị sản xuất bán dẫn, toàn bộ chuỗi cung ứng ngành bán dẫn, và công nghệ nói chung.

PFAS trong quy trình quang khắc 

Quy trình quang khắc là một giai đoạn quan trọng trong sản xuất bán dẫn. Ở bước này, lớp quang trở được phủ lên tấm wafer silicon, sau đó các hoa văn hình học phức tạp trên mặt nạ được chuyển lên wafer bằng tia cực tím (UV), phối hợp với lớp quang trở. PFAS thường được sử dụng trong quang trở nhằm tăng độ bám dính, bền và ổn định nhiệt. 

Các hợp chất hóa học này đặc biệt quan trọng đối với công thức quang trở dùng cho quang khắc UV sâu (DUV), kỹ thuật cốt lõi để sản xuất dòng chip tiên tiến. Theo Semiconductor PFAS Consortium, nhóm các bên liên quan trong ngành hướng đến xây dựng chiến lược toàn diện về quản lý PFAS, các nhà máy hiện đang sử dụng PFAS nhằm khai thác “những đặc tính then chốt như khả năng phủ đều bề mặt, bóc sạch quang trở mà không gây lỗi, cải thiện độ gồ ghề viền và giảm sụp cạnh.”

PFAS cũng được dùng làm chất hoạt động bề mặt trong dung dịch rửa loại bỏ quang trở khỏi wafer. Nhờ vậy, hóa chất này giúp giảm sức căng bề mặt và hạn chế sụp mẫu. 

PFAS cũng được dùng làm chất hoạt động bề mặt trong dung dịch rửa loại bỏ quang trở khỏi wafer. Nhờ vậy, hóa chất này giúp giảm sức căng bề mặt và hạn chế sụp mẫu. 

PFAS trong vật liệu đóng gói

Bên cạnh vai trò trong sản xuất chip, PFAS còn là thành phần giá trị ở các giai đoạn phía sau như đóng gói. Đặc tính ổn định nhiệt và hóa học, năng lượng bề mặt thấp, khả năng hút ẩm kém, và hằng số điện môi thấp (giúp giảm tổn thất điện) đều là các thuộc tính hữu ích cho vật liệu tham gia quy trình đóng gói phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao. 

Chất nền đóng gói phải đáp ứng nhiều tiêu chuẩn quan trọng để đảm nhận các chức năng cơ học, nhiệt và điện cần thiết cho linh kiện bán dẫn. Điều này bao gồm các thuộc tính đã nêu—như ổn định nhiệt, hóa học, hút ẩm thấp, hằng số điện môi thấp—cùng với khả năng không cháy. PFAS có đầy đủ các đặc tính này, khiến chúng trở thành thành phần thiết yếu trong công thức vật liệu nền. Polyme fluor hóa (một loại PFAS) còn dùng trong chế tạo lõi chất nền để tạo hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp, giúp đóng gói ổn định về hình dạng khi thay đổi nhiệt độ. 

PFAS cũng đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong công thức keo dán cho quá trình đóng gói. Ví dụ, trong giai đoạn gắn chết, cần một keo dán mạnh để gắn chip silicon lên chất nền và khung đóng gói. Do nhiều linh kiện bán dẫn hoạt động ở môi trường cơ học có nhiệt độ cực cao, keo dán này cần có hệ số dẫn nhiệt lớn, CTE thấp và khả năng chịu mỏi nhiệt khi nhiệt độ dao động liên tục. Polyme fluor hóa đáp ứng toàn bộ các yêu cầu này. Theo Viện Hàn lâm Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ, loại polyme này “lý tưởng trong việc đảm bảo hệ số dẫn nhiệt cao, CTE thấp và chống mỏi nhiệt vượt trội.”

PFAS cũng đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong công thức keo dán cho quá trình đóng gói.

PFAS trong thiết bị sản xuất bán dẫn, bôi trơn, và hạ tầng nhà xưởng 

PFAS đóng vai trò then chốt trong các thiết bị sản xuất tinh vi, chuyên dụng dùng cho chế tạo chip. Độ trơ hóa học của chúng, cùng các đặc tính ưu việt khác, giúp nâng cao giá trị vật liệu cho các thành phần như ống dẫn, thùng chứa, gioăng làm kín trong thiết bị sản xuất. 

Nhiều loại PFAS còn được ứng dụng trong dầu bôi trơn cho thiết bị chế tạo và xử lý bán dẫn. Để đáp ứng sản lượng lớn cho hiệu quả kinh tế, dầu bôi trơn cần có hiệu suất cực cao, bền vững trong môi trường khắc nghiệt và các hóa chất mạnh thường gặp tại nhà máy sản xuất. 

Môi trường phòng sạch sản xuất bán dẫn giống như “chiến trường hóa học” với sự hiện diện của các chất ăn mòn như axit sulfuric, hydro peroxid, hydroxide tetramethylammonium, khí phản ứng như clo và flo ion hóa, cùng nhiều khí dễ cháy với điều kiện nhiệt độ thích hợp. Dầu bôi trơn thiết bị phải kháng toàn bộ tác nhân này và duy trì hiệu suất vượt trội qua phổ hóa chất/phổ nhiệt rộng. PFAS như perfluoropolyether (PFPE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) và polytetrafluoroethylene (PTFE) giúp dầu bôi trơn tăng độ bền nhiệt, trơ hóa học và khả năng chống phân hủy, đảm bảo vận hành liên tục trong các điều kiện khắc nghiệt. 

PFAS như perfluoropolyether (PFPE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) và polytetrafluoroethylene (PTFE) giúp dầu bôi trơn tăng độ bền nhiệt, trơ hóa học và khả năng chống phân hủy, đảm bảo vận hành liên tục trong các điều kiện khắc nghiệt. 

Cuối cùng, chính sự ổn định đặc biệt này cũng khiến PFAS trở nên quan trọng với hạ tầng xưởng sản xuất. Những hóa chất này thường được dùng trong hệ thống phân phối nước, các bể chứa, gioăng làm kín và van chuyên dụng để bảo đảm độ tinh khiết tuyệt đối trong quy trình sản xuất. 

Xu hướng điều chỉnh quy định về PFAS trên toàn cầu

Dù PFAS tiếp tục giữ vai trò không thể thay thế trong sản xuất bán dẫn—hiệp hội ngành SEMI ước tính hiện có hàng trăm, thậm chí hàng nghìn ứng dụng cụ thể—hệ thống quy định nhằm hạn chế PFAS đang phát triển nhanh chóng. Tại Liên minh Châu Âu, Công ước Stockholm về Các chất hữu cơ khó phân hủy (POPs) áp đặt hạn chế đối với một số PFAS, bao gồm acid perfluorooctane sulfonic (PFOS) và acid perfluorooctanoic (PFOA). Quy định Đăng ký, đánh giá, cấp phép và hạn chế hóa chất (REACH) của EU cũng liệt kê nhiều PFAS vào Danh sách Ứng viên SVHC (chất có nguy cơ cao). 

Mỹ chưa mạnh tay như EU trong hoạch định quy định về PFAS. (Tuy nhiên, EPA bắt đầu có chính sách chủ động, quyết liệt hơn để giới hạn PFAS và quy trách nhiệm doanh nghiệp về ô nhiễm PFAS.) Điều này dẫn tới cách tiếp cận mang tính cân nhắc—thậm chí bị coi là chậm chạp—ở cấp liên bang, khiến nhiều bang tại Mỹ đã tự xây dựng các quy định riêng về PFAS. 

California, Maine, Minnesota và Washington đều đã ban hành luật cấm PFAS trong từng nhóm sản phẩm tiêu dùng, đồng thời ngày càng nhiều bang đặt tiêu chuẩn nước uống với mức giới hạn tối đa (MCLs) cho các PFAS chủ chốt. Tính đến nay, 34 tiểu bang Mỹ đã giới thiệu một số dạng luật nhắm tới kiểm soát PFAS, tăng cường minh bạch về sử dụng hóa chất này hoặc phân bổ ngân sách cho nghiên cứu, kiểm tra, và xử lý ô nhiễm. 

Ngành bán dẫn ứng phó trước xu hướng siết chặt quy định PFAS

Bức tranh tổng thể về sự gia tăng siết chặt quy định PFAS không ngoài tầm nhìn của ngành bán dẫn. Các thông cáo, bài nghiên cứu và tài liệu công khai từ các hiệp hội ngành như SEMI và Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn (SIA) trong vài năm gần đây cho thấy các doanh nghiệp chip đang nỗ lực nhấn mạnh tầm quan trọng sống còn của PFAS đối với công nghệ hiện đại. “Các nhà hoạch định chính sách nên thận trọng khi đặt ra hạn chế với hóa chất fluor hóa trong lĩnh vực bán dẫn,” Phó chủ tịch phụ trách vận động chính sách của SIA, ông David Isaacs, viết trong một bài đăng năm 2023 bảo vệ sử dụng thiết yếu PFAS trong ngành. “Với vai trò chủ đạo của bán dẫn trong kinh tế và an ninh quốc gia, cần tránh chính sách làm hạn chế hoạt động sản xuất chip hoặc cản trở đổi mới trong tương lai.”

Các thông cáo, bài nghiên cứu và tài liệu công khai từ các hiệp hội ngành như SEMI và Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn (SIA) trong vài năm gần đây cho thấy các doanh nghiệp chip đang nỗ lực nhấn mạnh tầm quan trọng sống còn của PFAS đối với công nghệ hiện đại.

Trước đề xuất của EPA năm 2023 về việc thu hồi miễn trừ sản lượng nhỏ (LVE) cho PFAS, SEMI còn thể hiện lập trường mạnh mẽ hơn khi gửi ý kiến phản hồi, khẳng định rằng biện pháp hạn chế sẽ kéo theo hậu quả nghiêm trọng cho sản xuất bán dẫn trong nước. “Ngành sản xuất bán dẫn sử dụng PFAS cho các ứng dụng then chốt với rất ít lựa chọn thay thế,” SEMI nhấn mạnh, việc thu hồi LVE “có thể dẫn tới ngừng hoạt động hoàn toàn ngành chip nội địa.”

Đó chỉ là một phần nhỏ sự phản hồi mạnh mẽ của ngành trước xu hướng siết chặt quản lý, cũng như làn sóng ý kiến tiêu cực đối với PFAS đang định hình trên toàn cầu. Sự cấp thiết trong các thông điệp này rất rõ ràng: PFAS gần như không thể tách rời khỏi ngành công nghiệp chip đang bùng nổ. Các doanh nghiệp và hiệp hội đại diện đang đồng thuận với thông điệp vừa phức tạp vừa quan trọng: PFAS có thể mang lại rủi ro cho sức khỏe và môi trường, nhưng không phải là “ác nhân tuyệt đối” cần loại bỏ hoàn toàn. Mối quan hệ của xã hội hiện đại với PFAS vừa đan xen vừa phức tạp—trọng tâm của sự phức tạp đó chính là ngành sản xuất bán dẫn. 

Cũng cần nhấn mạnh rằng vai trò của PFAS trong ngành bán dẫn rất khác biệt so với các lĩnh vực khác. Các ngành khác khi bị loại bỏ PFAS có thể giảm độ bền, chức năng sản phẩm, bởi PFAS chỉ giúp tăng cường đặc tính. Ngược lại, trong sản xuất chip, PFAS chuỗi ngắn là phần không thể thiếu và góp phần tạo nên chính quá trình này. Theo SEMI, những hạn chế như thu hồi LVE sẽ là “thảm họa” với hệ sinh thái sản xuất chip ở Mỹ. 

Ngược lại, trong sản xuất chip, PFAS chuỗi ngắn là phần không thể thiếu và góp phần tạo nên chính quá trình này.