Membranes polymères sans PFAS pour le traitement des semi-conducteurs

Production de membranes avec des solvants conformes à REACH

04.06.2024

En raison de leur stabilité et de leur résistance à l'eau et aux graisses, les produits chimiques PFAS (abréviation de per- et polyfluoroalkyle) sont utilisés dans un grand nombre d'industries, mais ils sont nocifs pour la santé et l'environnement. Les membranes contenant des PFAS sont utilisées dans de nombreux processus de fabrication de semi-conducteurs, par exemple. Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la recherche appliquée sur les polymères (IAP) ont mis au point une alternative durable sous la forme d'une membrane innovante sans PFAS. La membrane polymère chimiquement stable et hautement perméable a un diamètre de pore d'environ sept nanomètres et permet de filtrer les contaminants particulaires les plus petits. La membrane peut être personnalisée pour répondre à des besoins spécifiques, ce qui facilite l'intégration du nouveau procédé dans les systèmes existants.

Les produits chimiques PFAS sont toxiques. Ils contaminent de manière persistante l'eau et le sol et s'accumulent chez l'homme et l'animal par l'intermédiaire des aliments et des produits de consommation. L'Agence européenne des produits chimiques (ECHA) a donc publié en février 2023 une proposition visant à interdire la production, l'utilisation et la distribution (y compris l'importation) des PFAS dans l'espace économique européen. L'industrie des semi-conducteurs considère la menace d'une interdiction des PFAS comme une question cruciale, car ces produits chimiques sont utilisés comme membranes et boîtiers dans les filtres, ainsi que dans des processus tels que la gravure et le nettoyage. Selon de nombreux fabricants, il n'existe pas d'alternative viable aux produits chimiques per- et polyfluoroalkyles à longue durée de vie, et leur interdiction rendrait impossible la production de la plupart des produits semi-conducteurs. Toutefois, des chercheurs du Fraunhofer IAP de Potsdam ont réussi à mettre au point une membrane sans PFAS pour un fournisseur de l'industrie des semi-conducteurs. Cette membrane est basée sur des polymères conventionnels, spécifiquement stabilisés, qui pourraient remplacer les membranes PFAS. La membrane en polymère polyacrylonitrile (PAN) offre une grande stabilité chimique et mécanique. Elle présente également un diamètre de pore extrêmement faible, de l'ordre de sept nanomètres. Cette caractéristique est nécessaire pour séparer les impuretés particulaires de la production et pour filtrer et recycler les fluides nécessaires au processus, tels que les acides et les solvants. La membrane peut être personnalisée pour répondre à des besoins spécifiques, ce qui facilite l'intégration du nouveau procédé dans les systèmes existants pour la fabrication de la prochaine génération de puces.

Les impuretés et les contaminants doivent être évités

"La fabrication de puces comporte de nombreuses étapes, telles que la découpe, le nettoyage et la planarisation pour appliquer les structures sur la plaquette. Toutes ces opérations produisent des contaminants particulaires qui doivent être séparés à chaque processus, faute de quoi ils entraveraient la création de structures de taille nanométrique", explique le Dr Murat Tutus, ingénieur au Fraunhofer IAP et chef du département "Membranes et films fonctionnels". Murat Tutus et son équipe ont réussi à créer une membrane chimiquement et mécaniquement très stable en polymère conventionnel, capable de filtrer des particules dont la taille des pores n'est que de sept nanomètres. À titre de comparaison : Dans le domaine médical, on utilise des filtres d'une taille de pore de 220 nanomètres pour la filtration stérile. "Nous avons pu utiliser un autre composant que nous avons breveté pour modifier chimiquement le polymère et le stabiliser également pour les environnements difficiles", explique le chercheur.

Les chercheurs ont également été chargés d'obtenir une distribution de la taille des pores qui ne s'écarte que de façon négligeable des sept nanomètres. En outre, la membrane devait être hautement perméable. "Le degré de perméabilité est défini par le nombre de pores à la surface. Plus les pores sont petits, plus la perméabilité est faible. Pour augmenter la perméabilité, nous avons donc dû augmenter le nombre de pores dans une deuxième étape, tout en maintenant la taille des pores constante", explique M. Tutus.

Production de membranes avec des solvants conformes à REACH

La taille des pores et la perméabilité de la membrane pouvant être adaptées à des besoins spécifiques, il sera facile de l'adapter à diverses applications dans d'autres industries. En outre, la personnalisation de la membrane signifie que les systèmes existants peuvent continuer à être utilisés et qu'aucune formation du personnel n'est nécessaire. Le Dr Tutus et son équipe voient un grand potentiel pour leurs développements dans les industries pharmaceutiques et chimiques, qui utilisent également des solvants agressifs. La production de la membrane elle-même utilise des solvants conformes à REACH (enregistrement, évaluation, autorisation et restriction des produits chimiques) et des températures basses tout au long du processus, ce qui en fait un processus durable. La membrane est fabriquée à l'aide d'un procédé NIPS (séparation de phase induite par un non-solvant), qui permet également aux chercheurs de personnaliser la morphologie ou la stabilité à la pression de la membrane.

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