Membranas poliméricas sin PFAS para el procesamiento de semiconductores

Producción de membranas con disolventes que cumplen la normativa REACH

04.06.2024

Debido a su estabilidad y resistencia al agua y la grasa, las sustancias químicas PFAS (abreviatura de per- y polifluoroalquilos) se utilizan en una amplia gama de industrias, pero son perjudiciales para la salud y el medio ambiente. Las membranas que contienen PFAS se utilizan, por ejemplo, en muchos procesos de fabricación de semiconductores. Investigadores del Instituto Fraunhofer de Investigación Aplicada de Polímeros (IAP) han desarrollado una alternativa sostenible en forma de una innovadora membrana sin PFAS. La membrana polimérica, químicamente estable y altamente permeable, tiene un diámetro de poro de unos siete nanómetros y permite filtrar las partículas contaminantes más pequeñas. La membrana puede personalizarse para satisfacer necesidades específicas, lo que facilita la integración del nuevo proceso en los sistemas existentes.

Las sustancias químicas PFAS son tóxicas. Contaminan el agua y el suelo de forma persistente y se acumulan en los seres humanos y los animales a través de los alimentos y los productos de consumo. Por ello, la Agencia Europea de Sustancias y Preparados Químicos (ECHA) publicó en febrero de 2023 una propuesta que prohibiría la producción, uso y distribución (incluida la importación) de PFAS en el espacio económico europeo. La industria de los semiconductores considera que la amenaza de una prohibición de los PFAS es una cuestión crítica porque estos productos químicos se utilizan como membranas y carcasas en filtros, así como en procesos como el grabado y la limpieza. Según numerosos fabricantes, no existe ninguna alternativa viable a las sustancias químicas perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas de larga duración, y su prohibición imposibilitaría la producción de la mayoría de los productos semiconductores. Sin embargo, investigadores del Fraunhofer IAP de Potsdam han desarrollado con éxito una membrana sin PFAS para un proveedor de la industria de semiconductores. Esta membrana se basa en polímeros convencionales específicamente estabilizados, que podrían sustituir a las membranas PFAS. La membrana de polímero poliacrilonitrilo (PAN) ofrece una gran estabilidad química y mecánica. También tiene un diámetro de poro extremadamente pequeño, de unos siete nanómetros. Esto es necesario para separar las impurezas en partículas de la producción y para filtrar y reciclar los fluidos necesarios para el proceso, como ácidos y disolventes. La membrana puede personalizarse para satisfacer necesidades específicas, lo que facilita la integración del nuevo proceso en los sistemas existentes para fabricar la próxima generación de chips.

Hay que evitar las impurezas y los contaminantes

"La fabricación de chips implica numerosos pasos del proceso, como el corte, la limpieza y la planarización para aplicar las estructuras a la oblea. Todas estas operaciones producen partículas contaminantes que deben separarse en cada proceso, ya que de lo contrario interferirían en la creación de estructuras de tamaño nanométrico", explica el Dr. Murat Tutus, ingeniero del Fraunhofer IAP y jefe del departamento de "Membranas y películas funcionales". Murat Tutus y su equipo han conseguido crear una membrana química y mecánicamente muy estable hecha de polímero convencional, que puede filtrar partículas con un tamaño de poro de sólo siete nanómetros. A modo de comparación: En ingeniería médica, para la filtración estéril se utilizan filtros con un tamaño de poro de 220 nanómetros. "Pudimos utilizar otro componente patentado por nosotros para modificar químicamente el polímero y estabilizarlo también para entornos agresivos", afirma el investigador.

Los investigadores también tenían la tarea de lograr una distribución del tamaño de los poros que se desviara sólo de forma insignificante de los siete nanómetros. Además, la membrana debía ser altamente permeable. "El grado de permeabilidad viene definido por el número de poros de la superficie. Cuanto más pequeños son los poros, menor es la permeabilidad. Para aumentar la permeabilidad, tuvimos que aumentar el número de poros en un segundo paso manteniendo constante el tamaño de los poros", explica Tutus.

Producción de membranas con disolventes que cumplen la normativa REACH

Dado que el tamaño de los poros y la permeabilidad de la membrana pueden adaptarse a necesidades específicas, será fácil adaptarla a diversas aplicaciones en otras industrias. Como ventaja añadida, la personalización de la membrana permite seguir utilizando los sistemas existentes y no es necesario formar al personal. El Dr. Tutus y su equipo ven un gran potencial para sus desarrollos en las industrias farmacéutica y química, que también utilizan disolventes agresivos. En la propia producción de la membrana se utilizan disolventes que cumplen la normativa REACH (Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Sustancias Químicas) y bajas temperaturas en todo el proceso, lo que lo convierte en un proceso globalmente sostenible. La membrana se fabrica mediante un proceso NIPS (separación de fases no inducida por disolventes), que también permite a los investigadores personalizar la morfología, o la estabilidad a la presión, de la membrana.

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