Diese Polymermembranen verzichten auf PFAS

In der Halbleiterindustrie kommen Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen unter anderem in Ätz- und Reinigungsprozessen zum Einsatz, aber beispielsweise auch als Membranen und Gehäuse in Filtern. Forschern des Fraunhofer IAP in Potsdam ist es nun gelungen, für einen Zulieferer der Halbleiterbranche eine PFAS-freie Membran aus konventionellen, spezifisch stabilisierten Polymeren zu entwickeln, die PFAS-Membranen ersetzen kann. Die Membran aus dem Polymer Polyacrylnitril (PAN) zeichnet sich durch eine hohe chemische und mechanische Stabilität aus. Zudem weist sie einen extrem kleinen Porendurchmesser von etwa 7 nm auf. Das ist erforderlich, um partikuläre Verunreinigungen aus der Produktion abzutrennen und die für den Prozess notwendigen Betriebsflüssigkeiten wie Säuren und Lösemittel zu filtrieren und zu recyceln. Die Membran kann anwenderspezifisch angepasst werden, so dass sich das neue Verfahren laut den Aussagen einfach in bestehende Anlagen zur Herstellung der nächsten Chipgeneration integrieren lässt.

„Beim Herstellen von Chips finden unzählige Prozessschritte wie Sägen, Reinigen, und Planarisieren statt, um die Strukturen auf die Wafer aufzubringen. Bei all diesen Operationen fallen partikuläre Verunreinigungen an, die bei jedem Prozess abgetrennt werden müssen, da sie sonst die Herstellung der nanometergroßen Strukturen schädigen würden“, erklärt Dr. Murat Tutus, Ingenieur am Fraunhofer IAP und Leiter der Abteilung „Membranen und funktionale Folien“. Dem Team um Tutus ist es gelungen, eine chemisch und mechanisch hochstabile Membran aus konventionellem Polymer zu realisieren, die Partikel mit einer Porengröße von 7 nm heraussieben kann. Zum Vergleich: In der Medizintechnik werden zur sterilen Filtration Filter im Größenbereich von 220 nm verwendet. „Das Polymer konnten wir durch eine weitere, von uns patentierte Komponente chemisch modifizieren und auch für harsche Prozessbedingungen stabilisieren“, sagt der Forscher.

Zudem standen die Forscher vor der Aufgabe, eine Verteilung der Porengröße zu erzielen, die nur geringfügig von den 7 nm abweichen sollte. Darüber hinaus sollte die Membran hoch durchlässig sein. „Das Maß der Durchlässigkeit definiert die Anzahl der Poren auf der Oberfläche. Je kleiner die Poren sind, desto geringer fällt die Durchlässigkeit aus. Daher mussten wir im zweiten Schritt bei konstanter Porengröße die Anzahl der Poren erhöhen, um so die Permeabilität zu steigern“, erläutert Tutus.

Die Membran lässt sich auf die jeweilige Anwendung anpassen. Der Vorteil hierbei: Bestehende Anlagen lassen sich weiter nutzen, Mitarbeiter müssen nicht fortgebildet werden. Großes Potenzial für ihre Entwicklungen sehen Tutus und sein Team vor allem in der pharmazeutischen und der chemischen Industrie, wo ebenfalls mit aggressiven Lösemitteln gearbeitet wird. Bei der Herstellung der Membran selbst werden nachhaltige, REACH-konforme (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) Lösemittel verwendet, der komplette Produktionsprozess ist bei niedrigen Temperaturen nachhaltig gestaltet. Die Membran wird im NIPS-Verfahren, kurz für nicht-lösungsmittelinduzierte Phasentrennung, erzeugt, wobei die Forscher auch die Morphologie, also die Druckstabilität der Membran, anpassen können.

Quelle: Fraunhofer IAP