Reduktion von PFAS in der Mikroelektronik

Die Gruppe der PFAS - Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen - ist groß. Es handelt sich dabei um organische Verbindungen, bei denen die Wasserstoffatome vollständig („perfluoriert“) oder teilweise („polyfluoriert“) durch Fluoratome ersetzt sind. PFAS haben wasser- und fettabweisende Eigeschaften und sind sehr stabil und langlebig. Daher sind sie in vielen Industriebereichen und auch im Haushalt weitverbreitet. Auch in der Mikroelektronikproduktion kommen PFAS zum Einsatz, hier zum Beispiel also Antisticktion-Oberfläche auf Chips oder zur Hydrophobierung der Chipoberfläche.

Der Nachteil: viele PFAS sind als toxisch eingestuft. Wenn sie einmal in die Umwelt gelangt sind, können sie kaum oder nur sehr schwer entfernt werden. Es müssen also Lösungen gefunden werden.

Einer Regulation von PFAS durch die EU kann beispielsweise durch Umrüstung bestehender Anlagen begegnet werden. Ein anderer Weg ist der Ersatz durch Chloralkane OHNE Fluor auf Chip- und Waferlevel.

Am Fraunhofer IPMS forschen wir an: 

• Entwicklung von Prozessen mit unbedenklichen Stoffen als Ersatz für z.B. PFAS
• Bewertung von Prozessen und Anlagen zur Vermeidung des Austritts von PFAS
• Einsatz  neuer weniger umweltschädlicher Materialien ohne Produktqualitätseinbußen 
• Verifikation durch Analytik z.B. Bestimmung der Hydrophilie
• Chancenbewertung über Langzeitfolgen alterativer Materialien 

Ein zentrales Problem bei MEMS-Bauelementen, die an der Luft betrieben werden, ist die Oxidation und Feuchtigkeitsaufnahme der aktiven Teile. Um dies zu kontrollieren, wird häufig PTFE (Teflon) als wasserabweisende Schicht verwendet. 

Zur Reduzierung oder zum Ersatz umweltschädlicher Materialien in mikroelektronischen Prozessen untersucht das Fraunhofer IPMS, ob das bisher verwendete PTFE durch FDTS ersetzt werden kann, ohne die Leistung von Ultraschall-Bauelementen (Capacitive Micro-machined Ultrasound Transducers, CMUT) zu beeinträchtigen.

Ein wichtiges Kriterium für CMUTs ist die Resonanzfrequenz und die Pull-in-Spannungen, die von den mechanischen Eigenschaften der schwingenden CMUT-Platte abhängen. Der Wechsel von PTFE zu FDTS beeinflusst diese Eigenschaften, was genau untersucht wurde.

PFAS-Ersatz für Ultraschall-Sensoren

Das Fraunhofer IPMS stellt verschiedene CMUT-Versionen her, die je nach Anwendung unterschiedliche Merkmale aufweisen. Eine dieser Anwendungen sind luftgekoppelte CMUTs. In diesem Design hat die schwingende CMUT-Platte Löcher, um durch die Luft in der Kavität eine zusätzliche Dämpfung zu erreichen und damit die Resonanzfrequenz zu senken. Niedrigere Frequenzen führen zu einer besseren Signalübertragung und einer höheren Reichweite.

Das direkt abgeschiedene PTFE mit einer Dicke von 100 nm wurde durch ein ALD-prozessiertes FDTS mit nur wenigen Nanometern ersetzt. Dadurch konnte eine gleichmäßige Beschichtung der CMUTs erzielt werden. Das vorherige PTFE hatte die schwingende Masse erhöht und die Frequenz gesenkt. Diese Frequenzverschiebung musste untersucht und angepasst werden. Es liegen ausreichend statistische Messdaten für die Ultraschallkomponenten mit PTFE und FDTS vor. Die Resonanzfrequenz steigt durch den Austausch von PTFE auf FDTS um 4,4 % bis 7,8 %, abhängig von der Designvariante. Diese Verschiebung ist in den Wafermaps, die die charakterisierten CMUTs zeigen, dargestellt. Links sind die Resonanzfrequenzen mit PTFE und rechts mit FDTS abgebildet. Es wurden drei verschiedene Designs prozessiert, die eindeutig höhere Frequenzen zeigen.

Die erwartete Verschiebung kann durch den Einsatz alternativer Materialien auf ähnliche Designs übertragen werden. FDTS wird mittels Atomic Layer Deposition in einer MVD300-Anlage der Firma SPTS abgeschieden. Die Designkorrekturen konnten bereits in mehreren Entwicklungsprojekten für Industriekunden erfolgreich umgesetzt werden. Größere Materialänderungen erfordern Anpassungen im Prozess, die die Funktion der CMUTs beeinflussen können. Diese Änderungen können jedoch durch Anpassung anderer Designparameter ausgeglichen werden.

Ergebnis

Durch diese Maßnahmen konnte der Einsatz von PFAS-Materialien signifikant reduziert werden, ohne die Funktion der Bauteile zu beeinträchtigen. Aktuell wird untersucht, welche Materialien als Ersatz für FDTS dienen können, um CMUTs vollständig ohne PFAS zu fertigen. Diese Erkenntnisse konnten erfolgreich auf weitere MEMS-Technologien am Fraunhofer IPMS übertragen werden.