Halbleiterfertigung Warum ultrakurzkettige PFAS zur neuen Problemklasse werden

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Während sich lange auf langkettige PFAS wie PFOA oder PFOS konzentriert wurde, rücken zunehmend kurz- und ultrakurzkettige Verbindungen in den Fokus der Regulatoren. Die sind kleiner, hochwasserlöslich und überaus mobil – und in der Halbleiterei bislang unersetzlich. Oxyle versucht, Produzenten effizient zu helfen.

Die Bezeichnungen der per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen haben Sie vermutlich bereits gehört, mindestens in der Kurzform PFAS. Langkettige PFAS wie PFOA erlangten vor allem in den 2000er-Jahren durch den rechtlichen Streit gegen den Chemiekonzern Dupont Bekanntheit, der Anhaltspunkte für die Karzinogenität dieser Stoffe unterschlagen hat, die etwa in Produkten der Marke Teflon verwendet wurden. PFOA wurde über Jahrzehnte zur Teflon-Herstellung eingesetzt. Die Substanz ist weltbekannt, weil sie in Blutproben rund um den Globus nachgewiesen wurde, sogar in abgelegenen Polarregionen.

Davon abgesehen sind PFAS aus der modernen Industrie kaum wegzudenken. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo Materialien extremen Bedingungen standhalten müssen, sei es als Antihaftbeschichtung, Feuerlöschschaum oder als Hightech-Reiniger. Auch in der Halbleiterindustrie sind sie unverzichtbar, etwa für Ätz- und Reinigungsprozesse in Reinräumen oder als Bestandteil von Spezialchemikalien für die Lithografie.

Doch ihr Nutzen hat eine Kehrseite: Viele PFAS sind außerordentlich langlebig in der Umwelt, gesundheitlich bedenklich und schwer abbaubar.

Was sind PFAS – und warum sind sie ein Problem?

PFAS ist der Sammelbegriff für mehrere Tausend synthetische Substanzen, die alle eine oder mehrere fluorierte Kohlenstoffketten enthalten. Diese Fluor-Kohlenstoff-Bindungen gehören zu den stabilsten überhaupt. Diese Eigenschaft macht PFAS so nützlich, gleichzeitig aber auch so persistent. Die wichtigsten Unterschiede liegen in der Kettenlänge der Moleküle:

• Langkettige PFAS (z. B. PFOA, PFOS) bestehen aus acht oder mehr Kohlenstoffatomen. Sie sind besonders langlebig und stehen wegen ihrer Toxizität und Bioakkumulation im Fokus zahlreicher Studien. Diese Stoffe wurden bereits in Menschen, Tieren und weit entfernten Ökosystemen nachgewiesen. Entsprechend wurden sie in der EU und vielen anderen Regionen weitgehend verboten oder stark reguliert. Es gibt auch sehr langkettige PFAS (C10+), doch diese sind derzeit für die Wasserproblematik weniger relevant.

• Kurzkettige PFAS (z. B. PFBA, PFBS) haben vier bis sieben Kohlenstoffatome. Sie gelten als weniger bioakkumulierend, sind aber dafür besonders mobil im Wasserkreislauf, was ihre Rückgewinnung und Reinigung schwierig macht. Sie geraten zunehmend ins Visier der Regulierungsbehörden.

• Ultrakurzkettige PFAS wie Trifluoressigsäure (TFA, 2 C-Atome) oder Perfluormethansulfonsäure (PFMS, 1 C-Atom) sind in der Umwelt nahezu allgegenwärtig, aber lange unter dem Radar geblieben. Ihre extreme Mobilität, Wasserlöslichkeit und Stabilität machen sie besonders schwer kontrollierbar. Selbst moderne Filtertechnologien stoßen hier an Grenzen.

PFAS in der Halbleiterindustrie – notwendig oder verzichtbar?

In der hochreinen Welt der Halbleiterproduktion sind PFAS-basierte Stoffe bislang unverzichtbar. Sie finden sich in Reinigungsmitteln für Wafer und Maschinen, Ätzgasen für die Strukturierung von Schichten, Lacklösemitteln und Entwicklern in der Fotolithografie sowie in den Dichtungsmaterialien von Prozesskammern. Aus gutem Grund, denn diese Anwendungsgebiete stellen hohe Anforderungen an die verwendeten Chemikalien, etwa extreme Hitzebeständigkeit, chemische Inertheit und höchste Reinheit. Das sind Eigenschaften, die PFAS ideal erfüllen.

Der steigende regulatorische Druck stellt die Branche jedoch vor Herausforderungen. Denn während langkettige PFAS oft bereits ersetzt wurden, sind gerade ultrakurzkettige PFAS schwer zu ersetzen oder gar zu erkennen. In künftigen Regulierungswellen könnten sie ebenfalls verboten werden.

Was macht Oxyle anders?

Das Schweizer Cleantech-Unternehmen Oxyle hat ein Verfahren entwickelt, das selbst persistenteste PFAS wie TFA in Wasser nachweislich abbaut und nicht nur filtert. Anders als konventionelle Methoden wie Aktivkohle oder Ionenaustauscher zielt Oxyle auf den irreversiblen Abbau der Fluor-Kohlenstoff-Bindung mittels eines photochemischen Reduktionsverfahrens (OxLight).

Das Besondere: Die Technologie eignet sich auch für ultrakurzkettige PFAS, die mit herkömmlicher Abwasserbehandlung kaum zu erfassen sind. Damit könnte Oxyles Methode eine Schlüsselrolle für Industrien wie die Halbleiterfertigung spielen und gleichzeitig eine Lücke in der Umwelttechnik schließen.

Im folgenden Gespräch erklärt Dr. Fajer Mushtaq, Mitgründerin und CEO von Oxyle, warum besonders die kleinsten PFAS-Moleküle große Probleme bereiten können, welche regulatorischen Entwicklungen auf die Branche zukommen und wo das PFAS-Zerstörungssystem von Oxyle ins Spiel kommen kann.

ELEKTRONIKPRAXIS: Ultrakurzkettige PFAS wie TFA und PFBA werden zunehmend in Regenwasser, Grundwasser und sogar landwirtschaftlichen Produkten nachgewiesen. Warum stellen diese Verbindungen im Vergleich zu den langkettigen PFAS, die die öffentliche Diskussion dominieren, eine besondere Herausforderung dar?

Dr. Fajer Mushtaq: Kurz- und ultrakurzkettige PFAS verhalten sich anders als ihre langkettigen Gegenstücke, die im Mittelpunkt der öffentlichen und regulatorischen Aufmerksamkeit stehen. Aufgrund ihrer geringen Größe, hohen Mobilität und schwachen Sorptionsaffinität verbreiten sie sich viel weiter in der Umwelt – bisweilen sehr weit entfernt von der ursprünglichen Kontaminationsquelle. Diese Eigenschaften machen es auch überaus schwer, diese PFAS mit herkömmlichen Methoden zu entfernen, die nie dafür ausgelegt waren, solch kleine, hochmobile Moleküle zurückzuhalten.

ELEKTRONIKPRAXIS: Die Elektronikindustrie ist auf PFAS für zentrale Prozessschritte, Hochleistungsmaterialien und stabile Ausbeuten angewiesen. Wo sehen Sie derzeit unvermeidbare Anwendungen – und wo entsteht realistisches Substitutionspotenzial?

Mushtaq: Es gibt vielversprechende Innovationen in vielen Bereichen. Textilien, Lebensmittelverpackungen und Kochgeschirr bewegen sich alle in Richtung PFAS-freier Alternativen. Aber in einigen Anwendungen, insbesondere in der Elektronikindustrie, bleibt die Substitution schwierig. In der Halbleiterfertigung zum Beispiel gibt es derzeit noch keine praktikablen Ersatzstoffe.

ELEKTRONIKPRAXIS: Was macht ultrakurzkettige PFAS für Chipfabriken und Komponentenhersteller mit strengen Einleitgrenzwerten besonders schwer, aus dem Abwasser zu entfernen?

Mushtaq: Viele der eingesetzten Behandlungssysteme wurden nie dafür entwickelt, kurz- oder ultrakurzkettige PFAS zu entfernen. Die geringe Molekülgröße, hohe Mobilität und schwache Sorptionseigenschaft der Verbindungen machen herkömmliche Methoden wie Aktivkohle oder Ionenaustausch sowohl ineffektiv als auch kostspielig – speziell bei Prozesswässern mit hohen Konzentrationen an kurz- und ultra-kurzkettigen PFAS in komplexen Zusammensetzungen.

ELEKTRONIKPRAXIS: Viele Unternehmen befürchten, dass „PFAS-frei“ kurzfristig technisch nicht machbar ist. Wie kann die Industrie regulatorischen Druck mit Prozesssicherheit in Einklang bringen?

Mushtaq: Eine binäre Sichtweise – „PFAS-frei oder nicht“ – ist wenig hilfreich. Stattdessen ist ein stufenweiser, risikobasierter Ansatz realistischer. Wir sollten dort mit Substitution beginnen, wo es technisch machbar ist und die Anwendung nicht essenziell ist, während wir gleichzeitig fortschrittliche Technologien einsetzen, um Emissionen aus unverzichtbaren Anwendungen zu kontrollieren, für die es noch keine Alternativen gibt.

ELEKTRONIKPRAXIS: Manche ultrakurzkettige PFAS können sogar als Nebenprodukte unvollständiger Behandlungen entstehen. Wie häufig tritt dieses Problem auf und wie lässt es sich vermeiden?

Mushtaq: Einige ultrakurzkettige PFAS entstehen tatsächlich als Nebenprodukte unvollständiger Behandlungen, besonders wenn mehr PFAS im Wasser vorhanden sind, als das System bewältigen kann. Deshalb ist ein vollständiges PFAS-Konzentrationsprofil – inklusive nicht zielgerichtetem Screening – wichtig, um vor der Auswahl der Behandlungsmethode zu verstehen, was wirklich vorhanden ist. Unternehmen müssen zudem realistische Erfolgskriterien in Bezug auf Einleitgrenzwerte und Kosten ansetzen und darauf basierend geeignete Behandlungszüge mit zusätzlichen Polishing-Schritten entwickeln.

ELEKTRONIKPRAXIS: Oxyle konzentriert sich auf den Abbau ultrakurzkettiger PFAS anstatt auf bloße Filtration. Was unterscheidet Ihre Technologie von bestehenden Systemen?

Mushtaq: Die meisten existierenden PFAS-Behandlungssysteme wurden mit Fokus auf langkettige Verbindungen entwickelt und stoßen bei kurz- und ultrakurzkettigen PFAS an ihre Grenzen. Unser photochemischer Reduktionsprozess, OxLight, wurde speziell für den Abbau dieser kleineren, mobileren PFAS wie PFBA und TFA entwickelt.

Neben der Chemie ist auch die Modularität unseres Systems entscheidend. Wir bieten keine Einheitslösung an, denn Wasserprobleme sind nie identisch. Stattdessen konfigurieren wir jede Behandlungslösung – etwa durch Kombination eines Trennschritts mit OxLight – passend zur Wasserchemie und PFAS-Belastung vor Ort, um die effektivste Lösung zu ermöglichen.

ELEKTRONIKPRAXIS: Wie modular sind Ihre Lösungen? Lassen sie sich in bestehende Abwasserbehandlungsanlagen in der Halbleiter- oder Leiterplattenfertigung integrieren?

Mushtaq: Ja. Unsere PFAS-Lösungen sind modular aufgebaut und ermöglichen eine flexible Integration in bestehende Infrastrukturen. Jedes System wird maßgeschneidert, basierend auf der lokalen Wasserchemie, den Betriebsanforderungen, PFAS-Profilen und den Behandlungszielen.

ELEKTRONIKPRAXIS: Sehen Sie eine Lücke zwischen dem, was Regulierungsbehörden bald fordern werden, und dem, was die meisten Unternehmen technisch leisten können?

Mushtaq: Ja, besonders bei ultrakurzkettigen PFAS. Viele Unternehmen erkennen erst jetzt, dass ihre bestehenden Systeme für diese Verbindungen ungeeignet sind. Die regulatorische Dynamik nimmt schneller Fahrt auf als die technische Anpassung, weshalb es wichtig ist, schon heute skalierbare, zukunftsfähige Technologien zu implementieren.

ELEKTRONIKPRAXIS: Was ist für Elektronikhersteller, die die Bedeutung des Themas erkannt haben, sich aber überfordert fühlen, der pragmatischste erste Schritt?

Mushtaq: Beginnen Sie mit einem Audit: Verstehen Sie Ihre PFAS-Bilanz, identifizieren Sie kritische Substanzen und analysieren Sie bestehende Behandlungslücken. Auf dieser Basis kann Pilot-Testing mit fortschrittlichen Lösungen wie unseren helfen, den richtigen Technologiemix für den jeweiligen Kontext zu bestimmen. Es geht darum, in machbaren Schritten voranzugehen – nicht darum, alles auf einmal zu lösen.

 (sb)

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