Semiconductor technology & processing

10 min

Kleine deeltjes, kleine risico's? Risicoanalyse van nanomaterialen in de halfgeleidersector

14 partners uit R&D, de industrie en de academische wereld bundelen hun inspanningen in NanoStreeM om beter met nanomaterialen om te gaan in de halfgeleidersector.

Scroll

De wet van Moore legt de halfgeleidersector een hoog innovatietempo op en daar horen een reeks vernieuwende materialen bij, vaak op nanoschaal. Nanomaterialen gedragen zich meestal net iets anders en beter: ze zijn sterker dan andere materialen of ze hebben specifieke chemische of elektrische eigenschappen. Daardoor scheppen ze nieuwe mogelijkheden in veel sectoren: zonnecellen met nanokristallen die efficiënt energie produceren, elektrodes met koolstofnanobuisjes in de biotechnologie, nanodraadjes en gouddeeltjes in de elektronica.

Anderzijds kunnen sommige van deze materialen ook ongewenste of zelfs risicovolle eigenschappen  hebben waar we nog te weinig over weten en waar de halfgeleidersector zich zorgen over begint te maken. Het Europese project NanoStreeM wil daarom proberen meer zicht te krijgen op de risico’s die gepaard gaan met het hanteren van nanomaterialen op de werkvloer. NanoStreeM is een consortium dat wordt gefinancierd door het Horizon 2020-programma van de Europese Commissie. Het brengt 14 partners bij elkaar, uit drie domeinen: R&D, de industrie en de academische wereld.

“Eerst traceren wij de stromen van de diverse nanomaterialen en onderzoeken wij hoe ze worden gebruikt. Dan gaan wij na welke methodologieën geschikt zijn voor risicobeoordelingen. En ten slotte maken wij hiervan diverse informatiepakketten om veiligheidsspecialisten op te leiden. Het is onze bedoeling om onze bevindingen mee te delen aan de stakeholders in de EU en meer algemeen bij te dragen tot een beter begrip van de risico’s van nanomaterialen voor wie er beroepshalve mee omgaat,” zegt Dimiter Prodanov, die het project coördineert.

Maar wat is een nanodeeltje eigenlijk?

In feite bestaan er slechts enkele sector-specifieke definities voor voedingswaren, cosmetica, pesticiden en chemicaliën. Europa probeert momenteel een officiële definitie van een nanodeeltje goed te keuren voor wetgevende doeleinden. NanoStreeM hanteert de huidige aanbevelingen als een richtsnoer. Zo is er sprake van een nanomateriaal als het in minstens één dimensie kleiner is dan 100 nm of als het voor 50% of meer uit deeltjes met afmetingen tussen 1 nm en 100 nm bestaat. “Deze aanbevelingen zijn nog omstreden en ze lenen zich niet zo goed voor gebruik op de werkvloer in de semicoductorindustrie, wat toch de focus van NanoStreeM is. Voor ons is het belangrijk dat de afmetingen als criterium worden gebruikt, zodat gelijkaardige materialen op dezelfde manier worden behandeld,” aldus Dimiter Prodanov.

Wat ons meteen bij de volgende vraag brengt: waar komen nanomaterialen in de halfgeleidersector dan voor? Op basis van een onderzoek uit de beginfase van het project, ziet NanoStreeM drie mogelijke scenario’s voor de productie van nanomaterialen: “Polijstslurry’s zijn de belangrijkste bron van nanomaterialen. Bij chemisch-mechanisch polijsten (CMP) wordt een polijstmengsel (slurry) gebruikt om een wafer glad te maken. In het tweede scenario ontstaan nanomaterialen tijdens de verschillende depositieprocessen. Die vinden bij hoge temperatuur plaats in een gesloten kamer, maar als die kamer wordt geopend, kunnen materiaaldampen in de gasfase condenseren tot nanodeeltjes. En ten slotte ontstaan er ook nanodeeltjes bij afbraakprocessen tijdens de afvalverwerking. In de leidingen die het afbraaksysteem met de brander verbinden, bevindt zich restmateriaal.”

Het verschil tussen macro en nano

Nanodeeltjes zijn zo bijzonder, omdat je hun eigenschappen niet zonder meer kunt afleiden uit hun tegenhangers op grotere schaal. Dat heeft te maken met effecten uit de kwantumfysica, die op nanoschaal verscheidene fysische en chemische eigenschappen beïnvloeden.

Zo zenden quantum dots uit cadmiumsulfide licht van een andere samenstelling uit dan grotere deeltjes in hetzelfde materiaal. Ook gouddeeltjes verstrooien het licht anders afhankelijk van hun grootte: andere afmetingen leveren andere kleuren op. “De risico’s die met nanodeeltjes gepaard gaan, zijn anders, omdat hun oppervlak een andere ladingsdichtheid heeft. Omdat nanodeeltjes zo klein zijn, is hun oppervlak meer gebogen en hebben ze een grotere ladingsdichtheid. Hun vrije energie is ook groter en dat beïnvloedt dan weer hun katalytische activiteit. Ten slotte is bij nanodeeltjes het aantal atomen dat de huid - de eerste contactlaag - per oppervlakte-eenheid raakt groter dan bij grotere deeltjes”, zegt Dimiter. “Sommige eigenschappen van nanomaterialen veranderen op een voorspelbare manier, bij andere gaat het eerder sprongsgewijs.”

Zijn nanomaterialen daardoor automatisch gevaarlijk? Niet noodzakelijk, maar sommige kunnen risico’s inhouden, afhankelijk van de omstandigheden waarin je ze gebruikt. “Bij de scenario’s die wij beoordeelden, is inademen van nanodeeltjes het meest waarschijnlijke risico. Tijdens het afbraakproces kunnen deeltjes bijvoorbeeld bij het openen van de kamer door de lucht bewegen, zodat de operator ze misschien inademt. Penetratie door de huid is in de industrie meestal geen groot probleem.”

Beperkte blootstelling 

“Je mag hierbij niet uit het oog verliezen dat het in onze sector om heel kleine emissies gaat, aangezien de meeste processen zich in afgesloten installaties afspelen. Onze situatie is niet te vergelijken met bijvoorbeeld de verfindustrie of de autosector, twee extreme voorbeelden. In de halfgeleidersector vormt accidentele blootstelling het grootste risico. Zo worden de slurry’s geleverd in grote vaten. Bij het aan- of afkoppelen van die vaten kan er een lek ontstaan. Of er kan in het toestel zelf een incident plaatsvinden, wanneer een wafer breekt, waarna die moet worden verwijderd en het toestel gereinigd. Ook de afvalverwerking en het onderhoud van het afvalverwerkingssysteem kunnen risico’s op blootstelling aan nanodeeltjes inhouden. Denk aan het stofzuigen van de reactor na het gebruik ervan. In al deze gevallen kan een operator in contact komen met nanomaterialen. Dit zijn stuk voor stuk bekende scenario’s, waarbij we goed weten welke ingrepen risico’s inhouden, zodat we de operators kunnen waarschuwen.”

Grote impact

Nu het project dit jaar eindigt, vertalen de NanoStreeM-partners de resultaten in opleidingspakketten, niet alleen voor imec, maar voor alle deelnemers aan het consortium. “Alle partners zullen relevante informatie opnemen in opleidingen over het gebruik van nanomaterialen. Ook de industriële partners zijn van plan om dit te doen met de bevindingen van het project en de specifieke aanpak van risicobeoordeling.”

“Momenteel stellen wij een opleidingspakket samen met informatie van alle betrokken partijen. Vervolgens zullen wij een informatiepakket aanbieden dat in de standaard opleidingen van de partner kan worden opgenomen." 

"De opleiding die wij voor ogen hebben, bestaat uit twee delen. Het eerste deel is meer algemeen: het dient om iedereen die van ver of dichtbij met nanomaterialen te maken heeft, bewust te maken van de risico’s die eraan verbonden zijn. Daarbij beschikken wij over veel kennis van dergelijke risico’s bij verschillende industriële processen. Het tweede deel van de opleiding heeft professionals als doelgroep. Wij willen hierin de relevante resultaten van deze en andere projecten toelichten en instrumenten aanreiken om verdere specifieke risico’s en gevaren in welbepaalde omstandigheden op te sporen,” besluit Dimiter.

 

Meer weten?

  • Om uitdagingen bij risico-evaluaties van nanomaterialen aan te pakken, organiseren de H2020-projecten NanoStreeM en caLIBRAte een gezamenlijke workshop, getiteld “Governance of emerging nano-risk in the semiconductor industry” of “Beheer van opkomende nanorisico’s in de halfgeleiderindustrie. Het event vindt plaats in Brussel op 26 april 2028. Voor meer informatie en om je in te schrijven voor de workshop, surf naar de event-website.  
  • Voor meer informatie over de opleidingspakketten of het project, ga naar het contactformulier  van het project.

Biografie Dimiter Prodanov

Dimiter Prodanov behaalde het diploma van arts aan de Medical University – Sofia, Bulgarije, in 1999. In 2006 behaalde hij de graad van Doctor in de Neuroprostetica aan de Universiteit van Twente, Enschede, Nederland. Met een beurs van de International Brain Research Organization kon hij zijn onderzoek verderzetten aan de KU Leuven, België (2006), en later aan de Universiteit van Luik, België.
In 2008 begon Dimiter Prodanov te werken in imec, België, als Senior Scientist in het neurotechnologie programma. Sinds 2009 heeft hij daar de positie van bioveiligheidscoördinator waarbij hij actief imecs onderzoeksprogramma’s in de levenswetenschappen en gezondheidzorg ondersteunt. Vanaf 2013 is Dimiter Prodanov ook verbonden als onderzoeker aan NERF. In 2014 werd hij de verantwoordelijke voor nanoveiligheid in imec en vanaf 2016 coördineert hij het H2020-project NanoStreeM.  

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies