“永久性化学物质”这一现象会有终结的一天吗？

PFAS作为关键但有害的化学物质，广泛应用于半导体制造，因其稳定性和绝缘性能，但长期残留导致环境与健康问题。行业面临替代品研发难、处理技术成本高，同时全球监管趋严，推动技术转型与环保措施。

半导体为现代世界提供了动力。从手机和游戏机到冰箱和汽车，所有这些设备中都含有半导体。然而，在便利性和生产力之间隐藏着一个不愉快的真相：制造这些设备需要使用一类名为PFAS的化学物质。^a 这些化学物质的正式名称是“全氟和多氟烷基物质”。

某些PFAS化合物具有毒性，并且极难被分解。因此，这些化学物质最终会进入水、空气、土壤和农作物中。^b 不出所料，它们也会进入动物（包括人类）的脂肪组织，可能导致癌症^c和代谢紊乱。^d

“PFAS被称为‘永久性化学物质’，因为它们难以分解，其中一些可以在人体内存在多年，”北卡罗来纳大学教堂山分校化学系副教授Erin Baker说道。^a

这成为一个日益严重的问题。如今，有超过15,000种PFAS被用于生产多达39,000种电子元件。^e 这些元件包括半导体、电线、电缆、电池、电阻器和印刷电路板。然而，找到安全且经济的替代品却非常困难，同时高性能芯片的需求却在持续增长。

“半导体制造商意识到了这个问题，并有动力采取行动，但他们也不愿意牺牲自己的技术领先地位或生产质量较差的产品，”芝加哥大学计算机科学教授、阿贡国家实验室高级科学家Andrew Chien表示。“这个问题似乎没有简单的解决办法。”

“设计出来的有毒物质”

PFAS并非最近才出现的。20世纪30年代末，曼哈顿计划的科学家们发现某些化学物质具有出色的绝缘性能。自20世纪50年代以来，制造商在各种产品中使用了PFAS，包括不粘锅^f、服装、地毯、家具、灭火泡沫和食品包装。^{这些化合物具有防火、防水和防污的特性，”Chien解释道。}

在电子行业中，PFAS在制造耐热和耐化学腐蚀的高性能芯片方面发挥着关键作用（尽管芯片本身并不含有PFAS，它们是制造过程中的副产品）。这些物质对于光刻和干法蚀刻工艺至关重要，因为它们允许芯片制造商通过精确控制材料的去除和沉积来制造复杂的结构。

问题在于如何处理PFAS废弃物，其年产量可能超过一百万公吨（1兆吨）。^g 虽然无法准确统计半导体行业的具体用量，但全球可持续性机构ADEC Innovations的一份报告指出，电子制造过程中使用的PFAS中有5%到25%最终会进入环境。^h

在监管机构、环保组织、投资者和公众的压力下，电子行业已经开始逐步淘汰一些最危险的PFAS化合物，尤其是那些由六个或更多全氟碳原子组成的长链分子。^j 这些化合物具有更高的生物累积性和毒性。^k “它们容易附着在有机组织上，甚至在北极熊的血液中也能检测到它们的存在，”Baker解释说。

不过，短链PFAS也同样具有风险。

加州大学河滨分校化学与环境工程系副教授Jinyong Liu指出：“短链PFAS更难被消除，因为它们的碳键相对较弱。随着链长的缩短，这些弱键会消失。”

Liu还解释说，大多数销毁PFAS的技术依赖于固液或气液界面发生的反应，而短链PFAS正好位于这些界面上，因此更容易被销毁。

实际上，这意味着从环境中彻底清除短链PFAS更加困难和昂贵。尽管半导体行业将短链PFAS视为更安全的替代品（因为它们在动物和人体中的积累量较低，半衰期也更短），但它们仍然存在严重的毒性风险。此外，由于人们对短链PFAS的了解还不够深入，因此对其的监管也相对较少。

情况正在发生变化。2024年4月，美国环境保护署（EPA）为六种PFAS化合物制定了可执行的饮用水标准：ⁱ 新规定要求公共供水系统在五年内将PFOA和PFOS的浓度降至接近零（4百万分之一）。初步监测将于2027年开始，后续执行将分阶段进行。此外，包括阿拉斯加、加利福尼亚、科罗拉多、夏威夷、俄勒冈、马里兰和明尼苏达在内的十几个州已经针对某些PFAS化合物制定了相关法规。^j

欧盟（EU）的监管机构对“永久性化学物质”采取了更为严格的措施。欧盟已经限制了某些PFAS在消费品纺织品、食品包装、化妆品、灭火泡沫等产品中的使用。^k 五个欧盟国家（丹麦、德国、荷兰、挪威和瑞典）提出了全面的PFAS限制措施，可能涵盖多达10,000种PFAS化合物，仅对最必要的用途提供例外。^l

尽管加强监管有望减少这些化学物质的危害，但其具体影响仍不明确。在美国，EPA在PFAS的使用问题上发出了矛盾的信号。虽然它公开表示正在限制PFAS的使用，但《卫报》在2024年12月报道称，EPA还在加速批准半导体行业使用的新PFAS化合物。ⁿ

Baker表示：“许多公司承诺更换用于生产的PFAS化合物。问题在于，如果一种化合物被淘汰，它们可能会转向另一种可能同样具有毒性的化合物。目前还有大量PFAS化合物尚未经过毒性测试。”

化学反应

在充满不确定性的背景下，芯片行业必须适应这一变化，同时不能牺牲芯片的质量和价格。作为半导体行业的独立研究机构，IMEC正在将部分研发资源投入到替换最有害化学物质的工作中。^o “在产品投入生产之前引入改变是最有效的时机，”IMEC可持续半导体技术和系统项目负责人Emily Gallagher说。

IMEC关注的一个领域是用于EUV光刻的高级光刻胶。该机构正在与半导体行业供应商合作，寻找不含PFAS的替代品，并探索减少DUV光刻胶、底层涂层和清洗液中的PFAS含量的方法。^p Gallagher表示，目标是在不干扰优化制造流程的情况下，更好地监测和控制长期污染。

个别公司也在探索重新配制、替代或消除PFAS的方法。例如，IBM利用人工智能来寻找PSAS的替代品。其MatGFN-PFAS平台通过生成式流程网络和化学语言模型设计出既能保持PFAS特性的新分子，又能降低或消除毒性。^p 到目前为止，该公司已经发现了6,000多种潜在的PFAS替代品。

然而，从实验室到实际生产环境的过渡是一个缓慢且成本高昂的过程，可能需要重新设计制造流程。在某些情况下，现有的工艺无法被替代；^q 化学和物理定律决定了某些PFAS的必要性。^r Gallagher指出，目标不仅仅是实现“绿色生产”（“半导体行业本身并不环保”），而是减少其对环境的影响。^s

Chien指出，向更安全化学物质的过渡是一条漫长而复杂的道路。“目前大多数PFAS化合物还没有明显的替代品，进展缓慢。”半导体企业虽然有减少或消除PFAS的意愿，但也不希望失去竞争优势。^s

销毁途径

科学家们正在尝试在PFAS进入环境之前将其中和或销毁。目前，制造商主要依赖几种方法来处理PFAS废弃物，包括碳过滤、高温焚烧^r、危险废物填埋场和废物注入井。^s

然而，这些方法都不理想。由于PFAS中的碳氟键具有化学稳定性且不易燃烧，不完全焚烧可能导致毒素直接释放到环境中。^t

研究表明，即使在850摄氏度的温度下，也只有1%的PFAS会被销毁。^u

危险废物填埋场和废物注入井无法破坏这些化学键，而且即使管理得当，这些物质仍有可能渗入含水层并污染饮用水。^v

寻找有效的销毁方法非常困难。新兴技术包括生物修复（利用细菌降解PFAS化合物）、电凝聚、泡沫分离、光催化、机械化学降解和电化学降解等。^w 然而，澳大利亚的研究人员发现，尽管某些技术在实验室中表现出潜力，但在实际应用中效果有限或成本过高。^x

Liu解释说：“我们没有一种方法适用于所有PFAS化合物……因此，在研究PFAS的降解方法时，关键是要选择适合特定化合物的技术。”他正在探索使用紫外线辐射^y和氧化^z来破坏碳氟键。然而，哪种技术或技术组合最适合半导体行业尚不清楚，因为半导体行业产生的废水中含有多种PFAS和其他化学物质。^x

瑞士的Oxyle公司是PFAS销毁领域的领先者之一。该公司开发了一种模块化解决方案，可处理长链、短链和超短链PFAS的现场修复、地下水和工业废水处理。^aa Oxyle报告称，其系统可去除11种不同PFAS化合物中的99.8%（某些短链PFAS的去除率高达98%）。^aa

Oxyle联合创始人兼首席执行官Fajer Mushtaq表示：“我们的系统能处理其他系统无法有效处理的浓缩PFAS废弃物。”

虽然半导体行业在PFAS使用方面的监管正在加强，但许多PFAS化合物尚未经过充分的毒性测试，因此替代方案仍然有限。