在半導體制造工藝中，化學機械拋光（CMP）是實現(xiàn)晶圓表面全局平坦化的關(guān)鍵技術(shù)，而CMP固定環(huán)（保持環(huán)）作為拋光頭的核心易耗部件，其性能影響著晶圓加工的良率和生產(chǎn)效率。隨著半導體技術(shù)向更小制程節(jié)點發(fā)展，對CMP固定環(huán)的材料性能要求日益嚴苛，聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPS）作為兩種高性能工程塑料，通過注塑成型工藝制造的CMP固定環(huán)正逐步成為半導體制造領(lǐng)域的關(guān)鍵部件。

一、PEEK與PPS注塑成型的CMP固定環(huán)特性比較

在半導體CMP固定環(huán)應用中，PEEK和PPS作為兩種高性能熱塑性工程塑料，因其出色的綜合性能而備受青睞。比較這兩種材料的物理化學特性差異，揭示它們各自在半導體制造中的優(yōu)勢與局限。

1. 耐磨性：注塑PEEK固定環(huán)的耐磨性顯著優(yōu)于PPS，其耐磨性是PPS的三倍左右。在氧化物和鎢拋光液等惡劣環(huán)境下，PEEK固定環(huán)的使用壽命更長，是常用的PPS固定環(huán)的2倍以上，能夠更好地承受CMP工藝中的高壓力和高摩擦力，減少因磨損導致的設(shè)備更換頻率。
2. 尺寸穩(wěn)定性：PEEK固定環(huán)具有高尺寸穩(wěn)定性，PPS固定環(huán)的尺寸穩(wěn)定性良好，但不如PEEK固定環(huán)，其線脹系數(shù)與金屬鋁非常接近，即使在高溫條件下，也能維持較高的模量，從而保證固定環(huán)在使用過程中的尺寸精度和穩(wěn)定性，減少因熱膨脹或收縮導致的設(shè)備精度下降問題。

1. 耐化學性：PEEK固定環(huán)對大多數(shù)有機溶劑有強耐化學性，室溫下不溶于常見溶劑，可耐受pH1-14的酸堿環(huán)境，長期使用下能抵抗弱酸弱堿。PPS耐強酸（尤其無機酸）性能優(yōu)于PEEK，但在氧化性酸和某些極性溶劑中可能溶脹或降解。對于CMP工藝中的過氧化氫、氨水、鹽酸等，兩者均適用，但PEEK長期性能衰減更慢。
2. 使用壽命：PPS固定環(huán)的使用壽命較短，一個PPS研磨環(huán)通常只能持續(xù)約4次研磨墊更換。這與PEEK固定環(huán)相比，其使用壽命明顯較短，無法滿足長時間連續(xù)生產(chǎn)的需求，需要更頻繁地更換固定環(huán)，增加了生產(chǎn)成本和設(shè)備維護工作量。
3. 加工性能：在注塑加工過程中，PPS的熔體粘度較低，比PEEK更易于流動，這使得PPS在注塑薄壁或復雜結(jié)構(gòu)部件時更容易充模。此外，PPS的結(jié)晶速率快，冷卻時間短，有助于縮短注塑周期，提高生產(chǎn)效率。然而，PEEK雖然加工條件更為苛刻，但其收縮率低于PPS，制品尺寸穩(wěn)定性更高。

二、CMP固定環(huán)的注塑成型工藝

1. 材料預處理：PEEK和PPS在注塑前需要進行充分的干燥處理，以去除材料中的微量水分。PEEK的吸濕率雖然較低(約0.5%)，但其對水分極為敏感，一般要求在150℃下干燥4-6小時。PPS的吸濕性更弱(約0.05%)，但因加工溫度較低，可在120-140℃干燥3-4小時。
2. 模具設(shè)計：PEEK需要較高溫度保證流動性，PPS流動性相對較差，模具的流道設(shè)計應盡量減少流動阻力，需要使用較大直徑的噴嘴，以利于材料順利填充模具型腔。同時，要確保模具溫度均勻，具備有效的冷卻系統(tǒng)，以保證制品的質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定性。
3. 工藝參數(shù)：PEEK和PPS都應采用中高速注射(充模時間約2-5秒)，以確保熔體前沿溫度均勻，避免冷料或流痕缺陷。注射壓力上PEEK需要100-150MPa，PPS約80-120MPa。保壓壓力一般為注射壓力的50-70%，保壓時間根據(jù)制品壁厚確定。
4. 后處理：脫模后的固定環(huán)通常需要進行去毛刺處理，特別是對于需要高精度配合的固定環(huán)，任何微小的飛邊或毛刺都可能影響其使用性能。對于PEEK材料，由于其結(jié)晶溫度范圍較寬，脫模后還需進行退火處理，進一步提高制品的結(jié)晶度和尺寸穩(wěn)定性，減少后期使用中的變形。

總結(jié)：

在半導體制造向更先進制程邁進的過程中，注塑成型的PEEK和PPS CMP固定環(huán)憑借其高精度、高效率、復雜結(jié)構(gòu)一體化成型的優(yōu)勢，正成為晶圓平坦化工藝的核心部件。盡管PEEK在綜合性能上更具優(yōu)勢，但PPS在加工效率和成本控制方面表現(xiàn)突出。未來，通過進一步優(yōu)化注塑成型工藝和材料改性，這兩種材料將在半導體制造領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用，為晶圓加工的良率和生產(chǎn)效率提供堅實保障。

審核編輯 黃宇