在半導(dǎo)體制造工藝中，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是實(shí)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(dǎo)體技術(shù)向更小制程節(jié)點(diǎn)發(fā)展，對(duì)CMP固定環(huán)的材料性能要求日益嚴(yán)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(guò)注塑成型工藝制造的CMP固定環(huán)正逐步成為半導(dǎo)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(dǎo)體CMP固定環(huán)應(yīng)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(xué)特性差異，揭示它們各自在半導(dǎo)體制造中的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)，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(dǎo)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(guò)程中的尺寸精度和穩(wěn)定性，減少因熱膨脹或收縮導(dǎo)致的設(shè)備精度下降問(wèn)題。

1. 耐化學(xué)性：PEEK固定環(huán)對(duì)大多數(shù)有機(jī)溶劑有強(qiáng)耐化學(xué)性，室溫下不溶于常見(jiàn)溶劑，可耐受pH1-14的酸堿環(huán)境，長(zhǎng)期使用下能抵抗弱酸弱堿。PPS耐強(qiáng)酸（尤其無(wú)機(jī)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(duì)于CMP工藝中的過(guò)氧化氫、氨水、鹽酸等，兩者均適用，但PEEK長(zhǎng)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(gè)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(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)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(hù)工作量。
3. 加工性能：在注塑加工過(guò)程中，PPS的熔體粘度較低，比PEEK更易于流動(dòng)，這使得PPS在注塑薄壁或復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件時(shí)更容易充模。此外，PPS的結(jié)晶速率快，冷卻時(shí)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(yù)處理：PEEK和PPS在注塑前需要進(jìn)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(duì)水分極為敏感，一般要求在150℃下干燥4-6小時(shí)。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(shí)。
2. 模具設(shè)計(jì)：PEEK需要較高溫度保證流動(dòng)性，PPS流動(dòng)性相對(duì)較差，模具的流道設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少流動(dòng)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(shí)，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(yīng)采用中高速注射(充模時(shí)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(shí)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(jìn)行去毛刺處理，特別是對(duì)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(duì)于PEEK材料，由于其結(jié)晶溫度范圍較寬，脫模后還需進(jìn)行退火處理，進(jìn)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(dǎo)體制造向更先進(jìn)制程邁進(jìn)的過(guò)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(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型的優(yōu)勢(shì)，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(shì)，但PPS在加工效率和成本控制方面表現(xiàn)突出。未來(lái)，通過(guò)進(jìn)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(dǎo)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(jiān)實(shí)保障。

審核編輯 黃宇