PEEK与PPS注塑CMP固定环的性能对比与工艺优化

在半导体制造工艺中，化学机械抛光（CMP）是实现晶圆表面全局平坦化的关键技术，而CMP固定环（保持环）作为抛光头的核心易耗部件，其性能影响着晶圆加工的良率和生产效率。随着半导体技术向更小制程节点发展，对CMP固定环的材料性能要求日益严苛，聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPS）作为两种高性能工程塑料，通过注塑成型工艺制造的CMP固定环正逐步成为半导体制造领域的关键部件。

一、PEEK与PPS注塑成型的CMP固定环特性比较

在半导体CMP固定环应用中，PEEK和PPS作为两种高性能热塑性工程塑料，因其出色的综合性能而备受青睐。比较这两种材料的物理化学特性差异，揭示它们各自在半导体制造中的优势与局限。

1. 耐磨性：注塑PEEK固定环的耐磨性显著优于PPS，其耐磨性是PPS的三倍左右。在氧化物和钨抛光液等恶劣环境下，PEEK固定环的使用寿命更长，是常用的PPS固定环的2倍以上，能够更好地承受CMP工艺中的高压力和高摩擦力，减少因磨损导致的设备更换频率。
2. 尺寸稳定性：PEEK固定环具有高尺寸稳定性，PPS固定环的尺寸稳定性良好，但不如PEEK固定环，其线胀系数与金属铝非常接近，即使在高温条件下，也能维持较高的模量，从而保证固定环在使用过程中的尺寸精度和稳定性，减少因热膨胀或收缩导致的设备精度下降问题。

1. 耐化学性：PEEK固定环对大多数有机溶剂有强耐化学性，室温下不溶于常见溶剂，可耐受pH1-14的酸碱环境，长期使用下能抵抗弱酸弱碱。PPS耐强酸（尤其无机酸）性能优于PEEK，但在氧化性酸和某些极性溶剂中可能溶胀或降解。对于CMP工艺中的过氧化氢、氨水、盐酸等，两者均适用，但PEEK长期性能衰减更慢。
2. 使用寿命：PPS固定环的使用寿命较短，一个PPS研磨环通常只能持续约4次研磨垫更换。这与PEEK固定环相比，其使用寿命明显较短，无法满足长时间连续生产的需求，需要更频繁地更换固定环，增加了生产成本和设备维护工作量。
3. 加工性能：在注塑加工过程中，PPS的熔体粘度较低，比PEEK更易于流动，这使得PPS在注塑薄壁或复杂结构部件时更容易充模。此外，PPS的结晶速率快，冷却时间短，有助于缩短注塑周期，提高生产效率。然而，PEEK虽然加工条件更为苛刻，但其收缩率低于PPS，制品尺寸稳定性更高。

二、CMP固定环的注塑成型工艺

1. 材料预处理：PEEK和PPS在注塑前需要进行充分的干燥处理，以去除材料中的微量水分。PEEK的吸湿率虽然较低(约0.5%)，但其对水分极为敏感，一般要求在150℃下干燥4-6小时。PPS的吸湿性更弱(约0.05%)，但因加工温度较低，可在120-140℃干燥3-4小时。
2. 模具设计：PEEK需要较高温度保证流动性，PPS流动性相对较差，模具的流道设计应尽量减少流动阻力，需要使用较大直径的喷嘴，以利于材料顺利填充模具型腔。同时，要确保模具温度均匀，具备有效的冷却系统，以保证制品的质量和尺寸稳定性。
3. 工艺参数：PEEK和PPS都应采用中高速注射(充模时间约2-5秒)，以确保熔体前沿温度均匀，避免冷料或流痕缺陷。注射压力上PEEK需要100-150MPa，PPS约80-120MPa。保压压力一般为注射压力的50-70%，保压时间根据制品壁厚确定。
4. 后处理：脱模后的固定环通常需要进行去毛刺处理，特别是对于需要高精度配合的固定环，任何微小的飞边或毛刺都可能影响其使用性能。对于PEEK材料，由于其结晶温度范围较宽，脱模后还需进行退火处理，进一步提高制品的结晶度和尺寸稳定性，减少后期使用中的变形。

总结：

在半导体制造向更先进制程迈进的过程中，注塑成型的PEEK和PPS CMP固定环凭借其高精度、高效率、复杂结构一体化成型的优势，正成为晶圆平坦化工艺的核心部件。尽管PEEK在综合性能上更具优势，但PPS在加工效率和成本控制方面表现突出。未来，通过进一步优化注塑成型工艺和材料改性，这两种材料将在半导体制造领域发挥更重要的作用，为晶圆加工的良率和生产效率提供坚实保障。

审核编辑 黄宇