在半導體制造工藝中，化學機械拋光（CMP）是實現晶圓表面全局平坦化的關鍵技術，而CMP固定環（保持環）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效率。隨著半導體技術向更小制程節點發展，對CMP固定環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固定環正逐步成為半導體制造領域的關鍵部件。

一、PEEK與PPS注塑成型的CMP固定環特性比較

在半導體CMP固定環應用中，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勢與局限。

1. 耐磨性：注塑PEEK固定環的耐磨性顯著優于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境下，PEEK固定環的使用壽命更長，是常用的PPS固定環的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備更換頻率。
2. 尺寸穩定性：PEEK固定環具有高尺寸穩定性，PPS固定環的尺寸穩定性良好，但不如PEEK固定環，其線脹系數與金屬鋁非常接近，即使在高溫條件下，也能維持較高的模量，從而保證固定環在使用過程中的尺寸精度和穩定性，減少因熱膨脹或收縮導致的設備精度下降問題。

1. 耐化學性：PEEK固定環對大多數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固定環的使用壽命較短，一個PPS研磨環通常只能持續約4次研磨墊更換。這與PEEK固定環相比，其使用壽命明顯較短，無法滿足長時間連續生產的需求，需要更頻繁地更換固定環，增加了生產成本和設備維護工作量。
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構部件時更容易充模。此外，PPS的結晶速率快，冷卻時間短，有助于縮短注塑周期，提高生產效率。然而，PEEK雖然加工條件更為苛刻，但其收縮率低于PPS，制品尺寸穩定性更高。

二、CMP固定環的注塑成型工藝

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，以保證制品的質量和尺寸穩定性。
3. 工藝參數：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%，保壓時間根據制品壁厚確定。
4. 后處理：脫模后的固定環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，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晶度和尺寸穩定性，減少后期使用中的變形。

總結：

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固定環憑借其高精度、高效率、復雜結構一體化成型的優勢，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勢，但PPS在加工效率和成本控制方面表現突出。未來，通過進一步優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域發揮更重要的作用，為晶圓加工的良率和生產效率提供堅實保障。

審核編輯 黃宇