塑料制品在半导体制造生产线上的应用

塑料制品贯穿半导体制造的完整生产线，广泛运用于晶圆制造、传递、运输、存储、清洗等步骤中，其主要应用方面如下：

 

典型半导体塑料制品

半导体塑料耗材在不同制程环节中发挥不同的作用，需满足不同的材质要求，并采取不同的塑料材质，在整个工艺流程中不可或缺。以典型塑料制品晶圆载具、CMP保持环、光罩盒和气体过滤滤芯为例：

 

塑料件—— 晶圆载具①概况

晶圆载具是用于硅片生产、晶圆制造、以及工厂之间的晶圆储存、运输和防护的重要半导体塑料制品，是AMHS系统（物料自动化搬运）构建12寸晶圆厂自动化搬运方案的必备部件，是重要的半导体零部件。

芯片在其制造过程中，一般需要在三周内数百次往返于半导体生产线，晶圆存放在运输盒内的时间在整个生产过程中占比很高，因此晶圆载具在整个生产过程中是必不可少的保护和运输工具。

芯片昂贵且极易受到误操作和污染的影响，而晶圆载具本身的材质、质量和洁净与否都可能会对晶圆质量产生或大或小的影响，在芯片制造过程中起到重要作用。

 

塑料件——晶圆载具②FOUP/FOSB

晶圆载具种类丰富，且各有应用，主要的晶圆载具有FOUP和FOSB：

前开式晶圆传送盒FOUP（Front Opening Unified Pod），主要用于Fab厂中晶圆的保护、运送、储存，是一种专属于12寸晶圆厂内的自动化传送系统重要的传载容器。

前开晶圆运输盒FOSB（Front Opening Shipping Box），主要用于硅片制造厂与Fab厂之间12寸晶圆的运输。

 

半导体载具塑料的五大核心考量

（1）耐高温与化学稳定性
晶圆在制造过程中需经历高温处理（如退火、蚀刻）与化学清洗，载具材料需具备卓越的耐高温性能（如PEEK可承受240°C长期使用）与化学抗性（如PFA、PTFE对多数酸碱试剂稳定）。例如，第三代半导体（如碳化硅）加工需在1000°C以上进行，载具材料需避免热变形或释放有害物质。

（2）防静电与低释气性
静电放电（ESD）是晶圆损伤的主因，载具需采用导电材料（如碳纤改性PEEK、铝合金）或表面涂覆防静电涂层。同时，材料需具备低释气性（如PP、PES），避免释放气体污染晶圆表面。例如，先进制程晶圆（如3nm以下）对表面颗粒污染极敏感，低释气材料可减少缺陷率。

（3）机械强度与尺寸稳定性
载具需承受晶圆重量与搬运冲击，材料需具备高强度与韧性（如PEEK的抗冲击性是PPS的2倍）。此外，材料需在温度循环中保持尺寸稳定（如POK的热膨胀系数接近硅），避免晶圆对位偏差或划伤。

（4）洁净度与易清洁性
半导体制造对洁净度要求极高，载具材料需无颗粒释放、低吸湿性（如PEI的吸水率<0.1%），且表面光滑易清洁（如COP材料）。例如，光刻工艺中，载具的微小颗粒都可能导致晶圆图案缺陷。

（5）成本与可回收性
载具需平衡性能与成本，例如PP、PC等通用塑料成本低但性能有限，而PEEK、PFA等高性能材料虽昂贵，但寿命更长（如PEEK载具寿命是普通塑料的5倍以上）。此外，可回收材料（如改性PP）可降低环境影响。

图 晶圆运输盒材料特性，素材来源：Entegris

与传统的中低级晶圆运输盒相比，适用于高级品圆运输的晶圆运输盒具备显著的性能优势，包括：

 

精确的晶圆访问——晶圆位于精确且可预测的位置；

可靠的设备运行——在制程机台和自动材料处理系统上；

安全的晶圆保护——防止污染和损坏。

图 各塑料及其产品应用，来源：大日商事

 

塑料释气性评估

晶圆载具的最大难点是，随着制程工艺不断微缩，芯片对污染要求越来越高，因此对晶圆载具原材料的释气性也提出了更高的要求。要知道，污染控制是提升芯片生产良率的重要手段之一，而晶圆载具又是污染控制的关键对象之一，因此针对晶圆载具原材料释气性的研究工作可以间接助力提升芯片生产良率。

 

本案例探讨了5种聚合物材料（EBM/CNT、EBM、PC、PC/CP和PEI/CNT）在发生高氟污染的吸附、解吸、扩散、转移等动力学行为。实验设计主要包含污染（Contamination）、释气（Outgassing）、晶圆（Wafer）和浸提（Leaching）四种评估方式。首先是污染评估，通过人为滴加HF溶液造成FOUP内聚合物材料表面沾污。其次是释气评估，用氮气吹扫（Purge）置换掉初始空气，持续监控一周内聚合物材料释气性。再者是通过晶圆评估，仍旧用氮气吹扫置换掉初始空气，之后将带金属膜的晶圆放入FOUP，持续12天监控转移至晶圆表面污染物浓度变化。最后是浸提评估，当释气一周后，再每隔一周浸提一次聚合物材料表面，测试过程中污染物浓度变化。

▲污染评估：5种材料FOUP空气中氟浓度变化

测试发现，4小时后，EBM/CNT载具内空气中污染物浓度最高，PEI/CNT最低。5种聚合物材料对氟的吸附能力排序：PEI/CNT > PC/CP > PC > EBM > EBM/CNT。24小时后，EBM载具内空气中污染物浓度最高。

▲释气评估：5种材料FOUP空气中氟浓度变化

测试发现，PC载具在吹扫后表现出极其强烈且快速的释气，空气中氟含量急速上升。PC/CP和EBM载具在吹扫4小时后才出现了明显释气，而EBM/CNT和PEI/CNT载具在24小时后监测空气中氟浓度仍低于0.6ppbV。5种聚合物材料释气性排序：PC > PC/CP > EBM > PEI/CNT > EBM/CNT。

▲晶圆评估：吹扫后转移至晶圆表面氟浓度变化

测试发现，各种材料FOUP在第一天都出现了污染物向晶圆表面迅速转移的情况。有意思的是，晶圆表面浓度与FOUP释气对应材料类型排序一致，这是巧合还是有必然联系？换句话说，高释气性的FOUP是不是意味着一定会转移较多的污染物到晶圆表面？

▲浸提评估：释气后浸提FOUP内表面氟浓度变化

测试发现，多数材料在第三次浸提后都出现了浓度下降的情况。这表明污染物在聚合物体内扩散是一个极其缓慢的过程，而且不同材料间的扩散动力学差异很大。同样的问题，高释气性的FOUP是不是意味着一定会萃取到更多污染物？

 

总结

该文献通过采用释气、晶圆和浸提三种方式，组成了一套高氟污染下评估聚合物材料释气性的方案。当FOUP被污染后，短时间内通过吸附和解吸在微环境空气中氟浓度会达到高值。静置24小时后再做吹扫，不同聚合物释气性就会有差异化。同样，在吹扫后微环境空气污染物向晶圆表面转移程度同样也有差异。结合多次浸提实验结果表明，聚合物由体向表的扩散是一个缓慢过程。由此产生一个疑问，半导体化学分析从业者到底如何在实践中综合运用以上方式并对材料释气性进行有效评估，是值得思考的话题。

 

来源：Internet

关键词： 半导体 零部件 晶圆塑料载具 释气性评价