塑料制品在半導體制造生產線上的應用

塑料制品貫穿半導體制造的完整生產線，廣泛運用于晶圓制造、傳遞、運輸、存儲、清洗等步驟中，其主要應用方面如下：

典型半導體塑料制品

半導體塑料耗材在不同制程環節中發揮不同的作用，需滿足不同的材質要求，并采取不同的塑料材質，在整個工藝流程中不可或缺。以典型塑料制品晶圓載具、CMP保持環、光罩盒和氣體過濾濾芯為例：

塑料件 —— 晶圓載具①概況

• 晶圓載具是用于硅片生產、晶圓制造、以及工廠之間的晶圓儲存、運輸和防護的重要半導體塑料制品，是AMHS系統（物料自動化搬運）構建12寸晶圓廠自動化搬運方案的必備部件，是重要的半導體零部件。
• 芯片在其制造過程中，一般需要在三周內數百次往返于半導體生產線，晶圓存放在運輸盒內的時間在整個生產過程中占比很高，因此晶圓載具在整個生產過程中是必不可少的保護和運輸工具。
• 芯片昂貴且極易受到誤操作和污染的影響，而晶圓載具本身的材質、質量和潔凈與否都可能會對晶圓質量產生或大或小的影響，在芯片制造過程中起到重要作用。

塑料件——晶圓載具②FOUP/FOSB

• 晶圓載具種類豐富，且各有應用，主要的晶圓載具有FOUP和FOSB：
• 前開式晶圓傳送盒FOUP（Front Opening Unified Pod），主要用于Fab廠中晶圓的保護、運送、儲存，是一種專屬于12寸晶圓廠內的自動化傳送系統重要的傳載容器。
• 前開晶圓運輸盒 FOSB（Front Opening Shipping Box），主要用于硅片制造廠與Fab廠之間12寸晶圓的運輸。

半導體載具塑料的五大核心考量

（1）耐高溫與化學穩定性

晶圓在制造過程中需經歷高溫處理（如退火、蝕刻）與化學清洗，載具材料需具備卓越的耐高溫性能（如PEEK可承受240°C長期使用）與化學抗性（如PFA、PTFE對多數酸堿試劑穩定）。例如，第三代半導體（如碳化硅）加工需在1000°C以上進行，載具材料需避免熱變形或釋放有害物質。

（2）防靜電與低釋氣性

靜電放電（ESD）是晶圓損傷的主因，載具需采用導電材料（如碳纖改性PEEK、鋁合金）或表面涂覆防靜電涂層。同時，材料需具備低釋氣性（如PP、PES），避免釋放氣體污染晶圓表面。例如，先進制程晶圓（如3nm以下）對表面顆粒污染極敏感，低釋氣材料可減少缺陷率。

圖 國高材分析測試中心釋氣性檢測設備

（3）機械強度與尺寸穩定性

載具需承受晶圓重量與搬運沖擊，材料需具備高強度與韌性（如PEEK的抗沖擊性是PPS的2倍）。此外，材料需在溫度循環中保持尺寸穩定（如POK的熱膨脹系數接近硅），避免晶圓對位偏差或劃傷。

（4）潔凈度與易清潔性

半導體制造對潔凈度要求極高，載具材料需無顆粒釋放、低吸濕性（如PEI的吸水率<0.1%），且表面光滑易清潔（如COP材料）。例如，光刻工藝中，載具的微小顆粒都可能導致晶圓圖案缺陷。

（5）成本與可回收性

載具需平衡性能與成本，例如PP、PC等通用塑料成本低但性能有限，而PEEK、PFA等高性能材料雖昂貴，但壽命更長（如PEEK載具壽命是普通塑料的5倍以上）。此外，可回收材料（如改性PP）可降低環境影響。

圖 晶圓運輸盒材料特性，素材來源：Entegris

與傳統的中低級晶圓運輸盒相比，適用于高級品圓運輸的晶圓運輸盒具備顯著的性能優勢，包括：

• 精確的晶圓訪問——晶圓位于精確且可預測的位置；
• 可靠的設備運行——在制程機臺和自動材料處理系統上；
• 安全的晶圓保護——防止污染和損壞。

圖 各塑料及其產品應用，來源：大日商事

塑料釋氣性評估

晶圓載具的最大難點是，隨著制程工藝不斷微縮，芯片對污染要求越來越高，因此對晶圓載具原材料的釋氣性也提出了更高的要求。要知道，污染控制是提升芯片生產良率的重要手段之一，而晶圓載具又是污染控制的關鍵對象之一，因此針對晶圓載具原材料釋氣性的研究工作可以間接助力提升芯片生產良率。

本案例探討了5種聚合物材料（EBM/CNT、EBM、PC、PC/CP和PEI/CNT）在發生高氟污染的吸附、解吸、擴散、轉移等動力學行為。實驗設計主要包含污染（Contamination）、釋氣（Outgassing）、晶圓（Wafer）和浸提（Leaching）四種評估方式。首先是污染評估，通過人為滴加HF溶液造成FOUP內聚合物材料表面沾污。其次是釋氣評估，用氮氣吹掃（Purge）置換掉初始空氣，持續監控一周內聚合物材料釋氣性。再者是通過晶圓評估，仍舊用氮氣吹掃置換掉初始空氣，之后將帶金屬膜的晶圓放入FOUP，持續12天監控轉移至晶圓表面污染物濃度變化。最后是浸提評估，當釋氣一周后，再每隔一周浸提一次聚合物材料表面，測試過程中污染物濃度變化。

▲污染評估：5種材料FOUP空氣中氟濃度變化

測試發現，4小時后，EBM/CNT載具內空氣中污染物濃度最高，PEI/CNT最低。5種聚合物材料對氟的吸附能力排序：PEI/CNT > PC/CP > PC > EBM > EBM/CNT。24小時后，EBM載具內空氣中污染物濃度最高。

▲釋氣評估：5種材料FOUP空氣中氟濃度變化

測試發現，PC載具在吹掃后表現出極其強烈且快速的釋氣，空氣中氟含量急速上升。PC/CP和EBM載具在吹掃4小時后才出現了明顯釋氣，而EBM/CNT和PEI/CNT載具在24小時后監測空氣中氟濃度仍低于0.6ppbV。5種聚合物材料釋氣性排序：PC > PC/CP > EBM > PEI/CNT > EBM/CNT。

▲晶圓評估：吹掃后轉移至晶圓表面氟濃度變化

測試發現，各種材料FOUP在第一天都出現了污染物向晶圓表面迅速轉移的情況。有意思的是，晶圓表面濃度與FOUP釋氣對應材料類型排序一致，這是巧合還是有必然聯系？換句話說，高釋氣性的FOUP是不是意味著一定會轉移較多的污染物到晶圓表面？

▲浸提評估：釋氣后浸提FOUP內表面氟濃度變化

測試發現，多數材料在第三次浸提后都出現了濃度下降的情況。這表明污染物在聚合物體內擴散是一個極其緩慢的過程，而且不同材料間的擴散動力學差異很大。同樣的問題，高釋氣性的FOUP是不是意味著一定會萃取到更多污染物？

總結

該文獻通過采用釋氣、晶圓和浸提三種方式，組成了一套高氟污染下評估聚合物材料釋氣性的方案。當FOUP被污染后，短時間內通過吸附和解吸在微環境空氣中氟濃度會達到高值。靜置24小時后再做吹掃，不同聚合物釋氣性就會有差異化。同樣，在吹掃后微環境空氣污染物向晶圓表面轉移程度同樣也有差異。結合多次浸提實驗結果表明，聚合物由體向表的擴散是一個緩慢過程。由此產生一個疑問，半導體化學分析從業者到底如何在實踐中綜合運用以上方式并對材料釋氣性進行有效評估，是值得思考的話題。