在半導體製造領域，當傳統工程塑膠無法同時滿足潔淨度、耐化學腐蝕性、熱穩定性、耐磨性和尺寸控制等要求時，PEEK（聚醚醚酮）被廣泛應用。它常見於晶圓處理系統、CMP（化學機械拋光）設備、光罩處理組件、測試夾具以及其他半導體設備中，這些設備的塑膠零件需要靠近晶圓、化學品或精密運動系統運作。
然而，指定使用PEEK材料只是開始。半導體裝置可能需要純PEEK、半導體級PEEK、防靜電級PEEK或增強材料，而每種材料在加工和使用過程中的性能都各不相同。因此，需要綜合考慮零件幾何形狀、坯料狀態、殘餘應力、切削熱量和清潔度要求。
本指南解釋了 PEEK 在半導體設備中的應用，如何選擇不同的等級，以及工程師在採購 CNC 加工的 PEEK 零件時需要考慮哪些因素。
為什麼在半導體製造要使用PEEK？
半導體製造包括切割、拋光、清洗、光刻、沉積、蝕刻、化學機械拋光 (CMP)、檢測、封裝和電氣性能測試等工序。在這些工序中，晶圓的運輸、定位、保護和測試必須避免引入顆粒、刮痕或化學污染。這就對兼具機械精度和製程相容性的工程塑膠提出了更高的要求。
PEEK之所以備受青睞，是因為它能同時滿足多項要求。它具有優異的耐化學性、低吸濕性、良好的尺寸穩定性、耐磨性，且耐溫性能遠高於一般工程塑膠。在晶圓或精密光學元件等應用中，其低顆粒生成率以及高純度或防靜電等級的供應，進一步提升了它的價值。
然而，PEEK並非萬能材料。其化學相容性取決於特定化學品的種類、濃度、溫度和暴露時間，而潔淨度則取決於樹脂等級、填料、加工流程和加工後處理。
PEEK與半導體裝置相關的特性
耐化學性和熱穩定性
濕式加工、清洗和化學機械拋光 (CMP) 系統可能會使塑膠零件接觸到酸、鹼、溶劑和漿料等化學物質。 PEEK 具有優異的耐化學腐蝕性能，同時在高溫下仍能保持良好的機械強度，因此適用於夾具、導軌、托架和製程組件等應用，而性能較差的塑膠在這些應用中可能會發生膨脹、強度降低或變形。
未填充的PEEK熔點約為343°C，玻璃化轉變溫度約為143°C。實際連續使用溫度取決於材料等級和機械性能要求，因此設計限制應始終遵循特定材料的資料手冊，而不是通用的PEEK溫度值。
尺寸穩定性和吸濕性
精密晶圓搬運需要可重複的定位，而濕度或溫度造成的尺寸變化會造成問題。 PEEK吸濕性相對較低，並且比許多常見的工程塑膠具有更好的尺寸穩定性。
然而，加工精度很大程度取決於原料的生產方式和材料去除量。深凹槽、薄壁和高度不對稱的幾何形狀會釋放殘餘應力，導致加工後變形，因此材料狀態和加工順序與標稱工具機精度同樣重要。
磨損、顆粒和清潔度
重複的裝載、滑動和晶圓輸送會產生磨損碎屑。在晶圓附近，這不僅是機械耐久性問題，還會造成污染。 PEEK 優異的耐磨性能使其適用於導軌、托架、擋圈和其他重複接觸的部件。
對於對污染敏感的應用，工程師也應考慮添加劑和填料。碳纖維或玻璃纖維增強材料可以提高剛度，但可能會改變耐磨性、顆粒生成、電氣性能和可加工性。因此，強度最高的PEEK等級不一定就是最佳的半導體等級。
PEEK在半導體設備的應用
PEEK晶圓載體和搬運組件
晶圓托架、導軌、叉架和傳輸組件必須保持位置穩定，同時最大限度地減少刮痕和顆粒物。根據系統的不同，材料可能還需要具備耐化學腐蝕性和可控的電氣特性。
在對潔淨度和絕緣性要求較高的場合，可使用純PEEK或高純度PEEK；而在靜電累積可能導致靜電放電風險的場合，則應優先選擇具有靜電耗散特性的PEEK。 CNC加工對於小批量晶圓處理零件特別適用，因為無需模具即可生產窄槽、複雜輪廓和客製化設備介面。
主要的加工挑戰通常在於薄壁幾何形狀。長槽、肋條和無支撐部分在材料去除過程中可能會發生位移，因此粗加工、應力控制和低力精加工變得至關重要。
PEEK CMP 擋圈
CMP保持環在控制晶圓位置的同時，與拋光墊和拋光液持續接觸。因此，其材料必須在耐磨性、化學相容性、剛性、尺寸穩定性和污染控制等方面取得平衡。
PEEK 和 PPS 均可用於此應用。在某些 CMP 條件下，PEEK 可提供更長的耐磨壽命，但不能說它在所有情況下都優於 PPS。漿料化學成分、拋光墊材料、壓力、拋光環幾何形狀和製程參數都會影響 PEEK 和 PPS 的相對性能。
對於數控加工而言，大型擋圈在平面度、同心度和變形方面都帶來了挑戰。對稱的材料去除和尺寸穩定的毛坯尤其重要，因為一旦釋放夾緊力，大型擋圈可能會發生明顯的位移。
光罩和光掩模處理組件
光掩模和光罩對顆粒、刮痕和污染非常敏感。 PEEK材質兼具耐磨性、尺寸穩定性和低釋氣性，因此可用於製作支撐件、導軌、夾具和定位組件。
在此，邊緣品質與標稱公差同等重要。即使零件通過了尺寸檢驗，如果細小的毛邊或粗糙的接觸面在使用過程中脫落顆粒，仍可能造成污染。
半導體測試插座和夾具
測試插座和半導體夾具需要在溫度變化下保持幾何形狀穩定，同時也需具備良好的電氣絕緣性和機械耐久性。根據具體的電氣、熱學和機械要求，可以使用PEEK、PPS、PAI、PI和PEI等材料。
CNC加工之所以具有價值，是因為測試零件通常包含小孔、凹槽、對準特徵以及不斷變化的特定產品幾何形狀。因此，無需專用模具即可生產小批量和中等批量的產品。
如何選擇合適的PEEK等級
圖紙上僅標註“PEEK”通常是不夠的。純PEEK、靜電耗散型PEEK、導電型PEEK、碳填充型PEEK、玻璃纖維填充型PEEK和耐磨改質PEEK的性能可能差異很大。
| PEEK型 | 主要優勢 | 典型用途 |
|---|---|---|
| 維珍聚醚醚酮 | 純度和電絕緣性 | 夾具和晶圓搬運 |
| 半導體級PEEK | 受控污染 | 晶圓接觸組件 |
| 靜電耗散型PEEK | 靜電放電控制 | 運輸工具及搬運設備 |
| 導電PEEK | 更高的導電性 | 接地和靜電控制部件 |
| 碳填充 PEEK | 更高的剛度和更低的CTE | 結構精密部件 |
| 耐磨級PEEK | 減少摩擦，改善磨損 | 導軌和滑動部件 |
| CMP專用PEEK | 優化的磨損特性 | CMP固定環 |
應用場景應決定等級。當元件在晶圓附近工作時，潔淨度和顆粒特性可能比最大剛度更重要。
PEEK 與 PPS 在半導體裝置的應用
PPS通常比PEEK價格更低，同時仍具有優異的耐化學性、尺寸穩定性和熱性能。因此，當應用不需要PEEK那樣強大的韌性、耐磨性或耐高溫性能時，PPS是一個不錯的選擇。
當PEEK較高的成本能帶來可衡量的運作效益時，例如延長零件壽命、提高韌性、降低更換頻率或在高溫下表現更佳，PEEK就具有吸引力。尤其對於CMP零件而言，材料選擇應在實際製程條件下進行驗證，而非僅基於PEEK與PPS的通用排名。
PEEK CNC 加工的主要挑戰
殘餘應力是造成尺寸不穩定的最常見原因之一。零件在粗加工後尺寸可能正常，但在精加工後會發生變形，這是因為原始板材或棒材中儲存的應力被釋放出來。薄壁、不對稱凹槽以及單側大量材料去除都會增加這種風險。
加工產生的熱會帶來另一個問題，因為聚合物的膨脹係數比金屬大，導熱係數也更低。鋒利的刀具、合適的進給速度和切削速度、有效的排屑系統以及較低的夾緊壓力有助於保持幾何形狀。對於關鍵零件，粗加工、穩定化或退火以及精加工可以比一次加工就達到最終尺寸提供更好的尺寸一致性。
毛邊控制也需要特別注意。半導體元件不應像普通塑膠零件那樣處理，因為鬆動的邊緣或加工碎屑都可能成為污染源。
CNC加工PEEK零件的設計指南
PEEK零件不應簡單地複製金屬零件的幾何形狀。極薄的壁厚、深而窄的凹槽、尖銳的內角以及非功能性表面的嚴格公差都會增加成本和變形風險。
更優的設計將功能特徵與普通幾何形狀區分開來。軸承表面、晶圓接觸特徵、基準界面和精密槽可以採用更嚴格的控制，而非關鍵的外部特徵則可以使用更合理的公差。
為了進行報價和 DFM 審核，客戶應提供 PEEK 等級、運作環境、化學品暴露、ESD 要求、清潔度要求、關鍵公差、材料認證需求和數量。
用於半導體的客製化PEEK CNC加工
成功的PEEK半導體裝置取決於材料選擇、裝置設計和加工策略的協同作用。高性能聚合物無法彌補幾何形狀不穩定、夾具不當或公差不合適等問題。
對於晶圓搬運部件、CMP固定環、測試夾具、導軌和其他半導體元件，CNC加工為原型製作和中小批量生產提供了一種高效的途徑。透過提供STEP模型、工程圖、材料規格和關鍵應用要求，加工供應商可以在生產前識別變形風險、尋找替代材料並尋找降低成本的機會。
