氟材料的分类以及在半导体行业中的应用

氟材料是指分子结构中含有氟原子的一类高分子合成材料,以其卓越的耐化学性、耐高低温性、低介电常数、低摩擦系数和憎水憎油性而闻名。


氟塑料 图摄于25年橡塑展劲孚化工


一、氟材料的分类

主要可以分为以下几大类:

1. 氟树脂(塑料)

这是应用最广泛的一类氟材料,通常为半结晶性聚合物。

聚四氟乙烯 (PTFE):俗称“塑料王”。具有最优异的化学惰性、宽广的使用温度(-190°C ~ 260°C)、极低的摩擦系数和介电常数。但其缺点是难以加工(通常采用烧结成型)且机械性能较差。


PTFE在半导体上的应用 图摄于北塑研究所展台


PTFE 膜片 图摄于爱尔克铃展台

全氟(乙烯-丙烯)共聚物 (FEP):可以看作是PTFE的改性版本,引入了丙烯单元。它保留了PTFE的大部分优良特性,但熔点更低,可以采用熔融挤出等热塑性塑料的加工方式,使其在管线衬里和线缆绝缘方面应用广泛。

可熔性聚四氟乙烯 (PFA):同样是为了改善PTFE的加工性能而开发。它的性能与PTFE非常接近,耐温性优于FEP,同时也能进行熔融加工,常用于制造要求极高的半导体级管道、阀门和容器。


PFA在半导体的应用 图摄于大金清研展台


PFA隔膜阀 图摄于索乐新材展台

聚偏氟乙烯 (PVDF):机械强度高、耐辐射性好,并且具有压电性和热电性。其化学耐性略低于PTFE/FEP/PFA,但对卤素和氧化剂仍有很好的抵抗能力。常用于制造泵、管道和洁净室建材。

乙烯-四氟乙烯共聚物 (ETFE):具有优异的抗冲击强度、耐磨性和抗撕裂性,机械性能是氟树脂中最好的之一。常用于芯片承载器、线缆护套等。

四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物 (PFA): (常与上面的PFA归为一类,性能类似)。

聚三氟氯乙烯 (PCTFE):对气体的阻隔性极好,透湿性极低,常用于高纯化学品的包装。

2.氟橡胶 (FKM)

氟橡胶是在主链或侧链含有氟原子的弹性体,以其极佳的耐高温和耐化学品(尤其是油类、燃料、酸和溶剂)性能而著称。


全氟橡胶密封圈 图摄于大金清研展台

在半导体中,主要用于制造O型圈、密封圈、隔膜等动态或静态密封件,用于真空腔室、泵阀和腐蚀性化学品输送系统中。

3.全氟醚橡胶 (FFKM)

可以看作是氟橡胶的“终极”版本,其分子链中完全不含氢原子,仅由碳、氧和氟原子构成。

具有超越FKM的耐化学性和耐极端高温性能(可达300°C以上),几乎能抵抗所有化学品的侵蚀。


全氟醚橡胶 图摄于沸点密封科技

在半导体中,用于最严苛的工艺环节,如等离子体蚀刻、化学气相沉积 (CVD) 腔体的关键密封,是确保工艺腔体超高真空和不受污染的关键材料。

4. 氟涂料和氟流体

氟涂料:用于为设备部件提供抗粘、耐腐蚀的保护层。

氟流体:如全氟聚醚 (PFPE),具有化学惰性、不燃性和热稳定性,常用于半导体设备的真空泵油和导热冷却液。


二、在半导体制造中的应用

半导体制造是极其精密的工业过程,对材料的纯度、稳定性和耐腐蚀性要求近乎苛刻。氟材料因其独一无二的特性,几乎贯穿了整个芯片制造流程。

核心需求:

  • 超高纯度:避免引入金属离子等杂质污染晶圆。

  • 卓越的耐化学性:抵抗强酸(氢氟酸、硫酸、硝酸、盐酸)、强碱、强氧化剂、高活性等离子体和各种高纯溶剂的侵蚀。

  • 耐高温性:适应CVD、扩散、离子注入等高温工艺。

  • 低释气性:在真空环境下不会释放出气体分子,避免破坏真空度和污染腔室。

  • 出色的电气性能:如低介电常数,适用于电气绝缘部件。

具体应用场景:

1. 高纯化学品输送系统

管道和管线:PFA 是制造超高纯化学品(如硫酸、氢氟酸、双氧水、蚀刻液、光刻胶溶剂)输送管道的首选材料。其内壁光滑,防止颗粒附着,且不会析出污染物。


PFA隔膜阀 图摄于日氟荣高分子展台


图摄于德赢创新

阀门、接头、泵和储罐:PTFE、PFA、PVDF 被广泛用于制造这些系统的关键部件,确保整个输送路径的纯净和耐腐蚀。

2. 晶圆加工设备(Fab Equipment)

工艺腔室部件:

蚀刻 (Etching) 和 CVD 腔体:内部的喷淋头 (Showerhead)、气体分配盘、聚焦环 (Focus Ring)、腔室内衬 (Liner) 等大量使用PTFE、PFA 等材料制造,以承受腐蚀性工艺气体(如CF₄, SF₆, Cl₂)和等离子体的轰击。

密封件:腔室门、视窗、电极导入等处的静态和动态密封,根据工况严重程度,依次使用FKM(一般工况)和 FFKM(极端工况)。FFKM是确保腔体在高腐蚀性等离子体环境中维持超高真空的关键。


全氟醚O型圈 图摄于蒲照橡塑展台

湿法工艺 (Wet Bench):

用于晶圆清洗、蚀刻的槽体、花篮、卡具等常使用PVDF 或 PP(聚丙烯)内衬,但关键部件和高端应用会使用PFA。


PTFE花篮 图摄于科赛新材展台


一体成型槽 图摄于金士领展台


超纯PTFE零部件 图摄于沃凯氟展台 


PTFE花篮 图摄于旭氟新材

3. 先进光刻技术 (Lithography)

EUV 光刻胶:极紫外 (EUV) 光刻是生产7nm以下芯片的关键技术。新一代的含氟化学放大光刻胶正在被开发,因为氟原子对EUV光有较高的吸收效率,可以提高光刻灵敏度和分辨率。

4. 化学机械抛光 (CMP)

抛光垫载体膜:CMP抛光设备的抛光头中有一层关键薄膜,用于向下均匀传递压力并保持晶圆。PTFE涂层或复合膜因其抗粘性和化学稳定性而被应用于此。

5. 真空系统

真空泵:半导体设备的干式泵和分子泵广泛使用FFKM 作为密封材料。同时,全氟聚醚 (PFPE) 油 也常用作真空泵的工作流体,因其具有极低的蒸气压和化学惰性。

6. 线缆与连接器

在具有腐蚀性气氛的厂务环境中,FEP、ETFE 被用作关键传感器和线缆的绝缘护套,保证信号传输的稳定和设备安全。


三、氟材料相关企业

结合最近展会,给大家简答罗列一下氟材料相关的企业及其主营产品,更多欢迎大家补充。