半导体CMP保持环：PEEK与PPS之争

保持环泡在研磨液里还要抗微划伤：PEEK 是当前主流，PPS 在哪一档成本与工况里能上位。从磨损、纯度金属离子控制与晶圆尺寸升级三条线给出切换判据。

凌晨两点，Fab 线的值班工程师接到电话：CMP 机台报警，一批晶圆良率掉了三个点。

查下来不是抛光液，不是抛光垫，是一颗直径三百多毫米（外径约 350mm）的塑料环——保持环。环的内壁被浆料里的颗粒啃出一道槽，颗粒在槽里聚集、脱落，划了晶圆。换环，复机，一个夜班搭进去。

这颗环不起眼，它决定的却是一条产线的良率，和一张停机账单。

一颗环，卡在晶圆与良率之间

保持环装在 CMP 抛光头里，环绕晶圆，跟晶圆一起压在抛光垫上。它干四件事：

固定晶圆。晶圆高速旋转、承受下压，没有环兜着，晶圆会从抛光头里滑出去。

压住边缘、均匀施压。环施加的下压力比晶圆本身还高，防止晶圆飞出；环面设计又让晶圆边缘不过抛（over-polishing），边缘去除均匀，良率才有保障。

引导抛光液。环的沟槽结构影响浆料膜厚度与流动——浆料怎么铺、铺多厚，环说了算。

保护边缘。给晶圆边缘一个缓冲，防止崩边、碎裂。

一句话：晶圆压得住、转得稳、浆料流得匀，全靠这颗环兜底。

CMP（化学机械抛光）是晶圆全局平坦化的关键工序，负责去除氧化硅、钨、铜等表面层。一道 CMP 工序的耗材清单里，抛光液、抛光垫、修整器之外，就有保持环。它是标准的消耗件，装上去不意味着一劳永逸。

为什么它天生是耗材

保持环的工作环境，说白了是被按在砂纸上磨：晶圆和环一起压在抛光垫上，抛光垫自带磨料，浆料里还有悬浮颗粒。

磨损分两处看。一是正面：环面与抛光垫对磨，磨掉一圈，环变薄，下压力分布就偏了，晶圆平坦度跟着变差。二是内槽：浆料颗粒在环内壁越积越多，把内壁啃出槽，业内叫 side attack。颗粒聚集、脱落、再落到晶圆表面，直接造成微划伤（micro-scratch）。

微划伤是良率杀手。一片晶圆上落几个微划伤，可能整片报废。厂商给的口径：标准 PPS 环，每数个抛光垫周期就要换一次。换环要停机，停机按小时算钱，先进制程产线的停机成本，一个夜班就是六位数。

磨损速度，直接决定换环频次、设备利用率和良率。保持环的材料选择，从这里开始变得重要。

材料要过四道关

综合几家官方表述，保持环材料要同时过四道关：

耐磨，第一优先。 磨损率决定寿命和设备利用率，也决定微划伤风险。内槽一旦被啃，颗粒脱落就止不住。

耐化学，pH 跨度大。 CMP 浆料横跨酸碱：铜浆料、钨浆料偏酸，pH 大约 2–5；氧化硅浆料偏碱，pH 大约 9–11。浆料里还有双氧水这类氧化剂。材料在 pH 1–12 区间内不能掉链子（行业口径，个别厂商表述到 0–14）。

尺寸稳定。 环的加工公差严苛，温度、压力、吸湿都不能让尺寸漂移。热膨胀系数（CLTE）要低，玻璃化转变温度（Tg）要高。

低颗粒脱落、低析出。 环本身不能成为污染源：低颗粒产生、低放气、低金属离子析出。半导体行业有高纯聚合物标准 SEMI E49-0304，专门管这件事。标准规定的测试不轻松：去离子水 80–125℃ 下萃取 24–48 小时，再用 ICP-MS、离子色谱测析出量。

四道关一起过，候选材料就剩那么几个。PEEK 和 PPS，是绕不开的两个名字。

PEEK 凭什么当主流

国际大厂的口径很一致：PEEK 环的寿命是 PPS 环的两倍或以上（某 PEEK 树脂大厂官方）；耐磨性最高能做到 PPS 的三倍（某德国型材商官方）。行业技术文的常用说法，是约两倍。

两倍寿命意味着什么？停机次数减半，换环频次减半，微划伤概率下降，浆料里磨下来的颗粒也少——抛光垫和膜跟着受益，整套耗材的寿命平衡变好。厂商测算，换 PEEK 环，生产率最多能提升约 3%。数字不大，对一条 24 小时跑产的线，3% 就是真金白银。

机械性能上，两家未填充牌号的官方对比：拉伸强度 PEEK 166 MPa、PPS 103 MPa；断裂伸长率 15% 对 6.5%；缺口冲击 4 对 2.6 kJ/m²。韧性的差距一眼可见——PPS 环加工时容易崩裂，PEEK 环抗开裂、抗崩口。

纯度上，某德国型材商的保持环专用 PEEK 牌号（TECAPEEK CMP）做过 ICP-MS 金属析出实测：铝 <1、钙 <10、铜 <1、铁 <4、镁 <6、钾 <1、锌 <1（ppm 级）。低放气、低析出，对先进制程的良率友好。这个牌号还宣称，耐磨比竞品 PEEK 再高 20%。

耐化学：PEEK 在宽 pH 范围保持惰性，耐水解，耐过热蒸汽。它有个边界——不耐强氧化性酸长时间浸泡，但 CMP 浆料里的双氧水，浓度和温度都在 PEEK 的耐受窗口内。

PPS 的账本：便宜、耐热、Tg 之后变脸

PPS 是保持环的行业基准材料，这个说法出自官方资料。它便宜，树脂价明显低于 PEEK；耐热不差，长期使用温度 230℃，短时 260℃，熔点 281℃；化学耐受面比 PEEK 还宽——官方原话，仅次于 PTFE。吸水率比 PEEK 还低，高湿环境下尺寸稳得住。压缩强度（5% 应变）134 MPa，比 PEEK 的 102 MPa 还高。

短板在哪？

热膨胀。PPS 的 Tg 只有 97℃。Tg 以下，CLTE 大约 6×10⁻⁵/K；一到 100–150℃ 区间，陡升到 11×10⁻⁵/K。保持环工作温度远低于 100℃，但 CMP 有摩擦生热，有清洗烘干步骤，温度越界时，PPS 的尺寸会明显漂移。PEEK 的 Tg 有 143–150℃，热膨胀整体低于 PPS，余量大一截。

韧性。断裂伸长率 6.5% 对 15%，缺口冲击 2.6 对 4 kJ/m²。PPS 偏脆，加工易崩裂，使用中开裂风险高。

寿命。标准 PPS 环几个抛光垫周期一换，微划伤也多。但 PPS 内部差距巨大：某德国型材商的改进型 PPS 牌号（TECATRON CMP，保持环专用），在量产设备上实测，氧化浆料里寿命比行业标准 PPS 长两倍以上，微划伤缺陷率明显降一截。

"PPS 寿命短"这句，说的是标准牌号。改进型 PPS，是成本敏感产线的一条中间路线。

参数对比与选材建议

参数	PEEK（未填充）	PPS（标准）
保持环寿命（相对标准 PPS）	2–3 倍	1 倍（基准）；改进型 >2 倍
拉伸强度	166 MPa	103 MPa
断裂伸长率	15%	6.5%
缺口冲击（Charpy）	4 kJ/m²	2.6 kJ/m²
CLTE	低于 PPS；Tg 143–150℃	Tg 97℃ 以上 6→11×10⁻⁵/K 陡升
长期使用温度	250–260℃	230℃
耐化学	宽 pH 惰性，离子析出极低	耐受面宽，仅次 PTFE
成本	高	低，显著便宜

脚注：寿命数据是供应商在特定浆料、垫、压力条件下的测试口径（氧化浆料、3.8 psi、150 rpm），各厂条件不一致，跨厂数值不可直接互比；机械性能为未填充牌号官方对比数据。

选材建议按工况分三档：

先进制程、追求良率的产线，上 PEEK。 寿命两到三倍，停机减半，低析出直接贡献良率。环贵出来的钱，摊到每片晶圆上，被换环次数减半和良率提升盖过。

成本敏感、性能有富余的成熟制程，用改进型 PPS。 拿 PPS 的价格，买到接近 PEEK 的寿命——当前性价比最高的一条路。标准 PPS，只适合对微划伤不敏感的老工艺。

特殊工况单独看。 某日系厂商的保持环专用 PET-P 牌号（Semitron CMP LL5），氧化浆料工况下磨损寿命号称标准 PPS 的 8 倍，值得盯一眼。结构上，一体式、包胶式环（金属嵌件注塑一体成型）比传统粘贴式在寿命和污染控制上占优，选材要连着结构方案一起评估。

结构趋势也值得留意：韩国一家环制造商用 PEEK 做金属嵌件注塑一体式环，对比传统不锈钢基座加 PPS 贴片的两件式结构，官方案例称寿命拉长、成本还省；某国产厂商的原生 PEEK 树脂（ZYPEEK 770G）也已在保持环上做现场验证，国产替代在提速。

行业背景：CMP 设备与耗材市场，2025 年约 80–90 亿美元，2035 年约 130–150 亿美元，年复合增速 6–7%，亚太占六成多（行业统计口径）。单看 CMP 耗材（抛光液加抛光垫），2025 年约 38 亿美元，2026 年预计增长超过 10%，AI 芯片和 GAA 架构是两大推手。前端晶圆产能 2023–2028 年复合增速约 7%，7nm 及以下先进制程产能同期增长约 69%。先进制程越多，环消耗越快，材料之争只会越打越热。

回到那颗环。良率骤降三个点的夜班，换一次环就救回来了。那下一次呢？当先进制程把 pH、转速、下压力都往上顶的时候，PPS 的 Tg 那道坎，还跨得过去吗？

免责声明：本文所述性能数据为实验室测试典型值，实际使用效果受注塑工艺、模具设计和加工条件等因素影响，详细参数请咨询材料供应商获取TDS与选材建议。