CVD/蚀刻工具中的 O 形圈和密封件 | 材料选择指南 - 半导体设备及配件,CP和PCM测试配件

引言

在半导体制造中，化学气相沉积 (CVD) 和蚀刻工艺需要精确的真空环境。即使是微小的泄漏或颗粒污染也可能导致产量损失和代价高昂的停机时间。维护这种完整性的核心是 O 形圈和密封件。这些看似简单的部件在确保工艺稳定性、气体隔离和设备可靠性方面发挥着至关重要的作用。因此，选择合适的密封材料不仅关乎工程设计，还关乎成本控制和长期性能。

O 形圈和密封件在 CVD/蚀刻工具中的作用

O 形圈和密封件旨在保持真空密封性并防止工艺气体泄漏。它们还能最大限度地减少颗粒污染，这对于先进节点生产至关重要。

CVD 和刻蚀腔室内的典型密封应用包括：

腔室法兰 – 确保工艺腔室无泄漏。
观察窗 – 密封用于光学监控的玻璃窗。
阀门和气路接口 – 保持供应管线和腔室之间的气体完整性。
静电卡盘和升降销 – 晶圆处理子系统中的关键密封。

如果没有正确选择和维护密封件，晶圆可能会受到交叉污染，导致设备正常运行时间缩短，并增加总拥有成本锋利。

半导体工具中常用的O形圈材料

可用的材料种类繁多，每种材料在耐高温性、耐等离子性和成本方面都有所取舍。以下是最常见的选择：

1. FKM（Viton®）

优点：对多种化学物质具有良好的耐受性，温度限制在200°C左右。
局限性：在富含等离子的环境中性能不佳，在恶劣的蚀刻工具中使用寿命相对较短。

2. FFKM（Kalrez®、Chemraz®）

优点：出色的耐化学性，优异的高温性能，非常适合用于 Cl₂、CF₄、NF₃ 等腐蚀性气体。
局限性：成本高，对于非关键位置并非总是必要。

3. 全氟弹性体替代品

优点：在性能和价格之间取得平衡。
局限性：耐用性略低于品牌 FFKM，但适用于许多主流应用。

4.硅胶/三元乙丙橡胶

优点：经济实惠，柔韧性好，适用于非关键密封，例如辅助门或盖板。
局限性：耐等离子体性低，耐高温性有限。

比较表：

材料	耐高温性	化学稳定性	适用场所	成本水平
FKM	最高 200°C	中等	辅助密封件	低
FFKM	最高 300°C	高	腔体法兰、阀门	高
FFKM Alt.	最高 280°C	中高	多用途密封件	中
硅胶	<150°C	低	非关键位置	低

选择合适材料的关键因素

1. 工艺气体
腐蚀性气体或等离子增强气体需要先进的密封材料，例如FFKM。
2. 工作温度
高温室需要具有稳定耐热性的弹性体。
3.维护周期和成本
虽然 FFKM 密封件价格昂贵，但其较长的使用寿命可以减少设备停机时间并降低总体拥有成本。
4. 颗粒控制和良率目标
耐开裂和排气的密封件直接影响晶圆良率。
5. 符合 OEM 标准
使用与原始设备制造商规格兼容的材料可确保更好的配合度和性能。

密封件维护的最佳实践

定期检查：检查是否有裂纹、膨胀或变形。
润滑：使用半导体级润滑剂，以最大程度地减少摩擦并避免产生颗粒。
批量更换：在定期维护期间成组更换密封件，以减少设备停机时间。
正确储存：将 O 形圈存放在阴凉、干燥的环境中，以防止过早老化。

遵循这些做法可以显著延长密封件和设备的使用寿命。

案例研究：延长 AMAT P5000 CVD 腔体密封件的使用寿命

一家半导体一家运行AMAT P5000 CVD 系统的工厂在使用标准 FKM O 型圈时经常出现真空泄漏。密封件在等离子暴露下会迅速劣化，需要每两个月更换一次。

改用 FFKM 密封件后：

密封件使用寿命从 2 个月延长至 6 个月。
非计划停机时间减少了 60%。
总体成本节省超过了 FFKM 材料较高的初始价格。

此示例强调了正确的材料选择如何直接提高良率并降低总体拥有成本。

结论

O 形圈和密封件看似简单的组件，但在半导体 CVD 和蚀刻工艺中，它们起着至关重要的作用。选择合适的材料需要平衡耐温性、化学兼容性、使用寿命和成本。对于关键腔室法兰和阀门，FFKM 密封件通常是最佳选择，而在非关键区域可以使用成本较低的替代品。

通过实施适当的选型和维护策略，晶圆厂可以最大限度地延长正常运行时间、减少污染并优化良率。

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