Чому тонша оболонка PFA насправді може працювати гірше в середовищі плазми низького{0}}тиску через іонне бомбардування?

Налаштування плазми низького{0}}тиску, які використовуються для травлення напівпровідників, плазмового{1}}підсиленого хімічного осадження з парової фази (PECVD) і поверхневої активації занурюють компоненти в енергійне іонне бомбардування. Іони (Ar +, O +, CF 3 + тощо) проходять через потенціал плазмової оболонки, як правило, 100-1000 В, і контактують з поверхнею PFA з енергією 50-500 еВ на іон. Більш тонкі PFA оболонки (0,5–1,0 мм) менш придатні для плазмового обслуговування, ніж більш товсті оболонки (1,5–2,5 мм), оскільки іонне бомбардування шар за шаром руйнує поверхню полімеру шляхом фізичного напилення та хімічного травлення. Тонша стінка має менше матеріалу, перш ніж вона потрапить до металевого сердечника. Що більш важливо, іонне бомбардування утворює змінений поверхневий шар (глибиною 10-100 нм) зі зміненими хімічними та фізичними характеристиками. Цей змінений шар часто є більш проникним для реактивних видів, що прискорює руйнування. Більш товстий PFA (2–3 мм) довше зберігається в плазмі низького тиску, оскільки швидкість ерозії помірна відносно товщини (зазвичай 0,1–1,0 мкм/год, залежно від налаштувань плазми), а змінений поверхневий шар не проникає крізь стінку. Оболонки товщиною 1,0 мм можуть вийти з ладу через 500–1000 годин плазми, тоді як оболонки товщиною 2,5 мм можуть витримати 5000–10 000 годин.

Ерозійні процеси іонним бомбардуванням
У плазмі низького-тиску (0,1-10 Торр) нагрівач PFA створює від’ємну напругу власного-зсуву щодо потенціалу плазми, оскільки електрони більш рухливі, ніж іони. Власне зміщення (зазвичай 50-500 В для радіочастотної плазми, 100-1000 В для постійної плазми) штовхає позитивні іони до поверхні PFA. Іони передають імпульс полімеру під час зіткнення, викидаючи атоми та молекули, у процесі, який називається фізичним розпиленням. Вихід розпилення PFA (атоми, видалені на один падаючий іон) в плазмі аргону становить 0,5-2,0 при енергії іонів 200-500 еВ. Швидкість ерозії e=Y × J_ion × (M / (ρ × N_A)), де Y – вихід розпилення, J_ion – густина іонного струму (мА/см²), M – молекулярна маса, ρ – густина. Для типової радіочастотної плазми (13,56 МГц, 100 Вт, 100 мТорр Ar), J_ion ~ 1-5 мА/см^2, Y ~ 1,0, що призводить до e ~ 0,2-1,0 мкм/год. Ерозія за 1000 год. 0.2-1.0 мм. Оболонка товщиною 1,0 мм втрачає 20–100% своєї товщини, а оболонка товщиною 2,5 мм – лише 8–40%.

У присутності реактивних газів (O₂, CF₄, SF₆, Cl₂) до фізичного напилення додається хімічне травлення. Наприклад, поверхня PFA реагує з кисневою плазмою, утворюючи леткі COF₂, CO₂ і HF. Швидкість хімічного травлення може бути в 2-10 разів вищою, ніж фізичного напилення. Оболонка з PFA товщиною 1,0 мм може бути повністю руйнована за 200-500 годин у плазмі 50% O2/50% Ar. Ерозія неоднорідна. Гострі кути швидко розмиваються (див. статтю 62), а частини, які стикаються з плазмовим світінням, розмиваються швидше, ніж тіньові місця. Стінка PFA стає товщиною 0,2-0,5 мм, утворюються точкові отвори, і плазма наближається до металевого ядра. Сердечник піддається впливу реактивної плазми та швидко кородує (Incoloy створює леткі фториди металів у плазмі на основі фтору), що спричиняє забруднення та вихід нагрівача з ладу.

Продуктивність і товщина в плазмі
Тип газу Склад плазми Енергія іонів (еВ) Швидкість ерозії (мікрон/год) Макс. години до 0,5 мм, що залишилися (починаючи з 1,0 мм) Макс. години до 0,5 мм, що залишилися (починаючи з 2,5 мм) Рекомендована мінімальна товщина Інертний (лише напилення) Ar, He 200–500 0.2–0.5 1,000–2,500 4,000–10,000 1.5 мм
Окислювальний (хімічний + напилення) O2, O2/Ar 100-300 0.5-2.0 250-1,000 1,000-4,000 2.0 мм
Фторвуглець (травлення) CF4, CHF3, C4F8 200–500 1.0–5.0 100–500 400–2000 2.5 мм
Хлор Cl₂, BCl₃ 100–300 0.3–1.0 500–1,500 2,000–6,000 2.0 мм
Плазма високої-щільності (ICP) Будь-який 500–1,000 2.0–10.0 50–250 200–1,000 3.0 мм (якщо використовується PFA)
Плазма з допоміжним променем іонів Будь-який 1000–5,000 5.0–20.0 25–100 100–500 Не підходить для PFA
Атмосферна плазма (низька енергія) Повітря, N₂<50 <0.05 >10,000 >50,000 1.0 мм допустимо
Покращення проникнення та модифікація поверхні
Іонне бомбардування робить більше, ніж просто розпилює матеріал, воно змінює вцілілу приповерхневу область. Іони розривають зв’язки C-F і утворюють вільні радикали, які реагують із навколишніми газами. Змінений шар (зазвичай товщиною 10-100 нм) має знижену концентрацію фтору (виснаження фтору), більший вміст кисню (через реакційну здатність із залишковим O2 або H2O) і вищу щільність поперечних зв’язків. Змінений шар зазвичай більш проникний для реакційноздатних речовин (наприклад, атомарного кисню, радикалів фтору), ніж первинний PFA. Покращена проникність прискорює деградацію під поверхнею. Для тонкої оболонки (1,0 мм) модифікований шар становить 10-20% товщини стінки через 500 год, тоді як для товстої оболонки (2,5 мм) він становить лише 4-8%. Неуражена частина тонкої оболонки, що залишилася, може бути надто тонкою, щоб створити ефективний бар’єр. Тонкий шар може стати пористим або крихким і дозволити формам плазми проникнути до ядра, навіть без значної ерозії.

Досвід застосування напівпровідникових інструментів для плазмового травлення показує, що PFA нагрівачі зі стінками від 1,0 до 1,5 мм, які використовуються як-нагрівачі на місці (занурені в плазму), виходять з ладу через 6-12 місяців. Такі ж обігрівачі зі стінками 2,5-3,0 мм прослужать 3-5 років. Збій не є катастрофічним, а поступовим. Шорсткість поверхні, потім утворення точкових отворів, потім фторування металевої серцевини (що демонструє фіолетове або чорне знебарвлення серцевини Incoloy. Фториди металів є не-провідними і можуть призвести до розриву ланцюга або відколюватися та забруднювати пластини.

Рекомендації щодо дизайну плазмового сервісу
Select the thickest PFA sheath that can be used for low-pressure plasma conditions, generally 2.5 to 3.0 mm. Thicker walls mean a longer erosion lifespan and a longer diffusion pathway for reactive substances. Trade is less heat transmission ( ΔT across sheath increases from 1.5 mm to 3.0 mm by 30 - 50 % , needing higher core temperature or larger surface area ) . For high power plasmas (>500 W, >Енергія іонів 500 еВ) PFA може бути неприйнятним незалежно від товщини, тому слід досліджувати інші матеріали (кварц, оксид алюмінію або карбід кремнію) . 1.5-2.0 мм PFA підходить для плазми з енергією іонів < 100 еВ (наприклад, плазма нижче за потоком, віддалена плазма).

Додаткові запобіжні заходи: (1) Розмістіть заземлений металевий бар’єр (з отворами) навколо нагрівача, щоб захопити енергійні іони, перш ніж вони досягнуть PFA. Екран не повинен суттєво перешкоджати теплопередачі. (2) Обертайте нагрівач, щоб зробити поверхню паралельною лініям електричного поля, таким чином зменшуючи ефективний потік іонів. (3) Використовуйте PFA з більшою молекулярною масою (нижчий MFI, див. статтю №37) із покращеною стійкістю до ерозії. (4) Для фторвуглецевої плазми розгляньте можливість покриття PFA тонким (0,1-0,2 мм) шаром PTFE або FEP, який має нижчий вихід розпилення, ніж PFA (через вищу концентрацію фтору). Жоден фторполімер не стійкий до кисневої плазми. Використовуйте кварц або метал.

Висновок: товщі PFA краще працюють у плазмі
В умовах плазми низького тиску тонше покриття PFA (0,5-1,5 мм) фактично працює гірше, ніж товстіша оболонка (2,5-3,0 мм) через ерозію іонного бомбардування (0,1-10 мкм/год) і зміну поверхні, що збільшує проникнення. Тонша стінка оголює металеве ядро ​​раніше, а змінений шар представляє більшу частину стінки, що залишилася. Очікуваний термін служби стандартної оболонки плазмового травлення (енергія іонів 200-500 еВ, швидкість ерозії 0,5-2,0 мкм/год) становить 500-2000 годин для оболонки 1,0 мм і 2000-10 000 годин для оболонки 2,5 мм, у 4-5 разів більше. Інженери, які розробляють нагрівачі PFA для плазмових камер, повинні використовувати найтовщу можливу стінку (від 2,5 до 3,0 мм) і приймати меншу теплопередачу або більший розмір нагрівача. Більш тонкі бар’єри – це помилкова економія. Інтуїтивна ідея про те, що «менше матеріалу=менше псування», у плазмі невірна. Він обумовлений ерозією, а не проникненням або тепловим стресом. Ерозія забирає матеріал іззовні всередину. Більше матеріалу означає, що потрібно більше часу, поки металеве ядро ​​оголиться. Для роботи з плазмою на напівпровідникових фабриках стандартом є PFA мінімум 2,5 мм. Нагрівач діаметром 1,5 мм вважається витратним матеріалом і підходить лише для короткочасних або малопотужних плазмових застосувань. Вкажіть товщину за допомогою параметрів зниження номінальних характеристик плазми. Перевірте товщину стінки під час перевірки. У плазмі товщі не краще, це потрібно для надійної роботи.