Γιατί μπορεί μια λεπτότερη θήκη PFA να έχει χειρότερη απόδοση σε περιβάλλον πλάσματος χαμηλής-πίεσης λόγω βομβαρδισμού ιόντων;

Ρυθμίσεις πλάσματος χαμηλής-πίεσης που χρησιμοποιούνται για χάραξη ημιαγωγών, βελτιωμένη εναπόθεση χημικών ατμών με πλάσμα-και βελτιωμένη εναπόθεση ατμών (PECVD) και επιφανειακή ενεργοποίηση βυθίζουν εξαρτήματα σε βομβαρδισμό με ενεργειακά ιόντα. Τα ιόντα (Ar + , O + , CF 3 + , κ.λπ.) οδηγούνται κατά μήκος του δυναμικού του περιβλήματος πλάσματος, γενικά 100-1.000 V, και έρχονται σε επαφή με την επιφάνεια του PFA με ενέργειες 50-500 eV ανά ιόν. Τα λεπτότερα περιβλήματα PFA (0,5–1,0 mm) είναι λιγότερο κατάλληλα για σέρβις πλάσματος από τα παχύτερα περιβλήματα (1,5–2,5 mm), επειδή ο βομβαρδισμός ιόντων διαβρώνει την επιφάνεια του πολυμερούς στρώμα προς στρώμα με φυσική εκτόξευση και χημική χάραξη. Το λεπτότερο τοίχωμα έχει λιγότερο υλικό πριν φτάσει στον μεταλλικό πυρήνα. Το πιο σημαντικό, ο βομβαρδισμός ιόντων σχηματίζει ένα αλλαγμένο επιφανειακό στρώμα (βάθους 10-100 nm) με αλλοιωμένα χημικά και φυσικά χαρακτηριστικά. Αυτό το αλλαγμένο στρώμα είναι συχνά πιο διαπερατό στα αντιδρώντα είδη, επιταχύνοντας τη φθορά. Πιο παχύ PFA (2-3 mm) επιβιώνει περισσότερο σε πλάσμα χαμηλής πίεσης, καθώς ο ρυθμός διάβρωσης είναι μέτριος σε σχέση με το πάχος (συνήθως 0,1-1,0 μm/ώρα, ανάλογα με τις ρυθμίσεις του πλάσματος) και το αλλαγμένο επιφανειακό στρώμα δεν φτάνει μέσα από τον τοίχο. Οι θήκες των 1,0 mm ενδέχεται να αποτύχουν μετά από 500–1.000 ώρες πλάσματος, ενώ οι θήκες των 2,5 mm μπορεί να διατηρηθούν για 5.000–10.000 ώρες.

Διαδικασίες διάβρωσης από βομβαρδισμό ιόντων
Σε πλάσμα χαμηλής-πίεσης (0,1-10 Torr) ο θερμαντήρας PFA αναπτύσσει αρνητική τάση αυτο-πόλωσης σε σχέση με το δυναμικό πλάσματος, επειδή τα ηλεκτρόνια είναι πιο κινητά από τα ιόντα. Η αυτοπροκατάληψη (συνήθως 50-500 V για πλάσματα RF, 100-1000 V για πλάσματα συνεχούς ρεύματος) ωθεί τα θετικά ιόντα προς την επιφάνεια του PFA. Τα ιόντα μεταφέρουν ορμή στο πολυμερές κατά τη σύγκρουση, εκτοξεύοντας άτομα και μόρια, σε μια διαδικασία που ονομάζεται φυσική εκτόξευση. Η απόδοση διασκορπισμού PFA (άτομα που αφαιρούνται ανά προσπίπτον ιόν) στο πλάσμα αργού είναι 0,5-2,0 σε ενέργειες ιόντων 200-500 eV. Ο ρυθμός διάβρωσης e=Y × J_ion × (M / (ρ × N_A)) όπου Y είναι η απόδοση διασκορπισμού, το J_ion είναι η πυκνότητα ρεύματος ιόντων (mA/cm²), το M είναι το μοριακό βάρος, το ρ είναι η πυκνότητα. Για ένα τυπικό πλάσμα RF (13,56 MHz, 100 W, 100 mTorr Ar), J_ion ~ 1-5 mA/cm^2, Y ~ 1,0, με αποτέλεσμα e ~ 0,2-1,0 μm/hr. Διάβρωση σε 1000 ώρες. 0.2-1.0 mm Η θήκη 1,0 mm χάνει 20–100% του πάχους της, αλλά η θήκη 2,5 mm χάνει μόνο 8–40%.

Παρουσία δραστικών αερίων (O2, CF4, SF6, Cl2) προστίθεται χημική χάραξη στη φυσική εκτόξευση. Για παράδειγμα, η επιφάνεια του PFA αντιδρά με το πλάσμα οξυγόνου για να δημιουργήσει πτητικά COF2, CO2 και HF. Ο ρυθμός χημικής χάραξης μπορεί να είναι 2-10 φορές υψηλότερος από τον φυσικό ψεκασμό. Ένα περίβλημα PFA 1,0 mm μπορεί να διαβρωθεί πλήρως σε 200-500 ώρες σε πλάσμα 50% O2/50% Ar. Η διάβρωση δεν είναι ομοιόμορφη. Οι αιχμηρές γωνίες διαβρώνονται γρήγορα (βλ. άρθρο 62) και τα μέρη που αντικρίζουν τη λάμψη του πλάσματος διαβρώνονται πιο γρήγορα από τις σκιασμένες τοποθεσίες. Το τοίχωμα PFA αποκτά πάχος 0,2-0,5 mm, σχηματίζονται οπές και είδη πλάσματος πλησιάζουν τον μεταλλικό πυρήνα. Ο πυρήνας εκτίθεται σε αντιδραστικό πλάσμα και διαβρώνεται γρήγορα (το Incoloy δημιουργεί πτητικά φθορίδια μετάλλων σε πλάσματα με βάση το φθόριο) προκαλώντας μόλυνση και αστοχία του θερμαντήρα.

Απόδοση έναντι πάχους στο πλάσμα
Τύπος πλάσματος Σύνθεση αερίου Ενέργεια ιόντων (eV) Ταχύτητα διάβρωσης (μικρό/ώρα) Μέγ. ώρες έως 0,5 mm Υπόλοιπες (αρχή 1,0 mm) Μέγιστες ώρες έως 0,5 mm Υπόλοιπες (έναρξη 2,5 mm) Συνιστώμενο ελάχιστο πάχος Αδρανές (μόνο με ψεκασμό) Αρ, 200–500 0.2–0.5 1.000–2,500 4.000–10,000 1.5 mm
Οξειδωτικό (χημικό + διασκορπισμός) O2, O2/Ar 100-300 0.5-2.0 250-1,000 1,000-4,000 2.0 mm
Φθοριοάνθρακας (χαρακτική) CF4, CHF3, C4F8 200–500 1.0–5.0 100–500 400–2000 2.5 mm
Χλώριο Cl2, BCl3 100–300 0.3–1.0 500–1,500 2,000–6,000 2.0 mm
Πλάσμα υψηλής-πυκνότητας (ICP) Οποιαδήποτε 500–1,000 2.0–10.0 50–250 200–1,000 3.0 mm (εάν χρησιμοποιείται PFA)
πλάσμα με υποβοήθηση δέσμης ιόντων Οποιαδήποτε 1.000–5,000 5.0–20.0 25–100 100–500 Δεν είναι κατάλληλη για PFA
Ατμοσφαιρικό πλάσμα (χαμηλής ενέργειας) Αέρας, N2<50 <0.05 >10,000 >50,000 1.0 mm αποδεκτό
Ενίσχυση διείσδυσης και τροποποίηση επιφάνειας
Ο βομβαρδισμός ιόντων κάνει περισσότερα από το να απομακρύνει απλώς το υλικό, αλλά μεταβάλλει την επιζούσα περιοχή κοντά-της επιφάνειας. Τα ιόντα διασπούν τους δεσμούς C-F και δημιουργούν ελεύθερες ρίζες που αντιδρούν με τα αέρια του περιβάλλοντος. Το αλλαγμένο στρώμα (συνήθως πάχους 10-100 nm) έχει μειωμένη συγκέντρωση φθορίου (απώλεια φθορίου), μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε οξυγόνο (από αντιδραστικότητα με υπολειμματικό O2 ή H2O) και μεγαλύτερη πυκνότητα διασταυρούμενων συνδέσεων. Το αλλαγμένο στρώμα είναι συνήθως πιο διαπερατό σε αντιδρώντα είδη (π.χ. ατομικό οξυγόνο, ρίζες φθορίου) από το παρθένο PFA. Η βελτιωμένη διαπερατότητα επιταχύνει την υποβάθμιση κάτω από την επιφάνεια. Για ένα λεπτό περίβλημα (1,0 mm) το τροποποιημένο στρώμα είναι 10–20% του πάχους του τοιχώματος μετά από 500 ώρες, ενώ για ένα παχύ θηκάρι (2,5 mm) είναι μόνο 4–8%. Το ανεπηρέαστο τμήμα της λεπτής θήκης που παραμένει μπορεί να είναι πολύ λεπτό για να αποτελέσει αποτελεσματικό φράγμα. Το λεπτό στρώμα μπορεί να γίνει πορώδες ή εύθραυστο και να επιτρέψει στα είδη του πλάσματος να διεισδύσουν στον πυρήνα, ακόμη και χωρίς μεγάλη διάβρωση.

Η εμπειρία πεδίου με τα εργαλεία χάραξης πλάσματος ημιαγωγών δείχνει ότι οι θερμαντήρες PFA με τοιχώματα 1,0 έως 1,5 mm που χρησιμοποιούνται όπως οι θερμαντήρες in situ (βυθισμένοι στο πλάσμα) αποτυγχάνουν μετά από 6 έως 12 μήνες. Οι ίδιοι θερμαντήρες με τοίχους 2,5–3,0 mm θα διαρκέσουν 3–5 χρόνια. Η αποτυχία δεν είναι καταστροφική αλλά σταδιακή. Τραχύτητα επιφάνειας, μετά σχηματισμός οπών καρφίτσας, μετά φθορίωση του μεταλλικού πυρήνα (όπως αποδεικνύεται από τον μωβ ή μαύρο αποχρωματισμό του πυρήνα Incoloy. Τα φθοριούχα μέταλλα δεν είναι-αγώγιμα και μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία ανοιχτού κυκλώματος ή να σπάσουν και να μολύνουν τις γκοφρέτες.

Συστάσεις για Σχεδιασμό Υπηρεσίας Πλάσματος
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, >Ενέργεια ιόντων 500 eV) Το PFA μπορεί να μην είναι αποδεκτό ανεξάρτητα από το πάχος και άλλα υλικά (χαλαζίας, αλουμίνα ή καρβίδιο του πυριτίου) θα πρέπει να διερευνηθούν. 1.5-2.0 mm Το PFA είναι κατάλληλο για το πλάσμα με ενέργεια ιόντων < 100 eV (π.χ. πλάσμα κατάντη, απομακρυσμένο πλάσμα).

Πρόσθετα προληπτικά μέτρα: (1) Τοποθετήστε ένα γειωμένο μεταλλικό φράγμα (με οπές) γύρω από τη θερμάστρα για να δεσμεύσει τα ενεργητικά ιόντα προτού φτάσουν στο PFA. Η θωράκιση δεν πρέπει να παρεμβαίνει ουσιαστικά στη μεταφορά θερμότητας. (2) Περιστρέψτε τον θερμαντήρα για να κάνετε την επιφάνεια παράλληλη με τις γραμμές ηλεκτρικού πεδίου, μειώνοντας έτσι την αποτελεσματική ροή ιόντων. (3) Χρησιμοποιήστε μεγαλύτερου μοριακού βάρους (χαμηλότερο MFI, βλέπε άρθρο #37) βαθμό PFA με βελτιωμένη αντοχή στη διάβρωση. (4) Για πλάσματα φθοράνθρακα, εξετάστε το ενδεχόμενο να καλύψετε το PFA με ένα λεπτό (0,1-0,2 mm) στρώμα PTFE ή FEP, το οποίο έχει χαμηλότερη απόδοση εκτόξευσης από το PFA (λόγω υψηλότερης συγκέντρωσης φθορίου). Κανένα φθοροπολυμερές δεν είναι ανθεκτικό στο πλάσμα οξυγόνου. Χρησιμοποιήστε χαλαζία ή μέταλλο.

Συμπέρασμα: Το παχύτερο PFA λειτουργεί καλύτερα στο πλάσμα
Σε συνθήκες πλάσματος χαμηλής πίεσης, μια πιο λεπτή επίστρωση PFA (0,5-1,5 mm) έχει στην πραγματικότητα χειρότερη απόδοση από ένα παχύτερο περίβλημα (2,5-3,0 mm) λόγω της διάβρωσης από βομβαρδισμό ιόντων (0,1-10 μm/ώρα) και της αλλοίωσης της επιφάνειας που αυξάνει τη διείσδυση. Το λεπτότερο τοίχωμα εκθέτει τον μεταλλικό πυρήνα νωρίτερα και το αλλαγμένο στρώμα αντιπροσωπεύει ένα μεγαλύτερο κλάσμα του υπόλοιπου τοιχώματος. Η αναμενόμενη διάρκεια ζωής ενός τυπικού περιβλήματος χάραξης πλάσματος (ενέργεια ιόντων 200-500 eV, ρυθμός διάβρωσης 0,5-2,0 um/hr) είναι 500-2.000 ώρες για ένα περίβλημα 1,0 mm και 2.000-10.000 ώρες για ένα περίβλημα 2,5 mm, 4-5 φορές περισσότερο. Οι μηχανικοί που σχεδιάζουν θερμαντήρες PFA για θαλάμους πλάσματος πρέπει να χρησιμοποιούν το παχύτερο δυνατό τοίχωμα (2,5 έως 3,0 mm) και να αποδέχονται τη χαμηλότερη μεταφορά θερμότητας ή το μεγαλύτερο μέγεθος θερμαντήρα. Τα λεπτότερα εμπόδια είναι μια ψεύτικη οικονομία. Η διαισθητική ιδέα ότι «λιγότερο υλικό=λιγότερη φθορά» είναι εσφαλμένη στο πλάσμα. Οδηγείται από τη διάβρωση, όχι από τη διείσδυση ή τη θερμική καταπόνηση. Η διάβρωση απομακρύνει το υλικό από το εξωτερικό προς τα μέσα. Περισσότερο υλικό σημαίνει ότι χρειάζεται περισσότερος χρόνος μέχρι να εκτεθεί ο μεταλλικός πυρήνας. Για σέρβις πλάσματος σε εργοστάσια ημιαγωγών, το ελάχιστο PFA 2,5 mm είναι στάνταρ. Ο θερμαντήρας 1,5 mm θεωρείται αναλώσιμος και κατάλληλος μόνο για βραχυπρόθεσμες ή χαμηλής ισχύος εφαρμογές πλάσματος. Καθορίστε το πάχος με ειδικές για το πλάσμα παραμέτρους μείωσης. Επαληθεύστε το πάχος του τοιχώματος κατά την επιθεώρηση λήψης. Στο πλάσμα, το παχύτερο δεν είναι καλύτερο, απαιτείται για αξιόπιστο σέρβις.