Miksi ohuempi PFA-suojus voi itse asiassa toimia huonommin alhaisessa{0}}paineisessa plasmaympäristössä ionipommituksen vuoksi?

Puolijohdeetsauksessa, plasma-tehostetussa kemiallisessa höyrypinnoituksessa (PECVD) ja pintaaktivaatiossa käytettävät matalapaineiset plasma--paineasetukset upottavat komponentit energiseen ionipommitukseen. Ionit (Ar + , O + , CF 3 + jne.) ohjataan plasmavaippapotentiaalin poikki, yleensä 100-1 000 V, ja ne koskettavat PFA-pintaa 50-500 eV:n energioilla ionia kohti. Ohuemmat PFA-vaipat (0,5–1,0 mm) eivät sovellu plasmahuoltoon kuin paksummat vaipat (1,5–2,5 mm), koska ionipommitus syövyttää polymeerin pintaa kerros kerrokselta fysikaalisella sputteroinnilla ja kemiallisella etsauksella. Ohuemmassa seinässä on vähemmän materiaalia ennen kuin se pääsee metalliytimeen. Vielä tärkeämpää on, että ionipommitus muodostaa muuttuneen pintakerroksen (10-100 nm syvä), jonka kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat muuttuneet. Tämä muuttunut kerros läpäisee usein reaktiivisia lajeja, mikä nopeuttaa huononemista. Paksumpi PFA (2–3 mm) säilyy pidempään matalapaineplasmassa, koska eroosionopeus on paksuuteen nähden vaatimaton (yleensä 0,1–1,0 µm/h, riippuen plasman asetuksista) eikä muuttunut pintakerros ulotu seinän läpi. 1,0 mm:n vaipat voivat rikkoutua 500–1 000 plasmatunnin jälkeen, kun taas 2,5 mm:n vaipat voivat kestää 5 000–10 000 tuntia.

Eroosioprosessit ionipommituksella
Pien-paineplasmassa (0,1-10 Torr) PFA-lämmitin kehittää negatiivisen itse-biasjännitteen suhteessa plasmapotentiaaliin, koska elektronit ovat liikkuvampia kuin ionit. Itsebias (yleensä 50-500 V RF-plasmoilla, 100-1000 V DC-plasmoilla) työntää positiivisia ioneja kohti PFA-pintaa. Ionit siirtävät vauhtia polymeeriin törmäyksessä ja irrottavat atomeja ja molekyylejä prosessissa, jota kutsutaan fysikaaliseksi ruiskutukseksi. PFA-sputterointisaanto (poistetut atomit per kohtaava ioni) argonplasmassa on 0,5-2,0 ionienergioilla 200-500 eV. Eroosionopeus e=Y × J_ion × (M / (ρ × N_A)), jossa Y on sputterin saanto, J_ion on ionivirran tiheys (mA/cm²), M on molekyylipaino, ρ on tiheys. Tyypilliselle RF-plasmalle (13,56 MHz, 100 W, 100 mTorr Ar) J_ion - 1 - 5 mA/cm2, Y - 1,0, jolloin tuloksena on e - 0,2 - 1,0 um/h. Eroosio 1000 h. 0.2-1.0 mm:ssä 1,0 mm:n vaippa menettää 20–100 % paksuudestaan, mutta 2,5 mm:n vaippa vain 8–40 %.

Reaktiivisten kaasujen (O2, CF4, SF6, Cl2) läsnä ollessa fysikaaliseen sputterointiin lisätään kemiallista syövytystä. Esimerkiksi PFA-pinta reagoi happiplasman kanssa muodostaen haihtuvaa COF2:ta, CO2:ta ja HF:a. Kemiallinen syövytysnopeus voi olla 2-10 kertaa suurempi kuin fyysinen sputterointi. 1,0 mm:n PFA-vaippa voidaan kuluttaa kokonaan 200-500 tunnissa 50 % O2/50 % Ar plasmassa. Eroosio ei ole tasaista. Terävät kulmat kuluvat nopeasti (katso artikla 62), ja plasman hehkua kohti olevat osat kuluvat nopeammin kuin varjostetut paikat. PFA-seinämä muuttuu 0,2-0,5 mm paksuksi, muodostuu reikiä ja plasmalajit lähestyvät metalliydintä. Ydin altistuu reaktiiviselle plasmalle ja syöpyy nopeasti (Incoloy luo haihtuvia metallifluorideja fluoripohjaisissa plasmassa), mikä aiheuttaa kontaminaatiota ja lämmittimen toimintahäiriön.

Suorituskyky vs. paksuus plasmassa
Plasmatyyppi Kaasukoostumus Ionienergia (eV) Eroosionopeus (mikroni/tunti)Maksimituntia - 0,5 mm Jäljellä oleva (alku 1,0 mm) Max Tuntia - 0,5 mm Jäljellä oleva (alkaen 2,5 mm) Suositeltu minimipaksuus Inertti (vain sputterointi) Ar, He 200–500 0.2–0.5 1,000–2,500 4,000–10,000 1.5 mm
Hapettava (kemiallinen + sputterointi) O2, O2/Ar 100-300 0.5-2.0 250-1, 000 1,000-4,000 2.0 mm
Fluorihiili (etsaus) CF4, CHF3, C4F8 200–500 1.0–5.0 100–500 400–2000 2.5 mm
Kloori Cl₂, BCl₃ 100–300 0.3–1.0 500–1,500 2,000–6, 000 2.0 mm
High-density plasma (ICP) Mikä tahansa 500–1,000 2.0–10.0 50–250 200–1,000 3.0 mm (jos PFA:ta käytetään)
Plasma ionisäteen avustajalla Mikä tahansa 1 000–5, 000 5.0–20.0 25–100 100–500 Ei sovellu PFA:lle
Ilmakehän plasma (matalaenergia) Ilma, N₂<50 <0.05 >10,000 >50,000 1.0 mm hyväksyttävä
Läpäisevyyden parantaminen ja pinnan muokkaus
Ionipommituksella ei vain sputteroi materiaalia, vaan se muuttaa jäljellä olevaa pinta-alaa. Ionit rikkovat C-F-sidoksia ja synnyttävät vapaita radikaaleja, jotka reagoivat ympäröivän kaasun kanssa. Muutetussa kerroksessa (yleensä 10-100 nm paksu) on alentunut fluoripitoisuus (fluorin väheneminen), suurempi happipitoisuus (johtuen reaktiivisuudesta jäännös-O2:n tai H2O:n kanssa) ja suurempi ristisidosten tiheys. Muuttunut kerros läpäisee yleensä reaktiivisia aineita (esim. atomihappi, fluoriradikaalit) paremmin kuin neitsyt PFA. Parannettu läpäisevyys nopeuttaa hajoamista pinnan alla. Ohuella vaipalla (1,0 mm) modifioitu kerros on 10–20 % seinämän paksuudesta 500 tunnin kuluttua, kun taas paksulla vaipalla (2,5 mm) se on vain 4–8 %. Jäljelle jäänyt ohuen vaipan koskematon osa voi olla liian ohut muodostaakseen tehokkaan esteen. Ohut kerros voi muuttua huokoiseksi tai hauraaksi ja sallia plasmalajien tunkeutua ytimeen jopa ilman suurta eroosiota.

Kenttäkokemus puolijohteen plasmaetsaustyökaluista osoittaa, että PFA-lämmittimet, joissa on 1,0–1,5 mm seinät, joita käytetään in-in situ-lämmittiminä (upotettuina plasmaan), epäonnistuvat 6–12 kuukauden kuluttua. Samat lämmittimet 2,5–3,0 mm seinillä kestävät 3–5 vuotta. Epäonnistuminen ei ole katastrofaalinen, vaan asteittainen. Pinnan karhentuminen, sitten reikien muodostuminen, sitten metallisydämen fluoraus (mitä osoittaa Incoloyn ytimen violetti tai musta värjäytyminen. Metallifluoridit eivät ole -johtavia ja voivat johtaa avoimen piirin vikaantumiseen tai irrota ja saastuttaa kiekkoja.

Plasmapalvelusuunnittelun suositukset
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, >500 eV ionienergia) PFA ei välttämättä ole hyväksyttävä paksuudesta riippumatta, ja muut materiaalit (kvartsi, alumiinioksidi tai piikarbidi) on tutkittava. 1.5-2.0 mm PFA sopii plasmalle, jonka ionienergia on < 100 eV (esim. alavirran plasma, etäplasma).

Muita varotoimenpiteitä: (1) Aseta maadoitettu metallisuoja (rei'illä) lämmittimen ympärille energisten ionien vangitsemiseksi ennen kuin ne saavuttavat PFA:n. Suoja ei saa olennaisesti häiritä lämmönsiirtoa. (2) Pyöritä lämmitintä, jotta pinta on samansuuntainen sähkökenttälinjojen kanssa, mikä vähentää tehollista ionivirtaa. (3) Käytä suuremman molekyylipainon (pienempi MFI, katso artikla #37) PFA-laatua, jolla on parannettu eroosionkestävyys. (4) Jos kyseessä on fluorihiiliplasma, harkitse PFA:n peittämistä ohuella (0,1–0,2 mm) PTFE- tai FEP-kerroksella, jolla on pienempi sputterointisaanto kuin PFA:lla (suuremman fluoripitoisuuden vuoksi). Mikään fluoripolymeeri ei kestä happiplasmoja. Käytä kvartsia tai metallia.

Johtopäätös: Paksumpi PFA toimii paremmin plasmassa
Matalapaineisissa plasmaolosuhteissa ohuempi PFA-pinnoite (0,5-1,5 mm) toimii itse asiassa huonommin kuin paksumpi vaippa (2,5-3,0 mm) johtuen ionipommituseroosiosta (0,1-10 µm/tunti) ja pinnan muutoksesta, joka lisää tunkeutumista. Ohuempi seinä paljastaa metalliytimen aikaisemmin ja muuttunut kerros edustaa suurempaa osaa jäljellä olevasta seinästä. Normaalin plasmaetsausvaipan (200–500 eV ionienergia, 0,5–2,0 um/h eroosionopeus) odotettu käyttöikä on 500–2 000 tuntia 1,0 mm:n vaipalle ja 2 000–10 000 tuntia 2,5 mm:n vaipalle, 4–5 kertaa pidempi. Plasmakammioihin PFA-lämmittimiä suunnittelevien insinöörien on käytettävä paksuinta mahdollista seinämää (2,5–3,0 mm) ja hyväksyttävä pienempi lämmönsiirto tai suurempi lämmittimen koko. Ohuemmat esteet ovat väärää taloutta. Intuitiivinen ajatus, että "vähemmän materiaalia=vähemmän pilaantumista" on väärä plasmassa. Sitä ohjaa eroosio, ei läpäisy tai lämpöstressi. Eroosio vie materiaalia pois ulkopuolelta sisään. Enemmän materiaalia tarkoittaa, että kestää kauemmin ennen kuin metalliydin paljastuu. Plasmahuollossa puolijohdevalmisteissa vähintään 2,5 mm PFA on vakiona. 1,5 mm:n lämmitin katsotaan kuluvaksi ja sopivaksi vain lyhytaikaisiin tai pienitehoisiin plasmasovelluksiin. Määritä paksuus plasmakohtaisilla vähennysparametreilla. Tarkista seinämän paksuus tarkastuksen yhteydessä. Plasmassa paksumpi ei ole parempi, sitä tarvitaan luotettavaan palveluun.