Защо по-тънката обвивка от PFA всъщност може да работи по-зле в плазмена среда с ниско{0}}налягане поради йонна бомбардировка?

Настройките на плазмата при ниско{0}}налягане, използвани за ецване на полупроводници, плазмено-усилено химическо отлагане на пари (PECVD) и повърхностно активиране, потапят компонентите в бомбардиране с енергични йони. Йони (Ar +, O +, CF 3 + и т.н.) се задвижват през потенциала на плазмената обвивка, обикновено 100-1000 V, и контактуват с PFA повърхността с енергии от 50-500 eV на йон. По-тънките PFA обвивки (0,5–1,0 mm) са по-малко подходящи за плазмено обслужване от по-дебелите обвивки (1,5–2,5 mm), тъй като йонното бомбардиране разяжда повърхността на полимера слой по слой чрез физическо разпръскване и химическо ецване. По-тънката стена има по-малко материал, преди да стигне до металната сърцевина. По-важното е, че йонното бомбардиране образува променен повърхностен слой (дълбочина 10-100 nm) с променени химични и физични характеристики. Този променен слой често е по-пропусклив за реактивни видове, ускорявайки влошаването. По-дебелият PFA (2–3 mm) оцелява по-дълго в плазма с ниско налягане, тъй като скоростта на ерозия е умерена спрямо дебелината (обикновено 0,1–1,0 µm/hr, в зависимост от настройките на плазмата) и промененият повърхностен слой не достига през стената. Обвивките от 1,0 mm могат да се повредят след 500–1000 плазмени часа, докато обвивките от 2,5 mm могат да издържат 5000–10 000 часа.

Ерозионни процеси чрез йонна бомбардировка
В плазма с ниско{0}}налягане (0,1-10 Torr) PFA нагревателят развива отрицателно само-напрежение по отношение на потенциала на плазмата, тъй като електроните са по-подвижни от йоните. Самонапрежението (обикновено 50-500 V за RF плазми, 100-1000 V за DC плазми) избутва положителните йони към повърхността на PFA. Йоните предават импулса на полимера при сблъсък, изхвърляйки атоми и молекули, в процес, наречен физическо разпръскване. Добивът на PFA разпръскване (отстранени атоми за падащ йон) в аргонова плазма е 0,5-2,0 при енергии на йони от 200-500 eV. Скоростта на ерозия e=Y × J_ion × (M / (ρ × N_A)), където Y е добивът на разпръскване, J_ion е плътността на йонния ток (mA/cm²), M е молекулното тегло, ρ е плътността. За типична радиочестотна плазма (13,56 MHz, 100 W, 100 mTorr Ar), J_ion ~ 1-5 mA/cm^2, Y ~ 1,0, което води до e ~ 0,2-1,0 µm/hr. Ерозия за 1000 часа. 0.2-1.0 mm Обвивката от 1,0 mm губи 20–100% от дебелината си, но обвивката от 2,5 mm губи само 8–40%.

В присъствието на реактивни газове (O₂, CF4, SF₆, Cl₂) към физическото разпръскване се добавя химическо ецване. Например повърхността на PFA реагира с кислородна плазма, за да генерира летливи COF₂, CO₂ и HF. Скоростта на химическо ецване може да бъде 2-10 пъти по-висока от физическото разпръскване. 1,0 mm PFA обвивка може да бъде ерозирана изцяло за 200-500 часа в 50% O2/50% Ar плазма. Ерозията не е равномерна. Острите ъгли ерозират бързо (вижте член 62), а частите, които са изправени пред плазмения блясък, ерозират по-бързо от сенчестите места. PFA стената става 0,2-0,5 mm дебела, образуват се дупки и плазмените видове се приближават до металното ядро. Сърцевината е изложена на реактивна плазма и корозира бързо (Incoloy създава летливи метални флуориди в базирани на флуор плазми), причинявайки замърсяване и повреда на нагревателя.

Производителност срещу дебелина в плазмата
Тип плазма Газов състав Йонна енергия (eV) Скорост на ерозия (микрон/час) Макс. часове до 0,5 mm оставащи (започващи 1,0 mm) Макс. часове до 0,5 mm оставащи (започващи 2,5 mm) Препоръчителна минимална дебелина Инертен (само разпръскване) Ar, He 200–500 0.2–0.5 1,000–2,500 4,000–10,000 1.5 mm
Окисляващ (химикал + разпръскване) O2, O2/Ar 100-300 0.5-2.0 250-1,000 1,000-4,000 2.0 mm
Флуорокарбон (ецване) CF4, CHF3, C4F8 200–500 1.0–5.0 100–500 400–2000 2.5 mm
Хлор Cl₂, BCl3 100–300 0.3–1.0 500–1,500 2,000–6,000 2.0 mm
Плазма с висока{0}}плътност (ICP) Всякакви 500–1,000 2.0–10.0 50–250 200–1,000 3.0 mm (ако се използва PFA)
Плазма с помощ от йонен лъч Всеки 1000–5,000 5.0–20.0 25–100 100–500 Не е подходящ за PFA
Атмосферна плазма (ниска енергия) Въздух, N₂<50 <0.05 >10,000 >50,000 1.0 mm приемливо
Подобряване на проникването и модификация на повърхността
Йонното бомбардиране прави повече от просто разпръскване на материала, то променя оцелялата част от -повърхностния регион. Йоните разрушават C-F връзките и генерират свободни радикали, които реагират с околните газове. Промененият слой (обикновено с дебелина 10-100 nm) има намалена концентрация на флуор (изчерпване на флуор), по-голямо съдържание на кислород (от реактивност с остатъчен O2 или H2O) и по-висока плътност на напречните връзки. Промененият слой обикновено е по-пропусклив за реактивни видове (напр. атомарен кислород, флуорни радикали) от необработения PFA. Подобрената пропускливост ускорява разграждането под повърхността. За тънка обвивка (1,0 mm) модифицираният слой е 10–20% от дебелината на стената след 500 h, докато за дебела обвивка (2,5 mm) е само 4–8%. Незасегнатата част от тънката обвивка, която остава, може да е твърде тънка, за да представлява ефективна бариера. Тънкият слой може да стане порест или крехък и да позволи на плазмените видове да проникнат до ядрото, дори без голяма ерозия.

Опитът на място с полупроводникови инструменти за плазмено ецване показва, че PFA нагреватели със стени от 1,0 до 1,5 mm, използвани като-in situ нагреватели (потопени в плазмата), се повредят след 6 до 12 месеца. Същите нагреватели със стени от 2,5–3,0 mm ще издържат 3–5 години. Провалът не е катастрофален, а постепенен. Загрубяване на повърхността, след това образуване на дупки, след това флуориране на металната сърцевина (както се вижда от лилаво или черно обезцветяване на сърцевината от Incoloy. Металните флуориди са не-проводими и могат да доведат до прекъсване на веригата или да се отцепят и да замърсят пластини.

Препоръки за дизайн на плазмени услуги
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 йонна енергия) PFA може да не е приемлив, независимо от дебелината и трябва да се изследват други материали (кварц, алуминиев оксид или силициев карбид) . 1.5-2.0 mm PFA е подходящ за плазма с йонни енергии < 100 eV (напр. плазма надолу по веригата, отдалечена плазма).

Допълнителни предпазни мерки: (1) Поставете заземена метална бариера (с дупки) около нагревателя, за да улови енергийни йони, преди да достигнат PFA. Екранът не трябва да пречи съществено на преноса на топлина. (2) Завъртете нагревателя, за да направите повърхността успоредна на линиите на електрическото поле, като по този начин намалите ефективния йонен поток. (3) Използвайте клас PFA с по-голямо молекулно тегло (по-нисък MFI, вижте член #37) с подобрена устойчивост на ерозия. (4) За флуоровъглеродни плазми обмислете покриването на PFA с тънък (0,1-0,2 mm) слой от PTFE или FEP, който има по-нисък добив на разпръскване от PFA (поради по-високата концентрация на флуор). Нито един флуорополимер не е устойчив на кислородна плазма. Използвайте кварц или метал.

Заключение: По-дебелият PFA работи по-добре в плазмата
При условия на плазма с ниско налягане по-тънкото PFA покритие (0,5-1,5 mm) всъщност се представя по-лошо от по-дебелата обвивка (2,5-3,0 mm) поради ерозия от йонно бомбардиране (0,1-10 µm/час) и промяна на повърхността, която увеличава проникването. По-тънката стена разкрива металната сърцевина по-рано и промененият слой представлява по-голяма част от оставащата стена. Очакваният живот на стандартна обвивка с плазмено ецване (200-500 eV йонна енергия, 0,5-2,0 um/hr скорост на ерозия) е 500-2000 часа за обвивка 1,0 mm и 2000-10 000 часа за обвивка 2,5 mm, 4-5 пъти по-дълго. Инженерите, проектиращи PFA нагреватели за плазмени камери, трябва да използват възможно най-дебелата стена (2,5 до 3,0 mm) и да приемат по-нисък топлопренос или по-голям размер на нагревателя. По-тънките бариери са фалшива икономика. Интуитивната идея, че „по-малко материал=по-малко влошаване“ е невярна в плазмата. Движи се от ерозия, а не от проникване или топлинен стрес. Ерозията отнема материала отвън навътре. Повече материал означава, че отнема повече време, докато металната сърцевина бъде изложена. За плазмено обслужване в полупроводникови фабрики стандартът е 2,5 mm минимум PFA. Нагревателят от 1,5 mm се счита за консуматив и е подходящ само за краткосрочни или нискомощни плазмени приложения. Посочете дебелина със специфични за плазмата параметри на намаляване на мощността. Проверете дебелината на стената при проверка при получаване. При плазмата по-дебелата не е по-добра, необходима е за надеждна услуга.