Proč může tenčí PFA plášť ve skutečnosti fungovat hůře v prostředí plazmy s nízkým-tlakem kvůli iontovému bombardování?

Nízkotlaké nastavení plazmatu používané pro leptání polovodičů, plazmovou-depozici z chemických par (PECVD) a povrchovou aktivaci ponořujících komponent při bombardování energetickými ionty. Ionty (Ar +, O +, CF 3 + atd.) jsou hnány přes potenciál plazmového pláště, obecně 100-1000 V, a kontaktují povrch PFA s energiemi 50-500 eV na iont. Tenčí PFA pláště (0,5–1,0 mm) jsou méně vhodné pro plazmový provoz než silnější pláště (1,5–2,5 mm), protože iontové bombardování eroduje povrch polymeru vrstvu po vrstvě fyzikálním rozprašováním a chemickým leptáním. Tenčí stěna má méně materiálu, než se dostane ke kovovému jádru. Ještě důležitější je, že bombardování ionty vytváří změněnou povrchovou vrstvu (10-100 nm hluboká) se změněnými chemickými a fyzikálními vlastnostmi. Tato změněná vrstva je často propustnější pro reaktivní druhy, což urychluje degradaci. Tlustší PFA (2–3 mm) přežívá déle v nízkotlakém plazmatu, protože rychlost eroze je v poměru k tloušťce mírná (obvykle 0,1–1,0 µm/h, v závislosti na nastavení plazmatu) a změněná povrchová vrstva neproniká skrz stěnu. Pochvy o tloušťce 1,0 mm mohou selhat po 500–1 000 plazmových hodinách, zatímco 2,5 mm pouzdra mohou vydržet 5 000–10 000 hodin.

Erozní procesy iontovým bombardováním
V nízkotlakém -plazmě (0,1-10 Torr) vyvine ohřívač PFA záporné vlastní-předpětí vzhledem k potenciálu plazmatu, protože elektrony jsou pohyblivější než ionty. Vlastní předpětí (obvykle 50-500 V pro RF plazma, 100-1000 V pro DC plazma) tlačí kladné ionty směrem k povrchu PFA. Ionty přenášejí hybnost na polymer při srážce, vymršťují atomy a molekuly v procesu zvaném fyzikální rozprašování. Výtěžek PFA rozprašováním (odstraněné atomy na dopadající iont) v argonové plazmě je 0,5-2,0 při energiích iontů 200-500 eV. Rychlost eroze e=Y × J_ion × (M / (ρ × N_A)), kde Y je výtěžnost rozprašování, J_ion je hustota iontového proudu (mA/cm²), M je molekulová hmotnost, ρ je hustota. Pro typickou RF plazmu (13,56 MHz, 100 W, 100 mTorr Ar), J_ion ~ 1-5 mA/cm^2, Y ~ 1,0, což vede k e ~ 0,2-1,0 um/h. Eroze za 1000 h. 0.2-1.0 mm 1,0mm plášť ztratí 20–100 % své tloušťky, ale 2,5mm plášť ztratí pouze 8–40 %.

V přítomnosti reaktivních plynů (02, CF4, SF₆, Cl2) se k fyzikálnímu naprašování přidává chemické leptání. Například povrch PFA reaguje s kyslíkovou plazmou za vzniku těkavých COF2, CO2 a HF. Rychlost chemického leptání může být 2-10x vyšší než fyzikální naprašování. 1,0 mm PFA plášť může být zcela erodován za 200-500 hodin v plazmě 50% O2/50% Ar. Eroze není rovnoměrná. Ostré rohy se rychle erodují (viz článek 62) a části, které čelí plazmové záři, erodují rychleji než místa ve stínu. Stěna PFA má tloušťku 0,2-0,5 mm, tvoří se dírky a druhy plazmy se přibližují ke kovovému jádru. Jádro je vystaveno reaktivnímu plazmatu a rychle koroduje (Incoloy vytváří těkavé fluoridy kovů v plazmatu na bázi fluoru), což způsobuje kontaminaci a selhání ohřívače.

Výkon vs. tloušťka v plazmě
Typ plazmy Složení plynu Energie iontů (eV) Rychlost eroze (mikron/hodina) Max. hodiny do 0,5 mm zbývající (začátek 1,0 mm) Max. hodiny do 0,5 mm zbývající (začátek 2,5 mm) Doporučená minimální tloušťka Inertní (pouze naprašování) Ar, He 200–500 0.2–0.5 1000–2,500 4000–10,000 1.5 mm
Oxidace (chemická + rozprašování) O2, O2/Ar 100-300 0.5-2.0 250-1,000 1,000-4,000 2.0 mm
Fluorokarbon (leptání) CF4, CHF3, C4F8 200–500 1.0–5.0 100–500 400–2000 2.5 mm
Chlor Cl₂, BCl₃ 100–300 0.3–1.0 500–1,500 2,000–6,000 2.0 mm
Plazma s vysokou{0}}hustotou (ICP) Libovolná 500–1,000 2.0–10.0 50–250 200–1,000 3.0 mm (pokud se používá PFA)
Plazma s podporou iontového paprsku Libovolné 1 000–5,000 5.0–20.0 25–100 100–500 Nevhodné pro PFA
Atmosférické plazma (nízkoenergetické) Vzduch, N₂<50 <0.05 >10,000 >50,000 1.0 mm přijatelné
Zlepšení prostupnosti a úprava povrchu
Iontové bombardování dokáže víc než jen odprašovat materiál, ale mění přežívající blízko-povrchové oblasti. Ionty rozbíjejí vazby C-F a vytvářejí volné radikály, které reagují s okolními plyny. Změněná vrstva (obvykle 10-100 nm tlustá) má sníženou koncentraci fluoru (vyčerpání fluoru), větší obsah kyslíku (z reaktivity se zbytkovým O2 nebo H2O) a vyšší hustotu příčných vazeb. Změněná vrstva je obvykle propustnější pro reaktivní částice (např. atomární kyslík, fluorové radikály) než panenské PFA. Zlepšená propustnost urychluje degradaci pod povrchem. U tenkého pláště (1,0 mm) je upravená vrstva po 500 h 10–20 % tloušťky stěny, u silného pláště (2,5 mm) pouze 4–8 %. Nedotčená část tenkého pouzdra, která zůstane, může být příliš tenká, aby tvořila účinnou bariéru. Tenká vrstva se může stát porézní nebo křehkou a umožnit druhům plazmatu proniknout do jádra, a to i bez větší eroze.

Zkušenosti z terénu s nástroji pro leptání polovodičovým plazmatem ukazují, že ohřívače PFA se stěnami 1,0 až 1,5 mm používané jako ohřívače in situ (ponořené do plazmy) selžou po 6 až 12 měsících. Stejná topidla se stěnami 2,5–3,0 mm vydrží 3–5 let. Selhání není katastrofické, ale postupné. Zdrsnění povrchu, pak tvorba dírek, pak fluorace kovového jádra (jak se projevuje fialovým nebo černým zbarvením jádra Incoloy. Fluoridy kovů jsou nevodivé a mohou vést k poruše otevřeného okruhu nebo odlupování a kontaminaci plátků.

Doporučení pro návrh plazmových služeb
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 energie iontů) PFA nemusí být přijatelné bez ohledu na tloušťku a měly by být prozkoumány další materiály (křemen, oxid hlinitý nebo karbid křemíku).

Další preventivní opatření: (1) Umístěte uzemněnou kovovou bariéru (s otvory) kolem ohřívače k ​​zachycení energetických iontů dříve, než dosáhnou PFA. Štít nesmí podstatně narušovat přenos tepla. (2) Otočte ohřívač tak, aby byl povrch rovnoběžný s elektrickými siločárami, čímž se sníží efektivní tok iontů. (3) Použijte PFA s vyšší molekulovou hmotností (nižší MFI, viz článek č. 37) se zlepšenou odolností proti erozi. (4) U fluorokarbonových plazmat zvažte pokrytí PFA tenkou (0,1-0,2 mm) vrstvou PTFE nebo FEP, která má nižší výtěžnost rozprašování než PFA (kvůli vyšší koncentraci fluoru). Žádný fluoropolymer není odolný vůči kyslíkové plazmě. Použijte křemen nebo kov.

Závěr: Tlustší PFA funguje lépe v plazmě
V podmínkách nízkotlaké plazmy má tenčí PFA povlak (0,5-}1,5 mm) ve skutečnosti horší výkon než silnější plášť (2,5-3,0 mm) kvůli erozi iontovým bombardováním (0,1-10 µm/hod) a povrchovým změnám, které zvyšují penetraci. Tenčí stěna obnažuje kovové jádro dříve a změněná vrstva představuje větší zlomek zbývající stěny. Očekávaná životnost standardního plazmového leptacího pláště (200-500 eV energie iontů, 0,5-2,0 um/h rychlost eroze) je 500-2 000 hodin pro 1,0 mm plášť a 2 000-10 000 hodin pro 2,5 mm delší plášť, 4-5krát delší. Inženýři, kteří navrhují ohřívače PFA pro plazmové komory, musí použít nejtlustší možnou stěnu (2,5 až 3,0 mm) a akceptovat nižší přenos tepla nebo větší velikost ohřívače. Tenčí bariéry jsou falešnou ekonomikou. Intuitivní myšlenka, že „méně materiálu=menší zhoršení“ je v plazmě mylná. Je poháněn erozí, nikoli prostupem nebo tepelným stresem. Eroze odebírá materiál z vnějšku dovnitř. Více materiálu znamená, že trvá déle, než se obnaží kovové jádro. Pro plazmové služby v polovodičových továrnách je standardem minimální PFA 2,5 mm. 1,5 mm ohřívač je považován za spotřební a vhodný pouze pro krátkodobé nebo nízkoenergetické plazmové aplikace. Specifikujte tloušťku pomocí parametrů snížení výkonu specifických pro plazmu. Při kontrole ověřte tloušťku stěny. V plazmě, tlustší není lepší, je to nutné pro spolehlivou službu.