De ce ar putea o înveliș PFA mai subțire să funcționeze de fapt mai rău într-un mediu cu plasmă cu presiune joasă-din cauza bombardamentului ionic?

Setările de plasmă de presiune joasă-utilizate pentru gravarea semiconductoarelor, depunerea de vapori chimici îmbunătățită cu plasmă-(PECVD) și activarea la suprafață scufundă componentele în bombardament energetic energetic. Ionii (Ar + , O + , CF 3 + , etc) sunt conduși prin potențialul învelișului de plasmă, în general 100-1.000 V, și contactează suprafața PFA cu energii de 50-500 eV per ion. Învelișurile PFA mai subțiri (0,5–1,0 mm) sunt mai puțin potrivite pentru serviciul cu plasmă decât învelișurile mai groase (1,5–2,5 mm), deoarece bombardarea ionică erodează strat cu strat suprafața polimerului prin pulverizare fizică și gravare chimică. Peretele mai subțire are mai puțin material înainte de a ajunge la miezul metalic. Mai important, bombardarea ionică formează un strat de suprafață modificat (adâncime de 10-100 nm) cu caracteristici chimice și fizice modificate. Acest strat modificat este adesea mai permeabil la speciile reactive, accelerând deteriorarea. PFA mai gros (2–3 mm) supraviețuiește mai mult în plasma de joasă presiune, deoarece rata de eroziune este modestă în raport cu grosimea (de obicei 0,1–1,0 µm/h, în funcție de setările plasmei) și stratul de suprafață modificat nu ajunge prin perete. Tecile de 1,0 mm pot eșua după 500–1000 de ore de plasmă, în timp ce tecile de 2,5 mm pot susține 5000–10000 de ore.

Procese de eroziune prin bombardament ionic
În plasmă de joasă presiune (0,1-10 Torr) încălzitorul PFA dezvoltă o tensiune negativă de auto-polarizare în raport cu potențialul plasmei, deoarece electronii sunt mai mobili decât ionii. Autopolarizarea (de obicei 50-500 V pentru plasmele RF, 100-1000 V pentru plasmele DC) împinge ionii pozitivi către suprafața PFA. Ionii transferă impuls polimerului la ciocnire, ejectând atomi și molecule, într-un proces numit pulverizare fizică. Randamentul de pulverizare cu PFA (atomi îndepărtați pe ion incident) în plasma de argon este de 0,5-2,0 la energii ionice de 200-500 eV. Rata de eroziune e=Y × J_ion × (M / (ρ × N_A)) unde Y este randamentul pulverizarii, J_ion este densitatea curentului ionic (mA/cm²), M este greutatea moleculară, ρ este densitatea. Pentru o plasmă RF tipică (13,56 MHz, 100 W, 100 mTorr Ar), J_ion ~ 1-5 mA/cm^2, Y ~ 1,0, rezultând e ~ 0,2-1,0 µm/h. Eroziunea în 1000 h. 0.2-1.0 mm Teaca de 1,0 mm pierde 20–100% din grosime, dar teaca de 2,5 mm pierde doar 8–40%.

În prezența gazelor reactive (O₂, CF₄, SF₆, Cl₂) se adaugă gravare chimică la pulverizarea fizică. De exemplu, suprafața PFA reacționează cu plasma de oxigen pentru a genera COF₂, CO₂ și HF volatile. Rata de gravare chimică poate fi de 2-10 ori mai mare decât pulverizarea fizică. O înveliș PFA de 1,0 mm poate fi erodat în întregime în 200-500 ore în plasmă 50% O2/50% Ar. Eroziunea nu este uniformă. Colțurile ascuțite se erodează rapid (a se vedea articolul 62), iar părțile care se confruntă cu strălucirea plasmei se erodează mai repede decât locațiile umbrite. Peretele PFA devine grosimea de 0,2-0,5 mm, se formează găuri și speciile de plasmă se apropie de miezul metalic. Miezul este expus la plasmă reactivă și se corodează rapid (Incoloy creează fluoruri metalice volatile în plasmele pe bază de fluor) provocând contaminarea și defectarea încălzitorului.

Performanță vs. grosime în plasmă
Tipul de plasmă Compoziția gazului Energie ionică (eV) Viteza de eroziune (micron/oră) Ore maxime până la 0,5 mm Ore rămase (începând cu 1,0 mm) Ore maxime până la 0,5 mm Ore rămase (începând cu 2,5 mm) Grosime minimă recomandată Inert (numai pulverizare) Ar, He 200–500 0.2–{0.5 1,000–2,500 4,000–10,000 1.5 mm
Oxidant (chimic + pulverizare) O2, O2/Ar 100-300 0.5-2.0 250-1,000 1,000-4,000 2.0 mm
Fluorocarbon (gravare) CF4, CHF3, C4F8 200–500 1.0–5.0 100–500 400–2000 2.5 mm
Clor Cl₂, BCl₃ 100–300 0.3–1.0 500–1,500 2,000–6,000 2.0 mm
Plasmă cu densitate înaltă-(ICP) Oricare 500–1,000 2.0–{10.0 50–250 200–1,000 3.0 mm (dacă este utilizat PFA)
Plasmă cu ajutorul fasciculului de ioni Oricare 1.000–5,000 5.0–20.0 25–{100 100–500 Nu este adecvat pentru PFA
Plasmă atmosferică (energie scăzută) Aer, N₂<50 <0.05 >10,000 >50,000 1.0 mm acceptabil
Îmbunătățirea permeabilității și modificarea suprafeței
Bombardamentul ionic face mai mult decât să elimine materialul, ci modifică supraviețuirea din apropierea-regiunii de suprafață. Ionii rup legăturile C-F și generează radicali liberi care reacționează cu gazele ambientale. Stratul modificat (de obicei 10-100 nm grosime) are o concentrație scăzută de fluor (scăderea fluorului), un conținut mai mare de oxigen (din reactivitatea cu O2 sau H2O rezidual) și o densitate mai mare a legăturilor încrucișate. Stratul modificat este de obicei mai permeabil la speciile reactive (de exemplu, oxigen atomic, radicali de fluor) decât PFA virgin. Permeabilitatea îmbunătățită accelerează degradarea sub suprafață. Pentru o manta subtire (1,0 mm) stratul modificat este de 10–20% din grosimea peretelui dupa 500 h, in timp ce pentru o manta groasa (2,5 mm) este de doar 4–8%. Partea neafectată a tecii subțiri care rămâne poate fi prea subțire pentru a constitui o barieră eficientă. Stratul subțire poate deveni poros sau fragil și permite speciilor de plasmă să pătrundă până la miez, chiar și fără eroziune majoră.

Experiența pe teren cu instrumente de gravare cu plasmă cu semiconductor indică faptul că încălzitoarele PFA cu pereți de 1,0 până la 1,5 mm utilizate ca încălzitoare in-situ (cufundate în plasmă) eșuează după 6 până la 12 luni. Aceleași încălzitoare cu pereți de 2,5–3,0 mm vor dura 3–5 ani. Eșecul nu este catastrofal, ci progresiv. Asgroparea suprafeței , apoi formarea de orificii , apoi fluorurarea miezului metalic (după cum se demonstrează prin decolorarea violet sau neagră a miezului Incoloy . Fluorurile metalice nu sunt-conductoare și pot duce la defecțiunea circuitului deschis sau la desprinderea și contaminarea plachetelor.

Recomandări pentru proiectarea serviciului cu plasmă
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, >Energie ionică de 500 eV) PFA poate să nu fie acceptabil, indiferent de grosime și alte materiale (cuarț, alumină sau carbură de siliciu) ar trebui investigate. 1.5-2.0 mm PFA este adecvat pentru plasmă cu energii ionice < 100 eV (de exemplu, plasmă în aval, plasmă la distanță).

Măsuri suplimentare de precauție: (1) Plasați o barieră metalică împământătă (cu găuri) în jurul încălzitorului pentru a capta ionii energetici înainte ca aceștia să ajungă la PFA. Scutul nu trebuie să interfereze în mod substanțial cu transferul de căldură. (2) Rotiți încălzitorul pentru a face suprafața paralelă cu liniile câmpului electric, reducând astfel fluxul efectiv de ioni. (3) Folosiți un grad de PFA cu greutate moleculară mai mare (MFI mai mic, vezi articolul #37) cu rezistență la eroziune îmbunătățită. (4) Pentru plasmele cu fluorocarbon, luați în considerare acoperirea PFA cu un strat subțire (0,1-0,2 mm) de PTFE sau FEP, care are un randament de pulverizare mai mic decât PFA (din cauza unei concentrații mai mari de fluor). Niciun fluoropolimer nu este rezistent la plasmele de oxigen. Utilizați cuarț sau metal.

Concluzie: PFA mai gros funcționează mai bine în plasmă
În condiții de plasmă de joasă presiune, o acoperire cu PFA mai subțire (0,5-1,5 mm) are de fapt o performanță mai slabă decât o înveliș mai groasă (2,5-3,0 mm) din cauza eroziunii prin bombardament ionic (0,1-10 µm/oră) și a modificării suprafeței care mărește penetrarea. Peretele mai subțire expune miezul metalic mai devreme, iar stratul schimbat reprezintă o fracțiune mai mare din peretele rămas. Durata de viață așteptată a unei învelișuri de gravare cu plasmă standard (energie ionică de 200-500 eV, 0,5-2,0 um/h rata de eroziune) este de 500-2.000 de ore pentru o teacă de 1,0 mm și 2.000-10.000 de ore pentru o teacă de 2,5 mm, de 4-5 ori mai lungă. Inginerii care proiectează încălzitoare PFA pentru camere cu plasmă trebuie să utilizeze cel mai gros perete posibil (2,5 până la 3,0 mm) și să accepte un transfer de căldură mai mic sau o dimensiune mai mare a încălzitorului. Barierele mai subțiri sunt o economie falsă. Ideea intuitivă că „mai puțin material=mai puțină deteriorare” este falsă în plasmă. Este condusă de eroziune, nu de permeație sau stres termic. Eroziunea scoate materialul din exterior înăuntru. Mai mult material înseamnă că durează mai mult până când miezul metalic este expus. Pentru serviciul cu plasmă în fabrici de semiconductori, PFA minim de 2,5 mm este standard. Încălzitorul de 1,5 mm este considerat consumabil și adecvat numai pentru aplicații cu plasmă de scurtă durată sau de putere mică. Specificați grosimea cu parametrii de reducere specifici plasmei. Verificați grosimea peretelui la primirea inspecției. În plasmă, mai gros nu este mai bine, este necesar pentru un serviciu fiabil.