Nízkotlaká plazmová prostředí-používaná při leptání polovodičů, plazmovém-vylučování chemických par (PECVD) a povrchové aktivaci-vystavují ponořené součásti bombardování energetickými ionty. Ionty (Ar⁺, O⁺, CF₃⁺ atd.) jsou urychlovány napříč potenciálem plazmového pláště, typicky 100–1 000 V, a dopadají na povrch PFA s energiemi 50–500 eV na iont. Tenčí PFA plášť (0,5–1,0 mm) funguje hůře než tlustší (1,5–2,5 mm) v plazmovém provozu, protože iontové bombardování eroduje povrchovou vrstvu polymeru po vrstvě fyzikálním rozprašováním a chemickým leptáním. Tenčí stěna má méně materiálu, než dosáhne kovového jádra. Ještě důležitější je, že bombardování ionty vytváří upravenou povrchovou vrstvu (10–100 nm hlubokou) se změněnými chemickými a fyzikálními vlastnostmi. Tato modifikovaná vrstva je často propustnější pro reaktivní látky, což urychluje degradaci. V nízkotlakém plazmatu poskytuje silnější PFA (2–3 mm) delší životnost, protože rychlost eroze (obvykle 0,1–1,0 µm za hodinu v závislosti na podmínkách plazmatu) spotřebovává tloušťku pomalu a upravená povrchová vrstva nepronikne celou stěnou. 1,0 mm pouzdro může selhat za 500–1 000 plazmových hodin; 2,5 mm pouzdro může vydržet 5 000–10 000 hodin.
Erozní mechanismy iontového bombardování
V nízkotlakém -plazmě (0,1–10 Torr) vyvine ohřívač PFA záporné vlastní -přepětí vzhledem k potenciálu plazmy, protože elektrony jsou pohyblivější než ionty. Vlastní předpětí (typicky 50–500 V pro RF plazma, 100–1 000 V pro DC plazma) urychluje kladné ionty směrem k povrchu PFA. Při dopadu přenesou ionty hybnost na polymer a vymrští atomy a molekuly-proces zvaný fyzikální rozprašování. Výtěžnost rozprašování (odstraněné atomy na dopadající iont) pro PFA v argonové plazmě je 0,5–2,0 při energii iontu 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/cm², Y ≈ 1,0, což dává e ≈ 0,2–1,0 µm za hodinu. Po 1000 hodinách eroze dosahuje 0,2–1,0 mm. Pochva o tloušťce 1,0 mm ztratí 20–100 % své tloušťky; 2,5mm pouzdro ztrácí pouze 8–40 %.
Chemické leptání se přidává k fyzikálnímu rozprašování, když jsou přítomny reaktivní plyny (O2, CF4, SF₆, Cl2). Kyslíkové plazma například reaguje s povrchem PFA za vzniku COF2, CO2 a HF, které těkají. Rychlost chemického leptání může být 2–10× vyšší než u fyzikálního naprašování. V plazmě 50 % O₂/50 % Ar může 1,0 mm PFA pouzdro zcela erodovat za 200–500 hodin. Eroze není rovnoměrná; ostré rohy erodují rychleji (viz článek #62) a oblasti přivrácené k plazmové záři erodují rychleji než zastíněné oblasti. Jakmile se stěna PFA ztenčí na 0,2–0,5 mm, vytvoří se dírky a druhy plazmy se dostanou do kovového jádra. Jádro vystavené reaktivnímu plazmatu rychle koroduje (Incoloy tvoří těkavé fluoridy kovů v plazmě-na bázi fluoru), což vede ke kontaminaci a selhání ohřívače.
Tloušťka-závislý výkon v plazmě
| Typ plazmy | Složení plynu | Iontová energie (eV) | Rychlost eroze (µm/hod) | Maximální zbývající hodiny do 0,5 mm (počínaje 1,0 mm) | Maximální zbývající hodiny do 0,5 mm (počínaje 2,5 mm) | Doporučená min. tloušťka |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Inertní (pouze naprašování) | Ar, On | 200–500 | 0.2–0.5 | 1,000–2,500 | 4,000–10,000 | 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 |
| Fluorocarbon (leptání) | CF4, CHF3, C4F8 | 200–500 | 1.0–5.0 | 100–500 | 400–2,000 | 2,5 mm |
| Na bázi chlóru- | Cl2, BCI3 | 100–300 | 0.3–1.0 | 500–1,500 | 2,000–6,000 | 2,0 mm |
| Plazma s vysokou{0}}hustotou (ICP) | Žádný | 500–1,000 | 2.0–10.0 | 50–250 | 200–1,000 | 3,0 mm (pokud se používá PFA) |
| Plazma s asistencí iontového paprsku | Žádný | 1,000–5,000 | 5.0–20.0 | 25–100 | 100–500 | Nevhodné pro PFA |
| Atmosférická plazma (nízká energie) | Vzduch, N2 | <50 | <0.05 | >10,000 | >50,000 | 1,0 mm přijatelné |
Úprava povrchu a vylepšení propustnosti
Iontové bombardování dělá víc než jen odstranění materiálu,-modifikuje zbývající blízko{1}}povrchové oblasti. Ionty rozbíjejí vazby C-F a vytvářejí volné radikály, které reagují s okolními plyny. Modifikovaná vrstva (typicky 10–100 nm tlustá) má nižší obsah fluoru (vyčerpání fluoru), vyšší obsah kyslíku (z reakce se zbytkovým O₂ nebo H₂O) a vyšší hustotu příčných-spojení. Tato modifikovaná vrstva je často propustnější pro reaktivní látky (např. atomový kyslík, fluorové radikály) než původní PFA. Zvýšená permeace urychluje degradaci pod povrchem. U tenkého pláště (1,0 mm) zaujímá upravená vrstva po 500 hodinách 10–20 % tloušťky stěny; u tlustého pláště (2,5 mm) zabírá pouze 4–8 %. Zbývající nemodifikovaný materiál tenkého pláště může být příliš tenký na to, aby poskytoval účinnou bariéru. I bez významné eroze se může tenký plášť stát porézním nebo křehkým, což umožňuje plazmovým druhům dosáhnout jádra.
Polní důkazy z nástrojů pro leptání polovodičovým plazmatem ukazují, že ohřívače PFA se stěnami 1,0–1,5 mm používané jako ohřívače in situ (ponořené do plazmy) selžou během 6–12 měsíců. Stejná topidla se stěnami 2,5–3,0 mm vydrží 3–5 let. Způsob selhání není katastrofický, ale progresivní: zdrsnění povrchu, pak tvorba dírek, pak fluorace kovového jádra (důkazem je fialové nebo černé zbarvení jádra Incoloy). Fluoridy kovů nejsou-vodivé a mohou způsobit selhání-otevřeného obvodu nebo se mohou odlupovat a kontaminovat destičky.
Návrhová doporučení pro plazmový servis
For low-pressure plasma environments, specify the thickest practical PFA sheath, typically 2.5–3.0 mm. Thicker walls increase the erosion lifetime and extend the diffusion path for reactive species. The trade-off is reduced heat transfer (ΔT across sheath increases by 30–50% from 1.5 mm to 3.0 mm, requiring higher core temperature or larger surface area). For high-power plasma (>500 W, >iontová energie 500 eV), PFA nemusí být vhodné bez ohledu na tloušťku; je třeba zvážit alternativní materiály (křemen, oxid hlinitý nebo karbid křemíku). Pro plazmu s energiemi iontů pod 100 eV (např. plazma po proudu, vzdálená plazma) je přijatelná 1,5–2,0 mm PFA.
Další ochranná opatření: (1) Nainstalujte uzemněný kovový štít (s perforacemi) kolem ohřívače, aby zachytil energetické ionty dříve, než dosáhnou PFA. Štít nesmí výrazně blokovat přenos tepla. (2) Nasměrujte ohřívač tak, aby jeho povrch byl rovnoběžný s elektrickými siločárami, čímž se sníží efektivní tok iontů. (3) Použijte třídu PFA s vyšší molekulovou hmotností (nižší MFI, viz článek #37), která má lepší odolnost proti erozi. (4) U fluorokarbonových plazmat zvažte potažení PFA tenkou (0,1–0,2 mm) vrstvou PTFE nebo FEP, která má nižší výtěžnost rozprašování než PFA (kvůli vyššímu obsahu fluoru). Pro kyslíkové plazmy není odolný žádný fluoropolymer; použijte křemen nebo kov.
Závěr: Tlustší PFA má lepší výkon v plazmě
V nízkotlakém plazmovém prostředí má tenčí PFA plášť (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 úpravě povrchu, která zlepšuje prostup. Tenčí stěna má před vystavením kovového jádra méně materiálu a upravená vrstva zabírá větší část zbývající stěny. Za typických podmínek plazmového leptání (200–500 eV energie iontů, rychlost eroze 0,5–2,0 µm/h) může 1,0mm plášť selhat za 500–2000 hodin, zatímco 2,5mm plášť vydrží 2000–10 000 hodin-4–5. Technici, kteří specifikují ohřívače PFA pro plazmové komory, musí použít nejtlustší praktickou stěnu (2,5–3,0 mm) a akceptovat snížený přenos tepla nebo větší velikost ohřívače. Tenčí stěny jsou falešnou ekonomikou. Intuitivní předpoklad, že „méně materiálu znamená méně degradace“, je v plazmě mylný. Dominantním mechanismem je eroze, nikoli permeace nebo tepelné namáhání. Eroze odstraňuje materiál z vnějšku dovnitř. Více materiálu znamená více času do obnažení kovového jádra. Pro plazmové služby v polovodičových závodech je standardem minimálně 2,5 mm PFA. 1,5mm ohřívač je považován za jednorázový, vhodný pouze pro krátkodobé-aplikace nebo aplikace s nízkým-příkonem plazmy. Určete tloušťku pomocí faktorů snížení-specifických pro plazmu a ověřte tloušťku stěny při přijímací kontrole. V plazmě platí, že tlustší není jen lepší – je to povinné pro spolehlivou službu.
