Puolijohdeetsauksessa, plasma-tehostetussa kemiallisessa höyrysaostuksessa (PECVD) ja pintaaktivaatiossa-käytetyt matalapaineiset plasmaympäristöt-alistavat upotetut komponentit energeettiselle ionipommitukselle. Ionit (Ar⁺, O⁺, CF₃⁺ jne.) kiihtyvät plasmavaipan potentiaalin yli, tyypillisesti 100–1 000 V, ja iskevät PFA-pintaan 50–500 eV:n energioilla ionia kohti. Ohuempi PFA-vaippa (0,5–1,0 mm) toimii huonommin kuin paksumpi (1,5–2,5 mm) plasmakäytössä, koska ionipommitus syövyttää polymeerin pintaa kerros kerrokselta fysikaalisen sputteroinnin ja kemiallisen syövytyksen kautta. Ohuemmassa seinässä on vähemmän materiaalia ennen metalliytimen saavuttamista. Vielä kriittisemmin, ionipommitus luo modifioidun pintakerroksen (10–100 nm syvä), jonka kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat muuttuneet. Tämä muunnettu kerros on usein läpäisevämpi reaktiivisille lajeille, mikä nopeuttaa hajoamista. Matalapaineisessa plasmassa paksumpi PFA (2–3 mm) tarjoaa pidemmän käyttöiän, koska eroosionopeus (yleensä 0,1–1,0 µm tunnissa plasman olosuhteista riippuen) kuluttaa paksuutta hitaasti, eikä modifioitu pintakerros tunkeudu koko seinämän läpi. 1,0 mm:n vaippa voi rikkoutua 500–1 000 plasmatunnissa; 2,5 mm:n vaippa voi kestää 5 000–10 000 tuntia.
Ionipommituksen eroosiomekanismit
Matalapaineisessa plasmassa (0,1–10 Torr) PFA-lämmitin kehittää negatiivisen itse-esijännitteen suhteessa plasmapotentiaaliin, koska elektronit ovat liikkuvampia kuin ionit. Itse-bias (tyypillisesti 50–500 V RF-plasmoille, 100–1 000 V DC-plasmalle) kiihdyttää positiivisia ioneja kohti PFA-pintaa. Iskussa ionit siirtävät vauhtia polymeeriin ja poistavat atomeja ja molekyylejä{12}}prosessia, jota kutsutaan fysikaaliseksi ruiskutukseksi. PFA:n sputterointisaanto (poistettua ionia kohti) argonplasmassa on 0,5–2,0 200–500 eV ionienergialla. 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 e ≈ 0,2–1,0 µm tunnissa. Yli 1000 tunnin aikana eroosio saavuttaa 0,2–1,0 mm. 1,0 mm:n vaippa menettää 20–100 % paksuudestaan; 2,5 mm:n vaippa menettää vain 8–40 %.
Kemiallinen syövytys lisää fysikaalista sputterointia, kun läsnä on reaktiivisia kaasuja (O₂, CF4, SF6, Cl2). Esimerkiksi happiplasma reagoi PFA-pinnan kanssa muodostaen COF2:ta, CO2:ta ja HF:a, jotka haihtuvat. Kemiallinen syövytysnopeus voi olla 2–10 kertaa suurempi kuin fyysinen sputterointi. Plasmassa, jossa on 50 % O₂/50 % Ar, 1,0 mm:n PFA-vaippa voi kulua kokonaan 200–500 tunnissa. Eroosio ei ole tasaista; terävät kulmat kuluvat nopeammin (katso artikkeli #62), ja plasman hehkua kohti olevat alueet kuluvat nopeammin kuin varjostetut alueet. Kun PFA-seinämä ohenee 0,2–0,5 mm:iin, muodostuu reikiä ja plasmalajit saavuttavat metalliytimeen. Reaktiiviselle plasmalle alttiina oleva ydin syöpyy nopeasti (Incoloy muodostaa haihtuvia metallifluorideja fluori-pohjaisissa plasmassa), mikä johtaa kontaminaatioon ja lämmittimen epäonnistumiseen.
Paksuudesta{0}}riippuva suorituskyky plasmassa
| Plasman tyyppi | Kaasun koostumus | Ionienergia (eV) | Eroosionopeus (µm/tunti) | Enimmäistunnit 0,5 mm:iin jäljellä (alkaen 1,0 mm) | Enimmäistunnit 0,5 mm:iin jäljellä (alkaen 2,5 mm) | Suositeltu minimipaksuus |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Inertti (vain ruiskutus) | Ar, Hän | 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 | 400–2,000 | 2,5 mm |
| Kloori-pohjainen | Cl2, BCl3 | 100–300 | 0.3–1.0 | 500–1,500 | 2,000–6,000 | 2,0 mm |
| High{0}}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 ionisädeavusteella | 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 |
Pinnan modifiointi ja läpäisevyyden parantaminen
Ionipommituksella ei tehdä muuta kuin poistaa materiaalia,{0}}se muuttaa jäljellä olevaa pinta-alaa. Ionit rikkovat C-F-sidoksia ja muodostavat vapaita radikaaleja, jotka reagoivat ympäröivän kaasun kanssa. Modifioidussa kerroksessa (tyypillisesti 10–100 nm paksu) on pienempi fluoripitoisuus (fluorihäviö), korkeampi happipitoisuus (reaktiosta jäännös-O₂:n tai H2O:n kanssa) ja suurempi siltojen -tiheys. Tämä modifioitu kerros läpäisee usein reaktiivisia aineita (esim. atomihappi, fluoriradikaalit) kuin koskematon PFA. Tehostettu läpäisy nopeuttaa hajoamista pinnan alla. Ohuella vaipalla (1,0 mm) modifioitu kerros vie 10–20 % seinämän paksuudesta 500 tunnin kuluttua; paksulla vaipalla (2,5 mm) se vie vain 4–8%. Ohuen vaipan jäljellä oleva modifioimaton materiaali voi olla liian ohutta muodostamaan tehokkaan suojan. Jopa ilman merkittävää eroosiota ohuesta vaipasta voi tulla huokoinen tai hauras, jolloin plasmalajit pääsevät ytimeen.
Puolijohdeplasman etsaustyökalujen kenttätodisteet osoittavat, että PFA-lämmittimet, joiden seinämät ovat 1,0–1,5 mm:n seinät, joita käytetään in-in situ-lämmittiminä (upotettuina plasmaan), epäonnistuvat 6–12 kuukaudessa. Samat lämmittimet 2,5–3,0 mm seinämillä kestävät 3–5 vuotta. Vikatila ei ole katastrofaalinen, vaan progressiivinen: pinnan karhentuminen, sitten reikien muodostuminen, sitten metallisydämen fluoraus (josta on osoituksena Incoloyn ytimen violetti tai musta värjäytyminen). Metallifluoridit eivät ole-johtavia ja voivat aiheuttaa avoimen-piirin vian tai ne voivat irrota ja saastuttaa kiekot.
Plasmahuollon suunnittelusuositukset
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, >500 eV ionienergia), PFA ei välttämättä ole sopiva paksuudesta riippumatta; vaihtoehtoisia materiaaleja (kvartsi, alumiinioksidi tai piikarbidi) tulee harkita. Plasmalle, jonka ionienergia on alle 100 eV (esim. alavirran plasma, etäplasma), 1,5–2,0 mm PFA on hyväksyttävä.
Lisäsuojatoimenpiteet: (1) Asenna maadoitettu metallisuojus (rei'itettynä) lämmittimen ympärille, jotta se sieppaa energiset ionit ennen kuin ne saavuttavat PFA:n. Suoja ei saa merkittävästi estää lämmönsiirtoa. (2) Suuntaa lämmitin niin, että sen pinta on yhdensuuntainen sähkökenttälinjojen kanssa, mikä vähentää tehollista ionivirtaa. (3) Käytä korkeamman molekyylipainon omaavaa PFA-laatua (alempi MFI, katso artikkeli #37), jolla on parempi eroosionkestävyys. (4) Jos kyseessä on fluorihiiliplasma, harkitse PFA:n päällystämistä ohuella (0,1–0,2 mm) PTFE- tai FEP-kerroksella, jolla on pienempi sputterointisaanto kuin PFA:lla (suuremman fluoripitoisuuden vuoksi). Happiplasmoissa mikään fluoripolymeeri ei ole kestävä; käytä kvartsia tai metallia.
Johtopäätös: Paksumpi PFA toimii paremmin plasmassa
Matalapaineisissa plasmaympäristöissä ohuempi PFA-vaippa (0,5–1,5 mm) toimii itse asiassa huonommin kuin paksumpi vaippa (2,5–3,0 mm) ionipommituksen eroosion (0,1–10 µm/tunti) ja läpäisyä lisäävän pinnan muuntelun vuoksi. Ohuemmassa seinässä on vähemmän materiaalia ennen metalliytimen paljastamista, ja modifioitu kerros vie suuremman osan jäljellä olevasta seinästä. Tyypillisissä plasmaetsausolosuhteissa (200–500 eV ionienergia, 0,5–2,0 µm/tunti eroosionopeus) 1,0 mm:n vaippa voi rikkoutua 500–2 000 tunnissa, kun taas 2,5 mm:n vaippa kestää 2 000–10 000 tuntia pidempään-. Plasmakammioihin PFA-lämmittimiä määrittävien insinöörien tulee käyttää paksuinta käytännöllistä seinää (2,5–3,0 mm) ja hyväksyä alennettu lämmönsiirto tai suurempi lämmittimen koko. Ohuemmat seinät ovat väärää taloutta. Intuitiivinen oletus, että "vähemmän materiaalia tarkoittaa vähemmän hajoamista" on väärä plasmassa. Hallitseva mekanismi on eroosio, ei läpäisy tai lämpöjännitys. Eroosio poistaa materiaalia ulkopuolelta sisään. Enemmän materiaalia tarkoittaa enemmän aikaa metalliytimen paljastukseen. Plasmahuoltoa varten puolijohdeteollisuudessa vähintään 2,5 mm:n PFA on vakiona. 1,5 mm:n lämmitin katsotaan kertakäyttöiseksi, ja se soveltuu vain lyhytaikaisiin-tai pienitehoisiin plasmasovelluksiin. Määritä paksuus plasma--spesifisten vähennyskertoimien avulla ja tarkista seinämän paksuus tarkastuksen yhteydessä. Plasmassa paksumpi ei ole vain parempi – se on pakollinen luotettavan palvelun kannalta.
