Perché una guaina in PFA più sottile potrebbe effettivamente avere prestazioni peggiori in un ambiente con plasma a bassa-pressione a causa del bombardamento ionico?

Le impostazioni del plasma a bassa-pressione utilizzate per l'attacco dei semiconduttori, la deposizione chimica in fase vapore potenziata dal plasma-(PECVD) e l'attivazione della superficie immergono i componenti in un bombardamento ionico energetico. Gli ioni (Ar + , O + , CF 3 + , ecc.) vengono guidati attraverso il potenziale della guaina del plasma, generalmente 100-1.000 V, e entrano in contatto con la superficie del PFA con energie di 50-500 eV per ione. Le guaine in PFA più sottili (0,5–1,0 mm) sono meno adatte per il servizio al plasma rispetto alle guaine più spesse (1,5–2,5 mm) perché il bombardamento ionico erode la superficie del polimero strato dopo strato mediante sputtering fisico e attacco chimico. La parete più sottile contiene meno materiale prima di raggiungere l'anima metallica. Ancora più importante, il bombardamento ionico forma uno strato superficiale modificato (profondo 10-100 nm) con caratteristiche chimiche e fisiche alterate. Questo strato modificato è spesso più permeabile alle specie reattive, accelerando il deterioramento. Il PFA più spesso (2–3 mm) sopravvive più a lungo nel plasma a bassa pressione, poiché il tasso di erosione è modesto rispetto allo spessore (solitamente 0,1–1,0 µm/ora, a seconda delle impostazioni del plasma) e lo strato superficiale modificato non raggiunge la parete. Le guaine da 1,0 mm possono cedere dopo 500–1.000 ore di plasma, mentre le guaine da 2,5 mm possono durare 5.000–10.000 ore.

Processi di erosione mediante bombardamento ionico
Nel plasma a bassa-pressione (0,1-10 Torr) il riscaldatore PFA sviluppa una tensione di auto-bias negativa rispetto al potenziale del plasma, poiché gli elettroni sono più mobili degli ioni. L'autopolarizzazione (solitamente 50-500 V per i plasmi RF, 100-1000 V per i plasmi DC) spinge gli ioni positivi verso la superficie del PFA. Gli ioni trasferiscono la quantità di moto al polimero in seguito alla collisione, espellendo atomi e molecole, in un processo chiamato sputtering fisico. La resa dello sputtering PFA (atomi rimossi per ione incidente) nel plasma di argon è 0,5-2,0 a energie ioniche di 200-500 eV. Il tasso di erosione e=Y × J_ion × (M / (ρ × N_A)) dove Y è la resa dello sputtering, J_ion è la densità di corrente ionica (mA/cm²), M è il peso molecolare, ρ è la densità. Per un tipico plasma RF (13,56 MHz, 100 W, 100 mTorr Ar), J_ion ~ 1-5 mA/cm^2, Y ~ 1,0, risultante in e ~ 0,2-1,0 µm/ora. Erosione in 1000 ore. 0.2-1.0 mm La guaina da 1,0 mm perde il 20–100% del suo spessore, ma la guaina da 2,5 mm perde solo l'8–40%.

In presenza di gas reattivi (O₂, CF₄, SF₆, Cl₂) allo sputtering fisico viene aggiunto l'attacco chimico. Ad esempio, la superficie del PFA reagisce con il plasma di ossigeno per generare COF₂, CO₂ e HF volatili. La velocità di attacco chimico può essere da 2 a 10 volte superiore rispetto allo sputtering fisico. Una guaina in PFA da 1,0 mm può essere completamente erosa in 200-500 ore in plasma 50% O2/50% Ar. L'erosione non è uniforme. Gli angoli acuti si erodono rapidamente (vedi Articolo 62) e le parti rivolte verso il bagliore del plasma si erodono più rapidamente rispetto alle posizioni in ombra. La parete del PFA diventa spessa 0,2-0,5 mm, si formano fori di spillo e le specie di plasma si avvicinano al nucleo metallico. Il nucleo è esposto al plasma reattivo e si corrode rapidamente (Incoloy crea fluoruri metallici volatili nei plasmi a base di fluoro) causando contaminazione e guasti al riscaldatore.

Prestazioni e spessore nel plasma
Tipo di plasma Composizione del gas Energia ionica (eV) Tasso di erosione (micron/ora) Ore massime a 0,5 mm rimanenti (inizio 1,0 mm) Ore massime a 0,5 mm rimanenti (inizio 2,5 mm) Spessore minimo consigliato Inerte (solo sputtering) Ar, He 200–500 0.2–0.5 1.000–2,500 4.000–10,000 1.5 mm
Ossidante (chimico + sputtering) O2, O2/Ar 100-300 0.5-2.0 250-1,000 1,000-4,000 2.0 mm
Fluorocarbonio (incisione) CF4, CHF3, C4F8 200–500 1.0–5.0 100–500 400–2000 2.5 mm
Cloro Cl₂, BCl₃ 100–300 0.3–1.0 500–1,500 2.000–6,000 2.0 mm
Plasma ad alta-densità (ICP) Qualsiasi 500–1,000 2.0–10.0 50–250 200–1,000 3.0 mm (se utilizzato PFA)
Plasma con fascio ionico assistito Qualsiasi 1.000–5,000 5.0–20.0 25–100 100–500 Non adatto per PFA
Plasma atmosferico (bassa energia) Aria, N₂<50 <0.05 >10,000 >50,000 1.0 mm accettabile
Miglioramento della permeazione e modifica della superficie
Il bombardamento ionico non si limita a disperdere materiale, ma altera la regione sopravvissuta in prossimità-della superficie. Gli ioni rompono i legami C-F e generano radicali liberi che reagiscono con i gas ambientali. Lo strato modificato (solitamente spesso 10-100 nm) ha una concentrazione di fluoro ridotta (deplezione di fluoro), un contenuto di ossigeno maggiore (dalla reattività con O2 o H2O residuo) e una maggiore densità di legami incrociati. Lo strato modificato è solitamente più permeabile alle specie reattive (ad esempio, ossigeno atomico, radicali del fluoro) rispetto al PFA vergine. Una migliore permeabilità accelera il degrado sotto la superficie. Per una guaina sottile (1,0 mm) lo strato modificato è pari al 10–20% dello spessore della parete dopo 500 h, mentre per una guaina spessa (2,5 mm) è solo al 4–8%. La parte non interessata della sottile guaina che rimane potrebbe essere troppo sottile per costituire una barriera efficace. Lo strato sottile può diventare poroso o fragile e consentire alle specie plasmatiche di penetrare nel nucleo, anche senza una grave erosione.

L'esperienza sul campo con gli strumenti di incisione al plasma dei semiconduttori indica che i riscaldatori PFA con pareti da 1,0 a 1,5 mm utilizzati come riscaldatori in-situ (immersi nel plasma) si guastano dopo 6-12 mesi. Gli stessi riscaldatori con pareti da 2,5–3,0 mm dureranno 3–5 anni. Il fallimento non è catastrofico ma incrementale. Irruvidimento della superficie, quindi formazione di fori stenopeici, quindi fluorurazione del nucleo metallico (come dimostrato dallo scolorimento viola o nero del nucleo Incoloy. I fluoruri metallici non sono-conduttivi e possono causare guasti al circuito aperto o scheggiature e contaminare i wafer.

Raccomandazioni per la progettazione dei servizi al plasma
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 di energia ionica) Il PFA potrebbe non essere accettabile indipendentemente dallo spessore e altri materiali (quarzo, allumina o carburo di silicio) dovrebbero essere studiati.. 1.5-2.0 mm Il PFA è appropriato per il plasma con energie ioniche < 100 eV (ad es. plasma a valle, plasma remoto).

Ulteriori misure precauzionali: (1) Posizionare una barriera metallica collegata a terra (con fori) attorno al riscaldatore per catturare gli ioni energetici prima che raggiungano il PFA. Lo schermo non deve interferire sostanzialmente con il trasferimento di calore. (2) Ruotare il riscaldatore per rendere la superficie parallela alle linee del campo elettrico, riducendo così il flusso ionico effettivo. (3) Utilizzare un grado di PFA con peso molecolare maggiore (MFI inferiore, vedere l'articolo n. 37) con migliore resistenza all'erosione. (4) Per i plasmi di fluorocarburi, considerare la copertura del PFA con uno strato sottile (0,1-0,2 mm) di PTFE o FEP, che ha una resa di sputtering inferiore rispetto al PFA (a causa di una maggiore concentrazione di fluoro). Nessun fluoropolimero è resistente ai plasmi di ossigeno. Usa quarzo o metallo.

Conclusione: il PFA più spesso funziona meglio nel plasma
In condizioni di plasma a bassa pressione, un rivestimento in PFA più sottile (0,5-1,5 mm) in realtà ha prestazioni peggiori di una guaina più spessa (2,5-3,0 mm) a causa dell'erosione da bombardamento ionico (0,1-10 µm/ora) e dell'alterazione superficiale che aumenta la penetrazione. La parete più sottile espone prima il nucleo metallico e lo strato modificato rappresenta una frazione maggiore della parete rimanente. La durata prevista di una guaina di attacco al plasma standard (energia ionica 200-500 eV, velocità di erosione di 0,5-2,0 um/ora) è di 500-2.000 ore per una guaina da 1,0 mm e di 2.000-10.000 ore per una guaina da 2,5 mm, 4-5 volte più lunga. Gli ingegneri che progettano riscaldatori PFA per camere al plasma devono utilizzare la parete più spessa possibile (da 2,5 a 3,0 mm) e accettare un trasferimento di calore inferiore o dimensioni maggiori del riscaldatore. Le barriere più sottili sono una falsa economia. L'idea intuitiva che "meno materiale=meno deterioramento" è falsa nel plasma. È guidato dall’erosione, non dalla permeazione o dallo stress termico. L'erosione porta via il materiale dall'esterno verso l'interno. Più materiale significa che ci vuole più tempo prima che il nucleo metallico venga esposto. Per il servizio al plasma nelle fabbriche di semiconduttori, il PFA minimo di 2,5 mm è standard. Il riscaldatore da 1,5 mm è considerato consumabile e appropriato solo per applicazioni al plasma a breve termine o a bassa potenza. Specificare lo spessore con parametri di declassamento specifici del plasma. Verificare lo spessore della parete al ricevimento dell'ispezione. Nel plasma, più spesso non è migliore, è necessario per un servizio affidabile.