Por que uma bainha de PFA mais fina pode ter pior desempenho em um ambiente de plasma de baixa{0}pressão devido ao bombardeio de íons?

Configurações de plasma-de baixa pressão usadas para gravação de semicondutores, deposição química de vapor-melhorada por plasma (PECVD) e ativação de superfície imergem componentes em bombardeio energético de íons. Íons (Ar + , O + , CF 3 + , etc) são conduzidos através do potencial da bainha do plasma, geralmente 100-1.000 V, e entram em contato com a superfície do PFA com energias de 50-500 eV por íon. Bainhas de PFA mais finas (0,5–1,0 mm) são menos adequadas para serviço de plasma do que bainhas mais espessas (1,5–2,5 mm) porque o bombardeio de íons corrói a superfície do polímero camada por camada por pulverização catódica física e ataque químico. A parede mais fina tem menos material antes de chegar ao núcleo metálico. Mais importante ainda, o bombardeamento iónico forma uma camada superficial alterada (10-100 nm de profundidade) com características químicas e físicas alteradas. Esta camada alterada é muitas vezes mais permeável às espécies reativas, acelerando a deterioração. O PFA mais espesso (2–3 mm) sobrevive por mais tempo no plasma de baixa pressão, pois a taxa de erosão é modesta em relação à espessura (geralmente 0,1–1,0 µm/h, dependendo das configurações do plasma) e a camada superficial alterada não atinge a parede. As bainhas de 1,0 mm podem falhar após 500 a 1.000 horas de plasma, enquanto as bainhas de 2,5 mm podem sustentar 5.000 a 10.000 horas.

Processos de erosão por bombardeio de íons
No plasma de baixa-pressão (0,1-10 Torr), o aquecedor PFA desenvolve uma tensão de auto{4}polarização negativa em relação ao potencial do plasma, porque os elétrons são mais móveis que os íons. A auto-polarização (geralmente 50-500 V para plasmas RF, 100-1000 V para plasmas DC) empurra íons positivos em direção à superfície do PFA. Os íons transferem impulso para o polímero após a colisão, ejetando átomos e moléculas, em um processo denominado pulverização catódica física. O rendimento de pulverização catódica de PFA (átomos removidos por íon incidente) no plasma de argônio é de 0,5-2,0 em energias iônicas de 200-500 eV. A taxa de erosão e=Y × J_ion × (M / (ρ × N_A)) onde Y é o rendimento de pulverização catódica, J_ion é a densidade da corrente iônica (mA/cm²), M é o peso molecular, ρ é a densidade. Para um plasma RF típico (13,56 MHz, 100 W, 100 mTorr Ar), J_ion ~ 1-5 mA/cm^2, Y ~ 1,0, resultando em e ~ 0,2-1,0 µm/h. Erosão em 1.000 horas. 0.2-1.0 mm A bainha de 1,0 mm perde 20–100% de sua espessura, mas a bainha de 2,5 mm perde apenas 8–40%.

Na presença de gases reativos (O₂, CF₄, SF₆, Cl₂), o ataque químico é adicionado à pulverização catódica física. Por exemplo, a superfície do PFA reage com o plasma de oxigênio para gerar COF₂, CO₂ e HF voláteis. A taxa de corrosão química pode ser 2 a 10 vezes maior que a pulverização catódica física. Uma bainha de PFA de 1,0 mm pode ser totalmente erodida em 200-500 horas em plasma 50% O2/50% Ar. A erosão não é uniforme. Os cantos agudos sofrem erosão rapidamente (consulte o Artigo 62) e as partes que enfrentam o brilho do plasma sofrem erosão mais rapidamente do que locais sombreados. A parede do PFA adquire 0,2-0,5 mm de espessura, formam-se pequenos orifícios e as espécies de plasma aproximam-se do núcleo metálico. O núcleo é exposto ao plasma reativo e corrói rapidamente (Incoloy cria fluoretos metálicos voláteis em plasmas à base de flúor), causando contaminação e falha do aquecedor.

Desempenho vs. Espessura no Plasma
Tipo de plasma Composição do gás Energia iônica (eV) Taxa de erosão (mícron/hora) Máximo de horas até 0,5 mm restantes (começando em 1,0 mm) Máximo de horas até 0,5 mm restantes (começando em 2,5 mm) Espessura mínima recomendada Inerte (somente pulverização catódica) Ar, He 200–500 0.2–0.5 1.000–2,500 4.000–10,000 1.5 mm
Oxidante (químico + pulverização catódica) O2, O2/Ar 100-300 0.5-2.0 250-1,000 1,000-4,000 2.0 mm
Fluorocarbono (gravura) 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 de-alta densidade (ICP) Qualquer 500–1,000 2.0–10.0 50–250 200–1,000 3.0 mm (se PFA for usado)
Plasma com assistência por feixe de íons Qualquer 1.000–5,000 5.0–20.0 25–100 100–500 Não apropriado para PFA
Plasma atmosférico (baixa energia) Ar, N₂<50 <0.05 >10,000 >50,000 1.0 mm aceitável
Aprimoramento de permeação e modificação de superfície
O bombardeio de íons faz mais do que apenas espalhar material, ele altera a região sobrevivente próxima à-superfície. Os íons quebram as ligações C-F e geram radicais livres que reagem com os gases ambientais. A camada alterada (geralmente 10{7}}100 nm de espessura) tem uma concentração diminuída de flúor (depleção de flúor), um maior teor de oxigênio (da reatividade com O2 ou H2O residual) e uma maior densidade de ligações cruzadas. A camada alterada é geralmente mais permeável a espécies reativas (por exemplo, oxigênio atômico, radicais de flúor) do que o PFA virgem. A permeabilidade melhorada acelera a degradação abaixo da superfície. Para uma bainha fina (1,0 mm) a camada modificada é de 10–20% da espessura da parede após 500 horas, enquanto para uma bainha espessa (2,5 mm) é de apenas 4–8%. A parte não afetada da bainha fina que permanece pode ser demasiado fina para constituir uma barreira eficaz. A fina camada pode tornar-se porosa ou quebradiça e permitir que as espécies de plasma penetrem no núcleo, mesmo sem grande erosão.

A experiência de campo com ferramentas de gravação de plasma semicondutor indica que aquecedores PFA com paredes de 1,0 a 1,5 mm usados ​​como aquecedores in{2}}situ (imersos no plasma) falham após 6 a 12 meses. Os mesmos aquecedores com paredes de 2,5–3,0 mm durarão de 3 a 5 anos. O fracasso não é catastrófico, mas incremental. Aspereza da superfície, depois formação de furos e, em seguida, fluoração do núcleo metálico (conforme demonstrado pela descoloração roxa ou preta do núcleo Incoloy). Os fluoretos metálicos não são-condutores e podem levar à falha do circuito aberto ou lascar e contaminar os wafers.

Recomendações para Design de Serviço 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 de energia iônica) O PFA pode não ser aceitável, independentemente da espessura, e outros materiais (quartzo, alumina ou carboneto de silício) devem ser investigados. 1.5-2.0 mm O PFA é apropriado para plasma com energias iônicas < 100 eV (por exemplo, plasma a jusante, plasma remoto).

Medidas de precaução adicionais: (1) Coloque uma barreira metálica aterrada (com furos) ao redor do aquecedor para capturar íons energéticos antes que eles atinjam o PFA. A blindagem não deve interferir substancialmente na transferência de calor. (2) Gire o aquecedor para deixar a superfície paralela às linhas do campo elétrico, reduzindo assim o fluxo efetivo de íons. (3) Usar um grau de PFA de maior peso molecular (menor MFI, ver Artigo #37) com melhor resistência à erosão. (4) Para plasmas de fluorocarbono, considere cobrir o PFA com uma camada fina (0,1-0,2 mm) de PTFE ou FEP, que tem um rendimento de pulverização catódica inferior ao do PFA (devido a uma maior concentração de flúor). Nenhum fluoropolímero é resistente a plasmas de oxigênio. Use quartzo ou metal.

Conclusão: PFA mais espesso funciona melhor no plasma
Em condições de plasma de baixa pressão, um revestimento de PFA mais fino (0,5-1,5 mm) na verdade tem um desempenho pior do que um revestimento mais espesso (2,5-3,0 mm) devido à erosão por bombardeio de íons (0,1-10 µm/hora) e à alteração da superfície que aumenta a penetração. A parede mais fina expõe o núcleo metálico mais cedo e a camada alterada representa uma fração maior da parede restante. A vida útil esperada de uma bainha de gravação de plasma padrão (energia iônica de 200-500 eV, taxa de erosão de 0,5-2,0 um/h) é de 500-2.000 horas para uma bainha de 1,0 mm e de 2.000-10.000 horas para uma bainha de 2,5 mm, 4-5 vezes mais. Os engenheiros que projetam aquecedores PFA para câmaras de plasma devem utilizar a parede mais espessa possível (2,5 a 3,0 mm) e aceitar a menor transferência de calor ou o tamanho maior do aquecedor. Barreiras mais finas são uma falsa economia. A ideia intuitiva de que 'menos material=menos deterioração' é falsa no plasma. É impulsionado pela erosão, não pela permeação ou estresse térmico. A erosão leva o material de fora para dentro. Mais material significa que leva mais tempo até que o núcleo de metal seja exposto. Para serviço de plasma em fábricas de semicondutores, o PFA mínimo de 2,5 mm é padrão. O aquecedor de 1,5 mm é considerado consumível e apropriado apenas para aplicações de plasma de curto prazo ou de baixa potência. Especifique a espessura com parâmetros de redução de potência específicos do plasma. Verifique a espessura da parede ao receber a inspeção. No plasma, mais espesso não é melhor; é necessário para um serviço confiável.