Kāpēc jonu bombardēšanas dēļ plānāks PFA apvalks varētu darboties sliktāk zema{0}}spiediena plazmas vidē?

Zema-spiediena plazmas iestatījumi, kas tiek izmantoti pusvadītāju kodināšanai, plazmas-uzlabotajai ķīmiskajai tvaiku pārklāšanai (PECVD) un virsmas aktivācijai, iegremdē komponentus enerģētiskā jonu bombardēšanā. Joni (Ar + , O + , CF 3 + utt.) tiek virzīti pa plazmas apvalka potenciālu, parasti 100-1000 V, un tie saskaras ar PFA virsmu ar enerģijām 50-500 eV uz vienu jonu. Plānāki PFA apvalki (0,5–1,0 mm) ir mazāk piemēroti plazmas apkalpošanai nekā biezāki apvalki (1,5–2,5 mm), jo jonu bombardēšana ar fizikālu izsmidzināšanu un ķīmisko kodināšanu slāni pa slānim noārda polimēra virsmas slāni. Plānākai sienai ir mazāk materiāla, pirms tā nonāk pie metāla serdes. Vēl svarīgāk ir tas, ka jonu bombardēšana veido mainītu virsmas slāni (10–100 nm dziļumā) ar mainītām ķīmiskajām un fizikālajām īpašībām. Šis mainītais slānis bieži ir vairāk caurlaidīgs reaktīvām sugām, paātrinot nolietošanos. Biezāks PFA (2–3 mm) saglabājas ilgāk zema spiediena plazmā, jo erozijas ātrums ir neliels attiecībā pret biezumu (parasti 0,1–1,0 µm/h, atkarībā no plazmas iestatījumiem) un mainītais virsmas slānis nesniedzas cauri sienai. 1,0 mm apvalki var sabojāties pēc 500–1000 plazmas stundām, savukārt 2,5 mm apvalki var izturēt 5000–10 000 stundas.

Erozijas procesi ar jonu bombardēšanu
Zema-spiediena plazmā (0,1-10 Torr) PFA sildītājs attīsta negatīvu paš-novirzes spriegumu attiecībā pret plazmas potenciālu, jo elektroni ir kustīgāki nekā joni. Pašnovirze (parasti 50–500 V RF plazmām, 100–1000 V līdzstrāvas plazmām) nospiež pozitīvos jonus PFA virsmas virzienā. Sadursmes laikā joni nodod impulsu polimēram, izspiežot atomus un molekulas procesā, ko sauc par fizisko izsmidzināšanu. PFA izsmidzināšanas iznākums (atomi, kas izņemti uz vienu krītošo jonu) argona plazmā ir 0,5–2,0 pie jonu enerģijas 200–500 eV. Erozijas ātrums e=Y × J_jons × (M / (ρ × N_A)), kur Y ir izsmidzināšanas iznākums, J_jons ir jonu strāvas blīvums (mA/cm²), M ir molekulmasa, ρ ir blīvums. Tipiskai RF plazmai (13,56 MHz, 100 W, 100 mTorr Ar) J_jons ~ 1-5 mA/cm^2, Y ~ 1,0, kā rezultātā e ~ 0,2-1,0 µm/h. Erozija 1000 h . 0.2-1.0 mm laikā 1,0 mm apvalks zaudē 20–100% no sava biezuma, bet 2,5 mm apvalks zaudē tikai 8–40%.

Reaktīvo gāzu (O2, CF4, SF6, Cl₂) klātbūtnē fizikālajai izsmidzināšanai pievieno ķīmisko kodināšanu. Piemēram, PFA virsma reaģē ar skābekļa plazmu, veidojot gaistošus COF₂, CO₂ un HF. Ķīmiskās kodināšanas ātrums var būt 2–10 reizes lielāks nekā fiziskās izsmidzināšanas ātrums. 1,0 mm PFA apvalku var pilnībā noārdīt 200–500 stundās 50% O2/50% Ar plazmā. Erozija nav vienmērīga. Asi stūri ātri erodējas (skatiet 62. pantu), un daļas, kas ir vērstas pret plazmas spīdumu, erodējas ātrāk nekā ēnas vietas. PFA siena kļūst 0,2-0,5 mm bieza, veidojas caurumi un plazmas sugas tuvojas metāla serdei. Kodols tiek pakļauts reaktīvai plazmai un ātri korozējas (Incoloy rada gaistošus metālu fluorīdus plazmās, kuru pamatā ir fluors), izraisot piesārņojumu un sildītāja atteici.

Veiktspēja salīdzinājumā ar biezumu plazmā
Plazmas veids Gāzes sastāvs Jonu enerģija (eV) Erozijas ātrums (mikrons/stundā)Maksimālais stundas līdz 0,5 mm Atlikušais (sākums 1,0 mm) Maks. stundas līdz 0,5 mm Atlikušais (sākot no 2,5 mm) Ieteicamais minimālais biezums Inerts (tikai izsmidzināšana) Ar, He 200–500 0.2–0.5 1,000–2,500 4,000–10,000 1.5 mm
Oksidējošie (ķīmiski + izsmidzināšana) O2, O2/Ar 100-300 0.5-2.0 250-1, 000 1,000-4, 000 2.0 mm
Fluorogļūdeņradis (kodinājums) CF4, CHF3, C4F8 200–500 1.0–5.0 100–500 400–2000 2.5 mm
Hlors Cl₂, BCl₃ 100–300 0.3–1.0 500–1,500 2,000–6, 000 2.0 mm
Augsta-blīvuma plazma (ICP) Jebkurš 500–1,000 2.0–10.0 50–250 200–1,000 3.0 mm (ja tiek izmantots PFA)
Plazmas ar jonu stara palīgierīci Jebkurš 1000–5,000 5.0–20.0 25–100 100–500 Nav piemērots PFA
Atmosfēras plazma (zemas enerģijas) Gaiss, N₂<50 <0.05 >10,000 >50,000 1.0 mm pieņemams
Caurlaidības uzlabošana un virsmas modifikācija
Jonu bombardēšana ne tikai izsmidzina materiālu, bet arī maina izdzīvojušo tuvējās virsmas apgabalu. Joni sarauj C-F saites un rada brīvos radikāļus, kas reaģē ar apkārtējām gāzēm. Mainītajam slānim (parasti 10-100 nm biezumā) ir samazināta fluora koncentrācija (fluora samazināšanās), lielāks skābekļa saturs (no reaktivitātes ar atlikušo O2 vai H2O) un lielāks šķērssaišu blīvums. Mainītais slānis parasti ir vairāk caurlaidīgs reaktīvām vielām (piemēram, atomu skābeklim, fluora radikāļiem) nekā neapstrādātais PFA. Uzlabota caurlaidība paātrina noārdīšanos zem virsmas. Plānam apvalkam (1,0 mm) modificētais slānis ir 10–20% no sienas biezuma pēc 500 stundām, savukārt biezam apvalkam (2,5 mm) tas ir tikai 4–8%. Neietekmētā plānā apvalka daļa, kas paliek, var būt pārāk plāna, lai izveidotu efektīvu barjeru. Plānais slānis var kļūt porains vai trausls un ļaut plazmas sugām iekļūt līdz kodolam pat bez lielas erozijas.

Pieredze ar pusvadītāju plazmas kodināšanas rīkiem liecina, ka PFA sildītāji ar 1,0–1,5 mm sienām, ko izmanto kā insitu sildītājus (iegremdēti plazmā), sabojājas pēc 6–12 mēnešiem. Tie paši sildītāji ar 2,5–3,0 mm sienām kalpos 3–5 gadus. Neveiksme nav katastrofāla, bet gan pakāpeniska. Virsmas raupināšana, pēc tam caurumu veidošanās, pēc tam metāla serdes fluorēšana (par ko liecina Incoloy serdes purpursarkanā vai melnā krāsa. Metāla fluorīdi nav-vadoši, un tie var izraisīt ķēdes pārtraukumu vai noplīst un piesārņot plāksnes.

Plazmas servisa dizaina ieteikumi
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 jonu enerģija) PFA var nebūt pieņemams neatkarīgi no biezuma, un ir jāizpēta citi materiāli (kvarcs, alumīnija oksīds vai silīcija karbīds). 1.5-2.0 mm PFA ir piemērots plazmai ar jonu enerģiju < 100 eV (piemēram, pakārtotā plazma, attālināta plazma).

Papildu piesardzības pasākumi: (1) Ap sildītāju novietojiet iezemētu metāla barjeru (ar caurumiem), lai uztvertu enerģētiskos jonus, pirms tie sasniedz PFA. Vairogs nedrīkst būtiski traucēt siltuma pārnesi. (2) Pagrieziet sildītāju, lai tā virsma būtu paralēla elektriskā lauka līnijām, tādējādi samazinot efektīvo jonu plūsmu. (3) Izmantojiet lielākas molekulmasas (mazāku MFI, skatīt 37. pantu) PFA ar uzlabotu izturību pret eroziju. (4) Fluorogļūdeņraža plazmām apsveriet iespēju pārklāt PFA ar plānu (0,1–0,2 mm) PTFE vai FEP slāni, kam ir zemāka izsmidzināšanas spēja nekā PFA (augstākas fluora koncentrācijas dēļ). Neviens fluorpolimērs nav izturīgs pret skābekļa plazmām. Izmantojiet kvarcu vai metālu.

Secinājums: biezāks PFA darbojas labāk plazmā
Zema spiediena plazmas apstākļos plānāks PFA pārklājums (0,5-1,5 mm) faktiski darbojas sliktāk nekā biezāks apvalks (2,5–3,0 mm) jonu bombardēšanas erozijas (0,1–10 µm/stundā) un virsmas izmaiņu dēļ, kas palielina iespiešanos. Plānāka siena agrāk atklāj metāla serdi, un mainītais slānis veido lielāku atlikušās sienas daļu. Standarta plazmas kodināšanas apvalka paredzamais kalpošanas laiks (200-500 eV jonu enerģija, 0,5-2,0 um/h erozijas ātrums) ir 500-2000 stundas 1,0 mm apvalkam un 2000-10 000 stundas 2,5 mm garākam apvalkam, kas ir 4-5 reizes. Inženieriem, kas projektē PFA sildītājus plazmas kamerām, ir jāizmanto visbiezākā iespējamā siena (2,5 līdz 3,0 mm) un jāpieņem zemāka siltuma pārnese vai lielāks sildītāja izmērs. Plānākas barjeras ir viltus ekonomika. Intuitīvā ideja, ka “mazāk materiāla=mazāk nolietojas”, ir nepatiesa plazmā. To izraisa erozija, nevis caurlaidība vai karstuma stress. Erozija izņem materiālu no ārpuses iekšā. Vairāk materiāla nozīmē, ka ir nepieciešams ilgāks laiks, līdz tiek atklāta metāla serde. Plazmas apkalpošanai pusvadītāju ražošanā minimālais PFA ir 2,5 mm. 1,5 mm sildītājs tiek uzskatīts par patērējamu un piemērots tikai īslaicīgai vai mazjaudas plazmas lietošanai. Norādiet biezumu, izmantojot plazmai raksturīgos derināšanas parametrus. Saņemot pārbaudi, pārbaudiet sienas biezumu. Plazmā biezāks nav labāks, tas ir nepieciešams uzticamam servisam.