आयन बमबारी के कारण कम दबाव वाले प्लाज्मा वातावरण में एक पतला पीएफए शीथ वास्तव में खराब प्रदर्शन क्यों कर सकता है?
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सेमीकंडक्टर नक़्क़ाशी, प्लाज़्मा {{1}बढ़े हुए रासायनिक वाष्प जमाव (पीईसीवीडी) और सतह सक्रियण के लिए उपयोग की जाने वाली कम दबाव वाली प्लाज्मा सेटिंग्स ऊर्जावान आयन बमबारी में घटकों को विसर्जित करती हैं। आयन (Ar +, O +, CF 3 +, आदि) प्लाज्मा शीथ क्षमता में संचालित होते हैं, आमतौर पर 100 - 1,000 V, और 50-500 eV प्रति आयन की ऊर्जा के साथ PFA सतह से संपर्क करते हैं। पतले पीएफए शीथ (0.5-1.0 मिमी) मोटे शीथ (1.5-2.5 मिमी) की तुलना में प्लाज्मा सेवा के लिए कम उपयुक्त होते हैं क्योंकि आयन बमबारी भौतिक स्पटरिंग और रासायनिक नक़्क़ाशी द्वारा परत दर परत बहुलक सतह को नष्ट कर देती है। धातु कोर तक पहुंचने से पहले पतली दीवार में कम सामग्री होती है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि आयन बमबारी परिवर्तित रासायनिक और भौतिक विशेषताओं के साथ एक परिवर्तित सतह परत (10-100 एनएम गहरी) बनाती है। यह परिवर्तित परत अक्सर प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के लिए अधिक पारगम्य होती है, जिससे गिरावट तेज हो जाती है। मोटा पीएफए (2-3 मिमी) कम दबाव वाले प्लाज्मा में लंबे समय तक जीवित रहता है, क्योंकि कटाव दर मोटाई के सापेक्ष मामूली होती है (आमतौर पर 0.1-1.0 µm/घंटा, प्लाज्मा सेटिंग्स के आधार पर) और बदली हुई सतह परत दीवार के माध्यम से नहीं पहुंचती है। 1.0 मिमी के म्यान 500-1,000 प्लाज्मा घंटों के बाद विफल हो सकते हैं, जबकि 2.5 मिमी के म्यान 5,000-10,000 घंटे तक चल सकते हैं।
आयन बमबारी द्वारा क्षरण प्रक्रियाएं
कम {{0}दबाव वाले प्लाज्मा (0.1-10 टोर) में पीएफए हीटर प्लाज्मा क्षमता के संबंध में एक नकारात्मक स्व-बायस वोल्टेज विकसित करता है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन आयनों की तुलना में अधिक गतिशील होते हैं। स्व-पूर्वाग्रह (आमतौर पर आरएफ प्लास्मा के लिए 50-500 वी, डीसी प्लास्मा के लिए 100-1000 वी) सकारात्मक आयनों को पीएफए सतह की ओर धकेलता है। टकराने पर आयन गति को पॉलिमर में स्थानांतरित करते हैं, परमाणुओं और अणुओं को बाहर निकालते हैं, इस प्रक्रिया को भौतिक स्पटरिंग कहा जाता है। आर्गन प्लाज्मा में पीएफए स्पटर उपज (प्रति घटना आयन हटाए गए परमाणु) 200-500 ईवी की आयन ऊर्जा पर 0.5-2.0 है। क्षरण दर ई=Y × J_ion × (M / (ρ × N_A)) जहां Y स्पटर उपज है, J_ion आयन वर्तमान घनत्व (mA/cm²) है, M आणविक भार है, ρ घनत्व है। एक विशिष्ट आरएफ प्लाज्मा (13.56 मेगाहर्ट्ज, 100 डब्ल्यू, 100 एमटोर आर) के लिए, जे_आयन ~ 1-5 एमए/सेमी^2, वाई ~ 1.0, जिसके परिणामस्वरूप ई ~ 0.2-1.0 µm/घंटा होता है। 1000 घंटे में क्षरण . 0.2-1.0 मिमी 1.0 मिमी म्यान अपनी मोटाई का 20-100% खो देता है, लेकिन 2.5 मिमी म्यान केवल 8-40% खो देता है।
प्रतिक्रियाशील गैसों (O₂, CF₄, SF₆, Cl₂) की उपस्थिति में रासायनिक नक़्क़ाशी को भौतिक स्पटरिंग में जोड़ा जाता है। उदाहरण के लिए, पीएफए सतह अस्थिर COF₂, CO₂ और HF उत्पन्न करने के लिए ऑक्सीजन प्लाज्मा के साथ प्रतिक्रिया करती है। रासायनिक नक़्क़ाशी दर भौतिक स्पटरिंग से 2-10 गुना अधिक हो सकती है। 1.0 मिमी पीएफए आवरण 50% O2/50% Ar प्लाज्मा में 200-500 घंटे में पूरी तरह से नष्ट हो सकता है। क्षरण एक समान नहीं है. नुकीले कोने तेजी से नष्ट हो जाते हैं (अनुच्छेद 62 देखें), और जो हिस्से प्लाज्मा चमक का सामना करते हैं वे छाया वाले स्थानों की तुलना में अधिक तेजी से नष्ट हो जाते हैं। पीएफए दीवार 0.2-0.5 मिमी मोटी हो जाती है, पिनहोल बनते हैं और प्लाज्मा प्रजातियां धातु कोर तक पहुंचती हैं। कोर प्रतिक्रियाशील प्लाज्मा के संपर्क में आता है और तेजी से संक्षारित होता है (इंकोलॉय फ्लोरीन आधारित प्लाज्मा में अस्थिर धातु फ्लोराइड बनाता है) जिससे संदूषण और हीटर विफलता होती है।
प्लाज्मा में प्रदर्शन बनाम मोटाई
प्लाज्मा प्रकार गैस संरचना आयन ऊर्जा (ईवी) क्षरण दर (माइक्रोन/घंटा) अधिकतम घंटे से 0.5 मिमी शेष (शुरुआत 1.0 मिमी) अधिकतम घंटे से 0.5 मिमी शेष (शुरुआती 2.5 मिमी) अनुशंसित न्यूनतम मोटाई निष्क्रिय (केवल स्पटरिंग) एआर, हे 200–500 0.2–0.5 1,000–2,500 4,000–10,000 1.5 मिमी
ऑक्सीकारक (रासायनिक + स्पटर) O2, O2/Ar 100-300 0.5-2.0 250-1,{4}},000-4,000 2.0 मिमी
फ़्लोरोकार्बन (नक़्क़ाशी) CF4, CHF3, C4F8 200–500 1.0–5.0 100–500 400–2000 2.5 मिमी
क्लोरीन सीएल₂, बीसीएल₃ 100–300 0.3–1.0 500–1,500 2,000–6,000 2.0 मिमी
उच्च-घनत्व प्लाज़्मा (आईसीपी) कोई भी 500-1,000 2.0–10.0 50–250 200–1,{7}} मिमी (यदि पीएफए का उपयोग किया जाता है)
प्लाज्मा w/आयन बीम सहायता कोई 1,000–5,000 5.0–20.0 25–100 100–500 पीएफए के लिए उपयुक्त नहीं है
वायुमंडलीय प्लाज्मा (कम ऊर्जा) वायु, N₂<50 <0.05 >10,000 >50,000 1.0 मिमी स्वीकार्य
पारगमन संवर्द्धन और सतही संशोधन
आयन बमबारी केवल सामग्री को दूर फेंकने से कहीं अधिक करती है, यह जीवित निकट के सतह क्षेत्र को भी बदल देती है। आयन C-F बंधन को तोड़ते हैं और मुक्त कण उत्पन्न करते हैं जो परिवेशी गैसों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। बदली हुई परत (आमतौर पर 100 एनएम मोटी) में फ्लोरीन सांद्रता में कमी (फ्लोरीन कमी), अधिक ऑक्सीजन सामग्री (अवशिष्ट ओ2 या एच2ओ के साथ प्रतिक्रियाशीलता से) और क्रॉस-लिंक का उच्च घनत्व होता है। परिवर्तित परत आमतौर पर वर्जिन पीएफए की तुलना में प्रतिक्रियाशील प्रजातियों (उदाहरण के लिए, परमाणु ऑक्सीजन, फ्लोरीन रेडिकल) के लिए अधिक पारगम्य है। बेहतर पारगम्यता सतह के नीचे क्षरण को तेज करती है। एक पतली म्यान (1.0 मिमी) के लिए संशोधित परत 500 घंटे के बाद दीवार की मोटाई का 10-20% है, जबकि एक मोटी म्यान (2.5 मिमी) के लिए यह केवल 4-8% है। पतली म्यान का जो अप्रभावित हिस्सा रहता है वह प्रभावी अवरोध बनाने के लिए बहुत पतला हो सकता है। पतली परत छिद्रपूर्ण या भंगुर हो सकती है और प्लाज्मा प्रजातियों को बड़े क्षरण के बिना भी कोर में प्रवेश करने की अनुमति देती है।
सेमीकंडक्टर प्लाज्मा ईच टूल्स के साथ फील्ड अनुभव से पता चलता है कि 1.0 से 1.5 मिमी की दीवारों वाले पीएफए हीटर, जिनका उपयोग सीटू हीटर (प्लाज्मा में डूबे हुए) के रूप में किया जाता है, 6 से 12 महीनों के बाद विफल हो जाते हैं। 2.5-3.0 मिमी की दीवारों वाले वही हीटर 3-5 साल तक चलेंगे। असफलता विनाशकारी नहीं बल्कि वृद्धिशील होती है। सतह का खुरदुरा होना, फिर पिनहोल का निर्माण, फिर धातु कोर फ्लोरीनेशन (जैसा कि इंकोलॉय कोर के बैंगनी या काले रंग में परिवर्तन से प्रदर्शित होता है। धातु फ्लोराइड गैर-प्रवाहकीय होते हैं और खुले सर्किट की विफलता का कारण बन सकते हैं या वेफर्स को दूषित और दूषित कर सकते हैं।
प्लाज्मा सेवा डिज़ाइन के लिए सिफ़ारिशें
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 ईवी आयन ऊर्जा) मोटाई के बावजूद पीएफए स्वीकार्य नहीं हो सकता है और अन्य सामग्रियों (क्वार्ट्ज, एल्यूमिना, या सिलिकॉन कार्बाइड) की जांच की जानी चाहिए।
अतिरिक्त एहतियाती उपाय: (1) पीएफए तक पहुंचने से पहले ऊर्जावान आयनों को पकड़ने के लिए हीटर के चारों ओर एक ग्राउंडेड धातु अवरोध (छेद के साथ) रखें। ढाल को गर्मी हस्तांतरण में महत्वपूर्ण रूप से हस्तक्षेप नहीं करना चाहिए। (2) सतह को विद्युत क्षेत्र रेखाओं के समानांतर बनाने के लिए हीटर को घुमाएं, जिससे प्रभावी आयन प्रवाह कम हो जाएगा। (3) बेहतर क्षरण प्रतिरोध के साथ अधिक आणविक भार (कम एमएफआई, अनुच्छेद #37 देखें) पीएफए ग्रेड का उपयोग करें। (4) फ्लोरोकार्बन प्लाज़्मा के लिए, पीएफए को पीटीएफई या एफईपी की एक पतली (0.1-0.2 मिमी) परत से ढकने पर विचार करें, जिसमें पीएफए की तुलना में कम स्पटर उपज होती है (उच्च फ्लोरीन सांद्रता के कारण)। कोई भी फ़्लोरोपॉलीमर ऑक्सीजन प्लाज़्मा के प्रति प्रतिरोधी नहीं है। क्वार्ट्ज या धातु का प्रयोग करें।
निष्कर्ष: मोटा पीएफए प्लाज्मा में बेहतर काम करता है
कम दबाव वाली प्लाज्मा स्थितियों में एक पतली पीएफए कोटिंग (0.5-1.5 मिमी) वास्तव में आयन बमबारी क्षरण (0.1-10 µm/घंटा) और सतह परिवर्तन के कारण मोटी म्यान (2.5-3.0 मिमी) से भी बदतर प्रदर्शन करती है जो प्रवेश को बढ़ाती है। पतली दीवार धातु के कोर को पहले उजागर करती है और बदली हुई परत शेष दीवार के एक बड़े हिस्से का प्रतिनिधित्व करती है। एक मानक प्लाज्मा ईच शीथ (200-500 eV आयन ऊर्जा, 0.5-2.0 um/hr क्षरण दर) का अपेक्षित जीवन 1.0 मिमी शीथ के लिए 500-2,000 घंटे और 2.5 मिमी शीथ के लिए 2,000-10,000 घंटे, 4-5 गुना अधिक है। प्लाज्मा कक्षों के लिए पीएफए हीटर डिजाइन करने वाले इंजीनियरों को सबसे मोटी व्यावहारिक दीवार (2.5 से 3.0 मिमी) का उपयोग करना चाहिए और कम गर्मी हस्तांतरण या अधिक हीटर आकार को स्वीकार करना चाहिए। पतली बाधाएँ एक झूठी अर्थव्यवस्था हैं। यह सहज विचार कि प्लाज्मा में 'कम सामग्री=कम गिरावट' गलत है। यह अपरदन से प्रेरित होता है, पारगमन या ताप तनाव से नहीं। क्षरण सामग्री को बाहर से अंदर की ओर ले जाता है। अधिक सामग्री का मतलब है कि धातु के कोर के उजागर होने में अधिक समय लगता है। सेमीकंडक्टर फैब्स में प्लाज्मा सेवा के लिए, 2.5 मिमी न्यूनतम पीएफए मानक है। 1.5 मिमी हीटर को उपभोज्य माना जाता है और यह केवल अल्पकालिक या कम शक्ति वाले प्लाज्मा अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। प्लाज्मा-विशिष्ट व्युत्पन्न मापदंडों के साथ मोटाई निर्दिष्ट करें। निरीक्षण मिलने पर दीवार की मोटाई सत्यापित करें। प्लाज्मा में, गाढ़ा होना बेहतर नहीं है, विश्वसनीय सेवा के लिए इसकी आवश्यकता होती है।
