氟橡膠密封的刻蝕機理和使用特性

半導體工業(yè)中的等離子加工對于氟橡膠真空密封是一個富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。在高溫和等離子條件下實現(xiàn)的密封能力對于使設備的運行時間和制造良率最大化是至關重要的。密封和各種等離子間的物理和/或化學相互作用，可能產(chǎn)生粒子或泄漏，導致橡膠密封變壞。溫度影響密封的刻蝕速率，也一定會影響機械強度。目前在聚合物材料，密封制造和密封設計方面的改進已經(jīng)得到了性能和壽命更佳的氟橡膠密封。

本文中使用了半導體加工常用的幾種刻蝕氣體對氟橡膠密封的刻蝕機理和使用特性進行了研究。有機光刻膠用O2、CF4/O2和SF6/O2刻蝕，得到揮發(fā)性產(chǎn)物CO2、CO和CH4。硅化物和硅用NF3刻蝕，得到揮發(fā)性產(chǎn)物SiF3和SiF4。

全氟橡膠材料刻蝕機理概述

全氟橡膠（FFKM）主要由二種全氟化單體、四氟乙烯（TEE）和全氟（烷基乙烯基）組成。這些材料的優(yōu)良性質主要與由這些異分子聚合的全氟化單體單元組成的聚合物主鏈的惰性有關。全氟橡膠也是交聯(lián)的以提高橡膠的相關性質。這樣，作為功能團的少量單體就與全氟化單體單元異分子聚合。例如，腈功能團（perfluoro-8-cyano-5-methyl-3，6-dioxa-1-octene)就值得關注。可以加入填充劑（如硫酸鋇、二氧化硅、碳黑或氧化鈦等）降低成本和/或改變性質。

半導體密封應用要求橡膠材料純度高、產(chǎn)生微粒少、化學抗蝕性優(yōu)良、能在高達325℃下工作。關于純度，接觸等離子刻蝕加工時，密封材料會產(chǎn)生刻蝕而在工作室內(nèi)放出有害組分。某些元素（例如F）可望揮發(fā)而直接排出工作腔，其它一些雜質（例如Au、Fe、Cu等）就可能導致缺陷。為了保證高純度密封，對原材料和密封制造的監(jiān)控是極為重要的。全氟橡膠密封由幾種成分和/或填充劑組成，它們在不同工藝氣體中刻蝕速率的差異可能導致微粒的產(chǎn)生。對應用的了解將改進密封材料的選擇。C-F結構的穩(wěn)定性會得到優(yōu)良的化學抗蝕性，碳-氟鍵離解能是552kJ/mol，而碳與氯、溴和碘之間的鍵離解能分別是397、288和209kJ/mol。將鍵離解能較大的交聯(lián)單元組合可望增加熱穩(wěn)定性，也許會提高等離子抗蝕性。

來自等離子的入射通量包含離子、中子、電子和光子（圖1）。物理機理包含濺射，從高能粒子向襯底的動量轉移導致原子或離子的發(fā)射和離子注入。對密封的物理轟擊可能使刻蝕增加，這是因為由于表面粗糙或鍵斷裂降低了化學加工的能壘。當然，偏置會對物理轟擊有影響。正離子通過（在典型的半導體加工中的）鞘加速并撞擊晶圓，而負離子很少參與表面反應。

徹底了解系統(tǒng)中的化學反應是有挑戰(zhàn)性的，首先要了解原子團吸附率、各物質的解吸率、反應速率和表面擴散。表面速率限制一般是各物質的吸附或解吸。分子對表面的物理吸附是指van der Walls鍵合，分子很易在整個表面擴散?；瘜W吸附是對表面的強化學鍵合且是放熱的（E～0.4-4eV）?？偟恼f來，加工過程受入射通量、表面加工工藝、逸出通量、溫度、功率、偏置、氣壓、反應可能性、反應速率、反應產(chǎn)物和能量的影響。