氟橡胶密封的刻蚀机理和使用特性

半导体工业中的等离子加工对于氟橡胶真空密封是一个富有挑战性的环境。在高温和等离子条件下实现的密封能力对于使设备的运行时间和制造良率最大化是至关重要的。密封和各种等离子间的物理和/或化学相互作用，可能产生粒子或泄漏，导致橡胶密封变坏。温度影响密封的刻蚀速率，也一定会影响机械强度。目前在聚合物材料，密封制造和密封设计方面的改进已经得到了性能和寿命更佳的氟橡胶密封。

本文中使用了半导体加工常用的几种刻蚀气体对氟橡胶密封的刻蚀机理和使用特性进行了研究。有机光刻胶用O2、CF4/O2和SF6/O2刻蚀，得到挥发性产物CO2、CO和CH4。硅化物和硅用NF3刻蚀，得到挥发性产物SiF3和SiF4。

全氟橡胶材料刻蚀机理概述

全氟橡胶（FFKM）主要由二种全氟化单体、四氟乙烯（TEE）和全氟（烷基乙烯基）组成。这些材料的优良性质主要与由这些异分子聚合的全氟化单体单元组成的聚合物主链的惰性有关。全氟橡胶也是交联的以提高橡胶的相关性质。这样，作为功能团的少量单体就与全氟化单体单元异分子聚合。例如，腈功能团（perfluoro-8-cyano-5-methyl-3，6-dioxa-1-octene)就值得关注。可以加入填充剂（如硫酸钡、二氧化硅、碳黑或氧化钛等）降低成本和/或改变性质。

半导体密封应用要求橡胶材料纯度高、产生微粒少、化学抗蚀性优良、能在高达325℃下工作。关于纯度，接触等离子刻蚀加工时，密封材料会产生刻蚀而在工作室内放出有害组分。某些元素（例如F）可望挥发而直接排出工作腔，其它一些杂质（例如Au、Fe、Cu等）就可能导致缺陷。为了保证高纯度密封，对原材料和密封制造的监控是极为重要的。全氟橡胶密封由几种成分和/或填充剂组成，它们在不同工艺气体中刻蚀速率的差异可能导致微粒的产生。对应用的了解将改进密封材料的选择。C-F结构的稳定性会得到优良的化学抗蚀性，碳-氟键离解能是552kJ/mol，而碳与氯、溴和碘之间的键离解能分别是397、288和209kJ/mol。将键离解能较大的交联单元组合可望增加热稳定性，也许会提高等离子抗蚀性。

来自等离子的入射通量包含离子、中子、电子和光子（图1）。物理机理包含溅射，从高能粒子向衬底的动量转移导致原子或离子的发射和离子注入。对密封的物理轰击可能使刻蚀增加，这是因为由于表面粗糙或键断裂降低了化学加工的能垒。当然，偏置会对物理轰击有影响。正离子通过（在典型的半导体加工中的）鞘加速并撞击晶圆，而负离子很少参与表面反应。

彻底了解系统中的化学反应是有挑战性的，首先要了解原子团吸附率、各物质的解吸率、反应速率和表面扩散。表面速率限制一般是各物质的吸附或解吸。分子对表面的物理吸附是指van der Walls键合，分子很易在整个表面扩散。化学吸附是对表面的强化学键合且是放热的（E～0.4-4eV）。总的说来，加工过程受入射通量、表面加工工艺、逸出通量、温度、功率、偏置、气压、反应可能性、反应速率、反应产物和能量的影响。