CN105624602B

CN105624602B - 一种应用于铝基基材的Y3Al5O12涂层的制备方法

Info

Publication number: CN105624602B
Application number: CN201410590041.0A
Authority: CN
Inventors: 王文东; 夏洋; 刘金虎
Original assignee: Beijing Meiqiao Electronic Equipment Co ltd; Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Beijing Meiqiao Electronic Equipment Co ltd; Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2018-11-02
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: CN105624602A

Abstract

本发明涉及半导体刻蚀工艺腔室内表面防蚀处理技术领域，具体涉及一种应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法。所述制备方法，包括如下步骤：选择Y₃Al₅O₁₂粉末；通过等离子喷涂设备在待喷涂的铝基基材的表面喷涂碳化铬或氮化铬涂层；通过等离子喷涂设备在所述碳化铬或氮化铬涂层的表面喷涂Y₃Al₅O₁₂，制备出Y₃Al₅O₁₂涂层。本发明在铝基基材和Y₃Al₅O₁₂涂层之间加入碳化铬或氮化铬的粘结相，可以在Y₃Al₅O₁₂涂层与铝基基材之间起到很好的过渡作用，有效缓解Y₃Al₅O₁₂涂层与铝基基材的界面应力，增大界面结合强度。

Description

一种应用于铝基基材的Y3Al5O12涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体刻蚀工艺腔室内表面防蚀处理技术领域，具体涉及一种应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法。

背景技术

目前，低温等离子体微细加工方法是材料微纳加工的关键技术，它是微电子、光电子、微机械、微光学等制备技术的基础，特别是在超大规模集成电路制造工艺中，有近三分之一的工序是借助于等离子体加工完成的，如等离子体薄膜沉积、等离子体刻蚀及等离子体去胶等。其中等离子体刻蚀为最关键的工艺流程之一，是实现超大规模集成电路生产中的微细图形高保真地从光刻模板转移到硅片上的不可替代的工艺。

在刻蚀工艺过程中，刻蚀气体(主要是F基和Cl基的气体)通过气体流量控制系统通入反应腔室，在高频电场(频率通常为13.56MHz)作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成等离子体。在等离子体中，包含由正离子、负离子、游离基和自由电子。游离基在化学上很活波、它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。但同时在刻蚀过程中产生的大量F和Cl自由基对刻蚀工艺腔及石英罩也会产生腐蚀作用，影响刻蚀效果。早期的90年代的刻蚀设备中，在较小功率和单一等离子体发生源的情况下，使用阳极氧化在工艺腔内表面Al层加上Al₂O₃涂层再封孔就可以满足等离子体对腔室的蚀刻损伤。

随着晶片尺寸的增大，进入到300mm设备，随着射频功率越来越大，等离子体对刻蚀工艺腔内表面的损伤也越来越大，可能造成涂层脱落，等离子体直接作用于基体，导致颗粒污染，半导体设备零部件的寿命受到更高功率的限制。研究表明，使用等离子体喷涂的Y₂O₃涂层，具有更加稳定的耐等离子侵蚀性能，直接的好处便是延长半导体设备零部件的寿命和减少颗粒，并且和CF系气体生成的反应产物YF₃蒸汽压低，其颗粒难以飞散。目前，以Y₂O₃粉末作为喷涂材料，利用大气等离子喷涂方法，在刻蚀工艺腔内表面制备出单一结构的Y₂O₃耐腐蚀涂层是一种普遍采用的方法。

相比于Y₂O₃，Y₃Al₅O₁₂又有其独特的优势。Y₃Al₅O₁₂可以制备成非晶涂层， Y₃Al₅O₁₂非晶涂层与晶态涂层相比，在组织结构和成分上更加均匀，不存在晶界、位错等容易引起局部快速腐蚀的通道，具有极高的强度、韧性和更加优异的耐磨耐蚀性能。许多方法如热喷涂、电镀、电刷镀、化学镀、PVD、CVD等均可用来制备非晶涂层。

大气等离子喷涂作为热喷涂的一种，是用N₂、Ar、H₂及He等作为离子气，经电离产生等离子高温高速射流，将输入材料熔化或熔融喷射到工作表面形成涂层的方法。等离子射流中的熔融粉末动能大，与基体接触后能充分展开、层叠，有效提高涂层结合强度，是制备高性能、高质量陶瓷涂层的关键技术。在大气等离子喷涂下，只要满足以下两个条件：(1)先驱物的粉体要在等离子焰的加热下完全熔化，原有晶格被完全破坏，成为熔融态；(2)在粉体成为熔融态飞行的过程中要有较大的温度梯度，且粒子与基体接触后的冷却速度要足够大，通常为10⁶K/s以上，就有可能形成非晶涂层。

但是，由于铝基金属的热膨胀系数(18.8～23.6×10^-6K^-1)和Y₃Al₅O₁₂的热膨胀系数(6.9×10^-6K^-1)相差较大，喷涂过程中很容易在基材与涂层之间产生热应力，而造成涂层与基材之间产生裂纹甚至涂层剥落。因此，需要寻找缓解Y₃Al₅O₁₂涂层与铝基基材的界面应力、增大界面机械结合能力的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法，可提高Y₃Al₅O₁₂涂层与铝基基材之间的界面结合强度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法，包括如下步骤：

选择Y₃Al₅O₁₂粉末；

通过等离子喷涂设备在待喷涂的铝基基材的表面喷涂碳化铬或氮化铬涂层；

通过等离子喷涂设备在所述碳化铬或氮化铬涂层的表面喷涂Y₃Al₅O₁₂，制备出Y₃Al₅O₁₂涂层。

进一步地，所述Y₃Al₅O₁₂粉末的粒度范围为10～80μm，。

进一步地，所述Y₃Al₅O₁₂粉末呈球形多孔结构，是由纳米小颗粒组成的中空微米小球。

进一步地，所述通过等离子喷涂设备在待喷涂的铝基基材的表面喷涂碳化铬或氮化铬涂层的步骤中，所述等离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和H₂， Ar气体的流量为40～100L/min，H₂气体的流量为5～20L/min。

进一步地，所述通过等离子喷涂设备在待喷涂的铝基基材的表面喷涂碳化铬或氮化铬涂层的步骤中，所述等离子喷涂设备的电弧电压为40～80V，电弧电流为500～900A，送粉速度为10～80g/min，喷涂距离为60～160mm，粉斗搅拌速度5～40r/min，送粉角度为50°～90°，机械手移动速度为3～1000mm/s；控制碳化铬或氮化铬涂层厚度为20～200μm。

进一步地，所述通过等离子喷涂设备在待喷涂的铝基基材的表面喷涂碳化铬或氮化铬涂层的步骤中，在等离子喷涂的过程中，采用压缩空气喷吹方法或者循环水冷方法来冷却所述铝基基材，所述压缩空气喷吹方法中冷却气体的流量为100～2000L/min，所述循环水冷方法中冷却水的流量为10～500L/min。

进一步地，当在所述铝基基材表面喷涂氮化铬涂层后，对所述氮化铬涂层进行渗碳处理。

进一步地，所述通过等离子喷涂设备在所述碳化铬或氮化铬涂层的表面喷涂Y₃Al₅O₁₂的步骤中，所述等离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和He，Ar气体的流量为40～90L/min，He气体的流量为5～20L/min，或，所述等离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和H₂，Ar气体的流量为40～90L/min，H₂气体的流量为5～20L/min。

进一步地，所述通过等离子喷涂设备在所述碳化铬或氮化铬涂层的表面喷涂Y₃Al₅O₁₂的步骤中，所述等离子喷涂设备的电弧电压为40～70V，电弧电流为600～900A，送粉速度为15～100g/min，喷涂距离为60～140mm，粉斗搅拌速度5～40r/min，送粉角度为50°～90°，机械手移动速度为3～1000mm/s；控制 Y₃Al₅O₁₂涂层厚度为50～300μm。

进一步地，所述通过等离子喷涂设备在所述碳化铬或氮化铬涂层的表面喷涂Y₃Al₅O₁₂的步骤中，在等离子喷涂的过程中，采用压缩空气喷吹方法或者循环水冷方法来冷却所述铝基基材，所述压缩空气喷吹方法中冷却气体的流量为 100～2000L/min，所述循环水冷方法中冷却水的流量为10～500L/min。

与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明在铝基基材和Y₃Al₅O₁₂涂层之间加入碳化铬或氮化铬的粘结相，可以在Y₃Al₅O₁₂涂层与铝基基材之间起到很好的过渡作用，有效缓解Y₃Al₅O₁₂涂层与铝基基材的界面应力，增大界面结合强度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法，包括如下步骤：

步骤110：选择Y₃Al₅O₁₂粉末；

具体地，选择Y₃Al₅O₁₂粉末的粒度范围为10～80μm，呈球形多孔结构，是由纳米小颗粒组成的中空微米小球，具有极佳的流动性。

步骤120：通过等离子喷涂设备在待喷涂的铝基基材的表面喷涂碳化铬或氮化铬涂层；

具体地，所述等离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和H₂，Ar气体的流量为40～100L/min，H₂气体的流量为5～20L/min；所述等离子喷涂设备的电弧电压为40～80V，电弧电流为500～900A，送粉速度为10～80g/min，喷涂距离为60～160mm，粉斗搅拌速度5～40r/min，送粉角度为50°～90°，机械手移动速度为3～1000mm/s；控制碳化铬或氮化铬涂层厚度为20～200μm；在等离子喷涂的过程中，采用压缩空气喷吹方法或者循环水冷方法来冷却所述铝基基材，所述压缩空气喷吹方法中冷却气体的流量为100～2000L/min，所述循环水冷方法中冷却水的流量为10～500L/min。

进一步地，当在所述铝基基材表面喷涂碳化铬涂层时，碳化铬的热膨胀系数约为10.3×10^-6K^-1，作为粘结层可以在Y₃Al₅O₁₂涂层与铝基基材之间起到很好的过渡作用。当在所述铝基基材表面喷涂氮化铬涂层后，还可以对所述氮化铬涂层进行渗碳处理，让碳向氮化铬中扩散，使粘结层中的相分布依次为Cr₃C₂、Cr₇C₃、CrC_xN_y、Cr₂N，这样让与铝基金属有相近热膨胀系数的Cr₂N层与基材接触，而与Y₃Al₅O₁₂具有相近热膨胀系数的Cr₃C₂、Cr₇C₃与Y₃Al₅O₁₂涂层接触，可有效缓解Y₃Al₅O₁₂涂层与铝基基材的界面应力，增大界面结合强度。

步骤130：通过等离子喷涂设备在所述碳化铬或氮化铬涂层的表面喷涂 Y₃Al₅O₁₂，制备出Y₃Al₅O₁₂涂层。

具体地，所述等离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和He，Ar气体的流量为40～90L/min，He气体的流量为5～20L/min，或，所述等离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和H₂，Ar气体的流量为40～90L/min，H₂气体的流量为5～ 20L/min；所述等离子喷涂设备的电弧电压为40～70V，电弧电流为600～900A，送粉速度为15～100g/min，喷涂距离为60～140mm，粉斗搅拌速度5～40r/min，送粉角度为50°～90°，机械手移动速度为3～1000mm/s；控制Y₃Al₅O₁₂涂层厚度为50～300μm；在等离子喷涂的过程中，采用压缩空气喷吹方法或者循环水冷方法来冷却所述铝基基材，所述压缩空气喷吹方法中冷却气体的流量为100～ 2000L/min，所述循环水冷方法中冷却水的流量为10～500L/min。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

选择Y₃Al₅O₁₂粉末；

通过等离子喷涂设备在待喷涂的铝基基材的表面喷涂碳化铬或氮化铬涂层，其中，在等离子喷涂的过程中，采用压缩空气喷吹方法或者循环水冷方法来冷却所述铝基基材，所述压缩空气喷吹方法中冷却气体的流量为100～2000L/min，所述循环水冷方法中冷却水的流量为10～500L/min；

其中，所述等离子喷涂设备的电弧电压为40～80V，电弧电流为500～900A，送粉速度为10～80g/min，喷涂距离为60～160mm，粉斗搅拌速度5～40r/min，送粉角度为50°～90°，机械手移动速度为3～1000mm/s；控制碳化铬或氮化铬涂层厚度为20～200μm；

其中，当在所述铝基基材表面喷涂氮化铬涂层后，对所述氮化铬涂层进行渗碳处理，让碳向氮化铬中扩散，使粘结层中的相分布依次为Cr₃C₂、Cr₇C₃、CrC_xN_y、Cr₂N；

2.如权利要求1所述的应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法，其特征在于，所述Y₃Al₅O₁₂粉末的粒度范围为10～80μm。

3.如权利要求1所述的应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法，其特征在于，所述Y₃Al₅O₁₂粉末呈球形多孔结构，是由纳米小颗粒组成的中空微米小球。

4.如权利要求1所述的应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法，其特征在于，所述通过等离子喷涂设备在待喷涂的铝基基材的表面喷涂碳化铬或氮化铬涂层的步骤中，所述等离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和H₂，Ar气体的流量为40～100L/min，H₂气体的流量为5～20L/min。

5.如权利要求1所述的应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法，其特征在于，所述通过等离子喷涂设备在所述碳化铬或氮化铬涂层的表面喷涂Y₃Al₅O₁₂的步骤中，所述等离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和He，Ar气体的流量为40～90L/min，He气体的流量为5～20L/min，或，所述等离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和H₂，Ar气体的流量为40～90L/min，H₂气体的流量为5～20L/min。

6.如权利要求1所述的应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法，其特征在于，所述通过等离子喷涂设备在所述碳化铬或氮化铬涂层的表面喷涂Y₃Al₅O₁₂的步骤中，所述等离子喷涂设备的电弧电压为40～70V，电弧电流为600～900A，送粉速度为15～100g/min，喷涂距离为60～140mm，粉斗搅拌速度5～40r/min，送粉角度为50°～90°，机械手移动速度为3～1000mm/s；控制Y₃Al₅O₁₂涂层厚度为50～300μm。

7.如权利要求1所述的应用于铝基基材的Y₃Al₅O₁₂涂层的制备方法，其特征在于，所述通过等离子喷涂设备在所述碳化铬或氮化铬涂层的表面喷涂Y₃Al₅O₁₂的步骤中，在等离子喷涂的过程中，采用压缩空气喷吹方法或者循环水冷方法来冷却所述铝基基材，所述压缩空气喷吹方法中冷却气体的流量为100～2000L/min，所述循环水冷方法中冷却水的流量为10～500L/min。