CN113620710A - 使用相与应力控制的等离子体喷涂涂覆设计 - Google Patents

Abstract

为了制造用于半导体处理室的制品的涂层，提供包括Al、Al₂O₃或SiC中的至少一者的主体的制品，并且陶瓷涂层被涂覆在所述主体上，其中，所述陶瓷涂层包括Y₂O₃、Al₂O₃和ZrO₂的化合物。通过一方法将陶瓷涂层施加至所述主体，所述方法包括以下步骤：提供等离子体喷涂系统，所述等离子体喷涂系统具有在约100A至约1000A之间的范围中的等离子体电流；将所述等离子体喷涂系统的喷炬支架定位在距所述主体约60mm与约250mm之间的距离；使第一气体以约30L/min与约400L/min之间的速率流过所述等离子体喷涂系统；以及对所述主体进行等离子体喷涂涂覆以形成等离子体涂层，其中，所述涂层的喷溅是非晶的并具有盘饼形状。

Description

使用相与应力控制的等离子体喷涂涂覆设计

本申请是申请日为2015年05月15日、申请号为201580001477.4、题为“使用相与应力控制的等离子体喷涂涂覆设计”的分案申请。

技术领域

本公开的实施例大体而言关于陶瓷涂覆的制品以及将陶瓷涂层施加于部件的方法。

背景技术

在半导体产业中，器件是由生产尺寸不断缩小的结构的许多制造工艺来制造的。一些制造工艺(诸如，等离子体蚀刻和等离子体清洁工艺)使基板暴露于高速的等离子体流以蚀刻或清洁基板。等离子体可能是高度侵蚀性的，并且可能侵蚀处理室以及暴露于等离子体(例如，暴露于等离子体环境)的其他表面。这种侵蚀可能产生颗粒，所述颗粒频繁地污染正在被处理的基板(例如，半导体晶片)。这些晶片上颗粒会导致器件缺陷。

随着器件的几何尺寸缩小，对缺陷的敏感性增加，并且对颗粒污染物的要求变得更严格。因此，随着器件的几何尺寸缩小，可允许的颗粒污染的水平可能降低。为了使由等离子体蚀刻和/或等离子体清洁工艺引入的颗粒污染最小化，已经开发出抗等离子体的腔室材料。不同的材料提供不同的材料性质，诸如，耐等离子体性、刚性、弯曲强度、抗热冲击性，等等。此外，不同的材料具有不同的材料成本。因此，一些材料具有优异的抗等离子体性，其他材料具有较低的成本，而另一些材料具有优异的弯曲强度和/或抗热冲击性。

发明内容

在一个实施例中，制品包括主体，所述主体包含Al、Al₂O₃、AlN、Y₂O₃、YSZ或SiC中的至少一者。所述制品进一步包括在所述主体的至少一个表面上的等离子体喷涂的陶瓷涂层，所述陶瓷涂层包含化合物，所述化合物包含Y₂O₃、Al₂O₃和ZrO₂。所述陶瓷涂层进一步包含重叠的盘饼形喷溅，并且具有非晶相。

在一个实施例中，一种涂覆制品的方法包括以下步骤：将等离子体喷涂系统的等离子体电流设置到约100A至约1000A的值。所述方法进一步包括以下步骤：将所述等离子体喷涂系统的喷炬支架定位在距主体约60mm与约250mm之间的距离。所述方法进一步包括以下步骤：使第一气体以约30L/min与约400L/min之间的速率流过所述等离子体喷涂系统。所述方法进一步包括以下步骤：执行等离子体喷涂涂覆以在所述主体上形成陶瓷涂层，所述陶瓷涂层具有内部压缩应力以及非晶相，其中，所述陶瓷涂层包含Y₂O₃、Al₂O₃和ZrO₂的化合物，并且其中，所述涂层的喷溅具有盘饼形状。

在一个实施例中，通过工艺来制造制品，所述工艺包括以下步骤：将包含Al、Al₂O₃、AlN、Y₂O₃、YSZ或SiC中的至少一者的主体放置到等离子体喷涂系统中(例如，将所述制品放置在等离子体喷涂系统的喷嘴或枪管前方)；以及由所述等离子体喷涂系统执行等离子体喷涂工艺以便利用陶瓷涂层来涂覆所述主体的至少一个表面，所述陶瓷涂层是由包含Y₄Al₂O₉与Y₂O₃-ZrO₂固溶体的化合物组成。所述等离子体喷涂系统沉积由重叠的盘饼形喷溅制成的陶瓷涂层。此外，所述陶瓷涂层不经历相变而直接以非晶相形成。

附图说明

在所附附图的各图中通过示例方式而非通过限制的方式来图示本发明，在所附附图中，同样的标号指示类似的元件。应当指出的是，在本公开中对“一”或“一个”实施例的不同的提及不一定是指相同的实施例，并且此类提及意味着至少一个实施例。

图1图示根据一个实施例的衬里套组的剖视图。

图2图示根据一个实施例的制造系统的示例架构。

图3图示根据一个实施例的等离子体喷涂系统的剖视图。

图4图示根据一个实施例、将涂层施加于制品的方法。

图5图示根据实施例的喷溅表面的扫描电子显微镜(SEM)视图。

图6图示根据实施例的、涂层的曲率随时间的变化。

具体实施方式

本发明的实施例涉及在半导体处理室中暴露于等离子体化学物质的制品(例如，等离子体隔板、衬里套组、喷淋头、盖、静电夹盘或其他腔室部件)以及所述制品上的陶瓷涂层。以陶瓷涂层来涂覆制品的方法包括以下步骤：提供等离子体喷涂系统，所述等离子体喷涂系统具有在约100A至约1000A之间的范围中的等离子体电流；以及将所述等离子体喷涂系统的喷炬支架定位在距所述制品约50mm与约250mm之间的距离。所述方法还包括以下步骤：使等离子体气体(用于产生等离子体的气体)以约30L/min与约400L/min之间的速率流过所述等离子体喷涂系统；以及以陶瓷涂层来等离子体喷涂涂覆所述制品。所述陶瓷涂层包括Y₂O₃、Al₂O₃和ZrO₂的化合物，并且所述制品上涂层的喷溅具有盘饼形状。在一个实施例中，所述化合物是包含Y₄Al₂O₉与Y₂O₃-ZrO₂固溶体的陶瓷化合物。通过使用所提供的陶瓷和所提供的等离子体喷涂设置来执行等离子体喷涂工艺，形成了盘饼形喷溅。这些盘饼形喷溅使涂层具有致密且平滑的表面并带有内建(内部的)压缩应力。陶瓷涂层可以具有范围从约2密耳至约15密耳的厚度。

在实施例中，陶瓷涂层包括约53摩尔％的Y₂O₃、约10摩尔％的ZrO₂以及约37摩尔％的Al₂O₃。等离子体电流可以在约540A与约560A的范围中，并且等离子体喷涂系统的喷炬支架可以定位在距主体约90mm与约110mm之间的距离。在一个实施例中，等离子体电流为大约550A，而距主体的距离为约100mm。等离子体气体能以30L/min与约400L/min之间的速率流过等离子体喷涂系统。在实施例中，喷炬的喷嘴可以具有直径约6mm的开口，喷炬可以具有约700m/s的栅格(raster)速度，并且粉末的进料速率可以是约20g/m。

半导体腔室部件(诸如，盖、衬里和及处理套组)能以抗侵蚀的等离子体喷涂的涂层来涂覆。等离子体喷涂的涂层会有产生高孔隙率(例如，大于约3％)的内建拉伸应力以及导致不可接受的大量晶片上颗粒的表面破裂。另外，由于涂层中的固有的孔隙率，在湿法清洁期间的化学侵蚀会导致涂层损坏和/或剥离。

根据实施例的涂层可以提供致密且平滑的表面并带有内建(内部的)压缩应力，这可以减少涂层中的固有的孔隙率和破裂，并且改善晶片上缺陷性能。另外，根据实施例的涂层的抗侵蚀性可以优于标准的涂层，这可以增长具有涂层的部件的使用寿命。例如，由具有根据实施例的涂层的陶瓷基板形成的盖可以具有减少的孔隙率和破裂，从而导致增强的晶片上性能。在另一实例中，由具有根据实施例的涂层的金属基板形成的衬里可以在强劲的湿法清洁期间更抗化学侵蚀造成的损伤。在又一实例中，具有根据实施例的涂层的处理套组环(所述处理套组环在处理期间围绕晶片，并且通常具有高侵蚀速率)可以具有裂纹较少或没有裂纹的、更光滑的涂层，从而增强晶片上颗粒性能。

根据实施例，通过在喷涂期间控制涂层的相和应力，可通过等离子体喷涂来将涂层形成为平滑且致密的。用于等离子体喷涂的粉末也可以配制为是非晶相的而不是结晶相的，并且在喷涂期间具有压缩应力。粉末材料可以配制成在涂层沉积期间容易地完全熔化。除了涂覆的工艺条件之外，还可通过控制配方来将粉末的喷溅优化为无裂纹或具有较少裂纹的盘饼形状。如本文中所使用，术语“盘饼形状”是指具有比厚度大许多数量级的直径(或长度和宽度)的近似圆形、卵形或长椭圆(oblong)形的形状。

在实施例中，涂层可以是主要为非晶相的，并且可以在喷涂期间发展出压缩演进应力。在涂层的沉积期间，完全熔化的颗粒可以在没有相变的情况下固化成非晶相。在固化期间避免相变可以降低由于涂层体积变化而导致的裂纹形成的发生率。在涂层喷溅中的裂纹会导致差的涂层性能，包括增加的晶片上颗粒的数量。

根据实施例，基板材料可以包括金属、金属氧化物、氮化物、碳化物以及这些材料的合金，诸如，Al、Al₂O₃、AlN、SiC、Y₂O₃、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)等。

导体蚀刻工艺会涉及由气体混合物对导电基板(例如，Si晶片)进行的等离子体辅助蚀刻。如图1中所图示，在导体蚀刻中，晶片上等级的颗粒性能主要与诸如衬里套组100之类的腔室部件相关。衬里套组100具有前侧120、后侧122和外径124，所述外径124可以包括腔室主体111、上衬里101、狭缝阀门103、等离子体隔板105(即，围绕晶片的格栅状结构)、下衬里107以及阴极衬里109。上衬里101、狭缝阀门103和下衬里107较靠近腔室主体111，而等离子体隔板105位于晶片周围(未示出，但在操作期间位于位置130处)，并且阴极衬里109坐落于晶片下方。

标准的衬里套组可以由Al基板或其他陶瓷制成，所述Al基板以8-12密耳的等离子体喷涂的Y₂O₃(氧化钇)来涂覆，所述其他陶瓷的表面粗糙度约100-270μin(微英寸)。对于大多数典型的半导体应用，晶片上颗粒的规范为在大于或等于90nm的颗粒尺寸下最大为约30个添加物(adder)(例如，位于晶片上的30个零星的颗粒)。标准的Y₂O₃衬里套组符合此晶片上颗粒规范。

对于在28nm器件节点下的特定的先进应用，晶片上颗粒规范严格得多，为小于或等于1.3个添加物，尺寸大于或等于45nm。此外，这些应用可能使用还原化学物质(H₂、CH₄、CO、COS等)，这些还原化学物质往往增加晶片上颗粒污染。在还原化学物质下使用常规的Y₂O₃涂覆的衬里套组进行的腔室测试显示出高晶片上颗粒(例如，约50至100个或更多个添加物，为大于或等于45nm的颗粒尺寸)。在一些实例中，大量的腔室老炼(seasoning)(例如，100至150射频RF小时的处理)可以将颗粒缺陷水平降到在大于或等于45nm的颗粒尺寸下约0至10个添加物，从而生产可恢复之前就符合生产规范。然而，长的腔室老炼时间会降低生产率。在测试中，能量色散X射线光谱法已经确认，常规的Y₂O₃基晶片上颗粒可能源自衬里套组。此外，Y₂O₃涂层在还原化学物质(例如，H₂、CH₄、CO、COS等)下较不稳定，并且形成大量的Y-OH。Y-OH的转化导致体积改变，从而导致晶片上脱落的颗粒。

本发明的实施例包括用于改善用于半导体产业应用中的腔室部件的晶片上颗粒性能的复合陶瓷涂层材料。例如，在衬里套组的应用中，可以使用等离子体喷涂技术将复合陶瓷涂层(例如，氧化钇基复合陶瓷涂层)施加于衬里套组面向等离子体的侧。在其他实施例中，可以经由气溶胶沉积、浆料等离子体、或其他适当的技术(诸如，其他热喷涂技术)来施加复合陶瓷涂层。在一个示例中，铝衬里套组上的涂层厚度可以高达15密耳。在另一示例中，Al₂O₃或其他的金属氧化物基板(其中，涂层的热膨胀系数(CTE)更好地匹配基板的CTE)可以具有较厚的涂层。

在实施例中，复合陶瓷涂层由Y₂O₃、Al₂O₃和ZrO₂的化合物组成。例如，在实施例中，复合陶瓷涂层包括约53摩尔％的Y₂O₃、约10摩尔％的ZrO₂以及约37摩尔％的Al₂O₃。在另一实施例中，复合陶瓷涂层可以包括范围在20-90摩尔％的Y₂O₃、范围在0-80摩尔％的ZrO₂以及范围在10-70摩尔％的Al₂O₃。在其他实施例中，也可以将其他分布用于复合陶瓷涂层。在一个实施例中，复合陶瓷是可与以下各项中的一者或更多者混合的含氧化钇的固溶体：ZrO₂、Al₂O₃、HfO₂、Er₂O₃、Nd₂O₃、Nb₂O₅、CeO₂、Sm₂O₃、Yb₂O₃或上述的组合。在一个实施例中，化合物是包含Y₄Al₂O₉与Y₂O₃-ZrO₂固溶体的陶瓷化合物。

可以使用粉末混合物和产生具有前述性质的喷溅(splat)的等离子体喷涂参数来形成复合陶瓷涂层。这些喷溅导致复合陶瓷涂层具有内建的(built-in)压缩应力。所述内建的压缩应力是在沉积工艺期间被整合到陶瓷涂层中的内部压缩应力。

图2图示制造系统200的示例性架构。制造系统200可以是涂层制造系统(例如，用于将复合陶瓷涂层施加于制品，所述制品诸如，衬里套组)。在一个实施例中，制造系统200包括连接到设备自动化层215的处理设备201。处理设备201可以包括珠击机202、一个或更多个湿法清洁机203、等离子体喷涂枪管系统204和/或其他设备。制造系统200可以进一步包括连接到设备自动化层215的的一个或更多个计算装置220。在替代实施例中，制造系统200可以包括更多或更少的部件。例如，制造系统200可以包括手动操作的(例如，离线的)处理设备201而没有设备自动化层215或计算装置220。

珠击机202是配置成用于使制品(例如，衬里套组)的表面粗糙化或光滑的机器。珠击机202可以是珠击柜、手持式珠击机或其他类型的珠击机。珠击机202可以通过以珠或颗粒来轰击基板来使所述基板粗糙化。在一个实施例中，珠击机202将陶瓷珠或颗粒射击在基板处。由珠击机202实现的粗糙度可以基于用于射击珠的力、珠材料、珠尺寸、珠击机距基板的距离、处理的持续时间，等等。在一个实施例中，珠击机使用一个范围的珠尺寸来使陶瓷制品粗糙化。

在替代实施例中，可以使用除珠击机202之外的其他类型的表面粗糙化机。例如，可以使用机动化研磨垫来使陶瓷基板的表面粗糙化。砂磨机可以在研磨垫被压抵在制品的表面时转动或振动研磨垫。由研磨垫实现的粗糙度可以取决于所施加的压力、振动或转动速率和/或研磨垫的粗糙度。

湿法清洁机203是使用湿法清洁工艺来清洁制品(例如，衬里套组)的清洁设备。湿法清洁机203包括填有液体的湿浴，基板浸没在所述湿浴中以清洁所述基板。湿法清洁机203可以在清洁期间使用超声波来搅动湿浴，从而改善清洁效率。这在本文中被称为声波处理湿浴。在其他实施例中，可以使用替代类型的清洁机(例如，干法清洁机)来清洁制品。干法清洁机可以通过施加热，通过施加气体，通过施加等离子体等来清洁制品。

陶瓷涂覆机204是一种配置成用于将陶瓷涂层施加到基板的表面的机器。在一个实施例中，陶瓷涂覆机204是等离子体喷涂机(或等离子体喷涂系统)，所述等离子体喷涂机将涂层(例如，复合陶瓷涂层)等离子体喷涂到基板(例如，衬里套组)上。在替代实施例中，陶瓷涂覆机204可采用其他热喷涂技术，诸如，可以使用爆震喷涂、焊线电弧喷涂、高速氧燃料(HVOF)喷涂、火焰喷涂、暖喷涂以及冷喷涂。

设备自动化层215可以将制造机器201中的一些或全部与计算装置220、与其他制造机器、与测量工具和/或与其他装置互连。设备自动化层215可以包括网络(例如，局域网(LAN))、路由器、网关、服务器、数据存储设备，等等。制造机器201可以经由SEMI设备通讯标准/通用设备模型(SECS/GEM)接口、经由以太网接口和/或经由其他接口而连接到设备自动化层215。在一个实施例中，设备自动化层215使工艺数据(例如，在工艺运行期间由制造机器201收集的数据)能够被存储在数据存储设备(未示出)中。在替代实施例中，计算装置220直接连接到制造机器201中的一个或更多个。

在一个实施例中，制造机器201中的一个或更多个包括可以加载、储存并执行工艺制作方法的可编程控制器。可编程控制器可以控制制造机器201的温度设置、气体和/或真空设置、时间设置等。可编程控制器可以包括主存储器(例如，只读存储器(ROM)、闪存、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)等)和/或辅存储器(例如，数据存储装置，诸如，盘驱动器)。主存储器和/或辅存储器可以存储用于执行本文所述的热处理工艺的指令。

可编程控制器还可以包括耦接到主存储器和/或辅存储器(例如，经由总线)的处理装置以执行指令。处理装置可以是通用处理装置，诸如，微处理器、中央处理单元，等等。处理装置也还可以是专用处理装置，诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器，等等。在一个实施例中，可编程控制器是可编程逻辑控制器(PLC)。

在一个实施例中，制造机器201经编程以执行将使制造机器粗糙化基板、清洁基板和/或制品、涂覆制品和/或机械加工(例如，研磨或抛光)制品的制作方法。在一个实施例中，制造机器201经编程以执行进行多操作工艺的各操作的制作方法，所述多操作工艺用于制造陶瓷涂覆的制品，如参照以下附图所述。计算装置220可以存储一个或更多个陶瓷涂覆制作方法225，所述一个或更多个陶瓷涂覆制造方法可以下载到制造机器201以使所述制造机器201制造根据本公开的实施例的陶瓷涂覆的制品。

图3图示用系统300的剖视图，所述系统300用于在侵蚀性系统中使用的电介质蚀刻部件或其他制品(例如，衬里套组)上等离子体喷涂涂层。系统300是一种热喷涂系统的类型。在等离子体喷涂系统300中，电弧306形成在两个电极(阳极304与阴极316)之间，等离子体气体318经由气体输送管302流过这两个电极。等离子体气体318可以是两种或更多种气体的混合物。适于在等离子体喷涂系统300中使用的气体混合物的示例包括但不限于，氩气/氢气、氩气/氦气、氮气/氢气、氮气/氦气、或氩气/氧气。第一气体(正斜杠之前的气体)表示主气体，而第二气体(正斜杠之后的气体)表示次气体。主气体的气体流动速率可以与次气体的气体流动速率不同。在一个实施例中，主气体的气体流动速率为约30L/min和约400L/min。在一个实施例中，次气体的气体流动速率在约3L/min和约100L/min之间。

当等离子体气体被电弧306离子化和加热时，气体膨胀并加速通过经成形的的喷嘴320，从而形成高速等离子体流。

粉末308被注入等离子体喷涂物或喷炬中(例如，通过粉末推进气体)，在所述等离子体喷涂物或喷炬中，剧烈的温度使粉末熔化，并将材料作为熔融的颗粒流314推向制品310。一旦撞击到制品310，则熔融的粉末变平，迅速地凝固，并形成附着至制品310的涂层312。影响涂层312的厚度、密度和粗糙度的参数包括粉末的类型、粉末的尺寸分布、粉末进料速率、等离子体气体成分、等离子体气体流动速率、能量输入、喷炬偏移距离、基板冷却等。如参照图4所讨论，根据实施例，优化这些参数以形成具有内建(built-in)压缩应力的致密的等离子体喷涂的涂层。

图4是示出根据实施例的、用于制造经涂覆的制品的工艺400的流程图。工艺400的操作可以由各种制造机器来执行。将参照可用于反应离子蚀刻或等离子体蚀刻系统的上述任何制品来描述工艺400的操作。

在框402处，优化用于等离子体喷涂涂层的粉末。这可以包括对复合陶瓷涂层的粉末成分、粉末形状和粉末尺寸分布的优化。在一个实施例中，优化涂层的步骤包括但不限于：确定粉末类型(例如，化学成分)、平均粉末尺寸以及粉末进料速率。可以选择粉末类型来产生如先前所描述的涂层。可以选择具有特定的成分、纯度和颗粒尺寸的原料陶瓷粉末。陶瓷粉末可以由Y₂O₃、Y₄Al₂O₉、Y₃Al₅O₁₂(YAG)或其他含氧化钇的陶瓷形成。此外，陶瓷粉末可以与以下各项中的一者或更多者组合：Y₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃、HfO₂、Er₂O₃、Nd₂O₃、Nb₂O₅、CeO₂、Sm₂O₃、Yb₂O₃或其他氧化物和/或玻璃粉末。随后，混合原料陶瓷粉末。在一个实施例中，将Y₂O₃、Al₂O₃和ZrO₂的原料陶瓷粉末混合在一起以用于复合陶瓷涂层。在一个实施例中，粉末配方为约53摩尔％的Y₂O₃、37摩尔％的Al₂O₃以及10摩尔％的ZrO₂。在一个实施例中，这些原料陶瓷粉末可以具有99.9％或更高的纯度。可以使用例如球磨来混合原料陶瓷粉末。在混合了陶瓷粉末之后，能以指定的煅烧时间和温度来煅烧这些陶瓷粉末。

在一个实施例中，陶瓷粉末包括62.93摩尔比(摩尔％)的Y₂O₃、23.23摩尔％的ZrO₂以及13.94摩尔％的Al₂O₃。在另一实施例中，陶瓷粉末可以包括范围在50-75摩尔％的Y₂O₃、范围在10-30摩尔％的ZrO₂以及范围在10-30摩尔％的Al₂O₃。在另一实施例中，陶瓷粉末可以包括范围在40-100摩尔％的Y₂O₃、范围在0-60摩尔％的ZrO₂以及范围在0-10摩尔％的Al₂O₃。在另一实施例中，陶瓷粉末可以包括范围在40-60摩尔％的Y₂O₃、范围在30-50摩尔％的ZrO₂以及范围在10-20摩尔％的Al₂O₃。在另一实施例中，陶瓷粉末可以包括范围在40-50摩尔％的Y₂O₃、范围在20-40摩尔％的ZrO₂以及范围在20-40摩尔％的Al₂O₃。在另一实施例中，陶瓷粉末可以包括范围在70-90摩尔％的Y₂O₃、范围在0-20摩尔％的ZrO₂以及范围在10-20摩尔％的Al₂O₃。在另一实施例中，陶瓷粉末可以包括范围在60-80摩尔％的Y₂O₃、范围在0-10摩尔％的ZrO₂以及范围在20-40摩尔％的Al₂O₃。在另一实施例中，陶瓷粉末可以包括范围在40-60摩尔％的Y₂O₃、范围在0-20摩尔％的ZrO₂以及范围在30-40摩尔％的Al₂O₃。在其他实施例中，其他分布也可用于陶瓷粉末。

在实施例中，优化粉末以在等离子体喷涂期间保持非晶相。在示例中，可以通过控制粉末配方来控制非晶相。特别配制的粉末可以在不经相变的情况下直接固化成非晶相。

在框404处，优化等离子体喷涂参数以使粉末的熔化最大化，减少表面结核(nodule)的数量，增加喷溅表面，降低粗糙度并减少孔隙率。此外，优化等离子体喷涂参数以使粉末颗粒变得完全熔化，并使这些完全熔化的颗粒在不经历相变的情况下固化成非晶相。在实施例中，优化等离子体喷涂参数以在等离子体喷涂期间产生盘饼形的材料喷溅。盘饼形喷溅沉积在彼此上方，从而构建出形成陶瓷涂层的许多盘饼形喷溅层。在一个实施例中，优化等离子体喷涂参数的步骤包括但不限于：确定等离子体枪管功率和喷涂载气的成分。优化等离子体喷涂参数的步骤还可以包括：确定用于在基板(例如，等离子体隔板)上施加涂层(例如，复合陶瓷涂层)的特定的喷涂涂覆顺序和工艺条件。

例如，表A示出在等离子体喷涂期间实现盘饼形喷溅的示例涂覆工艺参数。

参数	1级
		喷炬	F4
主气体流动速率(L/min)	45Ar
		次气体流动速率(％)	8H<sub>2</sub>
等离子体电流(A)	550
		喷炬支架距离(mm)	100
粉末喷射器(g/ml)	20
		栅格速度(mm/s)	700
喷嘴直径(mm)	6

表A：用于产生盘饼形喷溅的涂覆工艺参数

在一个实施例中，优化参数以使熔化最大化、减少结核的数量(这可以指示粉末熔化的增加)、增加喷溅的表面(这可以指示粉末熔化的增加)、降低表面粗糙度并且减少涂层的孔隙率，这将减少晶片上颗粒计数，因为颗粒较不可能被逐出。此外，优化参数以使熔化的颗粒在不经历相变的情况下固化成非晶相。

例如，经优化的等离子体电流可以在约400A至约1000A的范围中。进一步经优化的等离子体电流可以在约500A至约800A的范围中。在另一示例中，对等离子体喷涂系统的喷炬支架的经优化的定位可以在距制品(例如，衬里套组或等离子体隔板)约50mm与约250mm之间的距离。对喷炬支架的进一步经优化的定位可以距制品约70mm与约200mm之间的距离。在又一示例中，通过等离子体喷涂系统的经优化的气流可以具有约40L/min与约400L/min之间的速率。通过等离子体喷涂系统的进一步经优化气流可以具有约50L/min与约300L/min之间的速率。

在框406处，根据所选择的参数来涂覆制品。热喷涂技术和等离子体喷涂技术可以使材料(例如，陶瓷粉末)熔化，并且使用所选择的参数将熔化的材料喷涂到制品上。陶瓷粉末可在沉积期间被完全熔化，并且可以与目标主体碰撞以在所述目标主体上形成相对大的盘饼形喷溅。热喷涂或等离子体喷涂的陶瓷涂层可以由许多重叠的盘饼形喷溅的积聚组成。从概念上来说，陶瓷涂层由许多重叠的盘饼形喷溅层制成的，所述重叠的盘饼形喷溅层形成单个涂层。热喷涂或等离子体喷涂的陶瓷涂层可以具有约2-15密耳的厚度。在一个实例中，根据复合陶瓷涂层的侵蚀率来选择厚度以确保制品具有暴露于等离子体环境的至少大约5000射频小时(RFHr)的使用寿命，其中，RFHr是部件在处理中被使用的小时数的测量。换言之，如果复合陶瓷涂层的侵蚀率为约0.005密耳/小时，则对于约2500RF小时的使用寿命，可以形成具有约12.5密耳的厚度的陶瓷涂层。

能以多个喷涂回合来执行等离子体喷涂工艺。对于每一个回合，等离子体喷嘴的角度可改变以维持与正在被喷涂的表面的相对角度。例如，可以转动等离子体喷嘴以维持相对于正在被喷涂的制品的表面的大约45度至大约90度的角度。

在一个实施例中，可以优化等离子体喷涂顺序以实现改善的涂层(例如，较少的孔隙率、减少的表面结核、大的盘饼形喷溅以及降低的表面粗糙度)并减少零星的颗粒再沉积到涂层表面上(大多来自制品的背侧涂层)。

在框408处，可以执行等离子体涂层特征化。这可以包括：确定表面形态、粗糙度、孔隙率，标识表面结核，等等。

图5示出喷溅表面的说明性扫描电子显微镜(SEM)视图。视图501示出具有20微米尺度的3000倍放大的涂层喷溅照片(例如，一英寸样品的3000倍扫描电子显微照片(SEM))。视图502示出具有50微米尺度的1000倍放大的涂层喷溅照片(例如，一英寸样品的1000倍扫描电子显微照片(SEM))。视图503示出根据其中粉末配方和等离子体喷涂经优化以形成盘饼形喷溅且没有涂层裂纹的实施例的、具有100微米尺度的500倍放大的涂层喷溅照片(例如，一英寸样品的500倍扫描电子显微照片(SEM))。视图504示出具有20微米尺度的3000倍放大的涂层喷溅照片(例如，一英寸样品的3000倍扫描电子显微照片(SEM))。视图505示出具有50微米尺度的1000倍放大的涂层喷溅照片(例如，一英寸样品的1000倍扫描电子显微照片(SEM))。视图506示出具有100微米尺度的500倍放大的涂层喷溅照片(例如，一英寸样品的500倍扫描电子显微照片(SEM))，其中，粉末配方和等离子体喷涂未经优化来形成无涂层裂纹的盘饼形喷溅。

如图5中所示，与涂层的视图504、505和506相比，经优化以具有盘饼形喷溅的涂层的视图501、502和503显示出较少的裂纹或无裂纹。例如，盘饼形喷溅可具有近似圆形且平坦的盘状形状。视图501、502和503的喷溅相比视图504、505和506的喷溅，具有更光滑、无裂纹、圆化的边缘以及更像盘的外观。与具有其他形状的喷溅的涂层相比，对利用经优化以形成盘饼形喷溅的粉末和等离子体喷涂而形成的涂层的评估显示出改善的形态和孔隙率。例如，由于改善的粉末熔化、降低的粗糙度以及减小的孔隙率，根据实施例的涂层倾向于具有较少的结核和较大的喷溅，所有这些都有助于改善的晶片上颗粒性能。

图6图示在喷涂期间涂层的原位(in-situ)曲率变化，其中，图601示出对照的涂层，而图602示出根据实施例的涂层。曲率变化是在喷涂期间涂层中的应力水平的指示。图601显示出正曲率变化，所述正曲率变化可以指示拉伸应力，并且可以是通常具有较多立方晶相的涂层的结果。图602显示出负曲率变化，所述负曲率变化可以指示压缩应力，并且可以是通常具有较多非晶相的涂层的结果。

以上描述阐述了大量的特定细节(诸如，特定的系统、部件、方法等的示例)以提供对本公开的若干实施例的良好理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，本公开的至少一些实施例可以在没有这些特定细节的情况下来实施。在其他实例中，众所公知的元件或方法不详细地描述或以简单的框图格式呈现以避免不必要地使本公开含糊。因此，所阐述的特定细节仅是示例性的。特定的实现方式可以与这些示例性细节有所不同，并且仍被视为在本公开的范围内。

贯穿本说明书，提及“一个实施例”或“实施例”意味着结合所述实施例而描述的特定的特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在不同的地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全都指同一个实施例。此外，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。术语“约”和“大约”是指一个值加或减10％。

虽然以特定的顺序示出和描述本文的方法的操作，但也可以改变每一种方法的操作顺序，使得可以逆序地执行某些操作，或使得可以至少部分与其他操作一起同时执行某些操作。在另一实施例中，不同的操作的指令或子操作可以是间歇的和/或交替方式的。

应当理解的是，以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。在阅读并理解了以上描述之后，许多其他的实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，本公开的范围应当参照所附权利要求书连同此类权利要求书所赋予的等效方案的全部范围来确定。

Claims (20)

1.一种用于半导体处理室的制品，所述制品包含：

主体，所述主体包含Al、Al₂O₃、AlN、Y₂O₃、YSZ或SiC中的至少一者；以及

等离子体喷涂的陶瓷涂层，所述陶瓷涂层在所述主体的至少一个表面上，所述等离子体喷涂的陶瓷涂层，所述等离子体喷涂的陶瓷涂层进一步包含多个重叠的无裂纹的盘饼形喷溅，其中所述等离子体喷涂的陶瓷涂层具有非晶相，其中盘饼形喷溅是指具有圆形、卵形或长椭圆形形状的喷溅，所述喷溅具有的直径比所述喷溅的厚度大多个数量级，其中所述等离子体喷涂的陶瓷涂层包括：

30摩尔％至80摩尔％的Y₂O₃、大于0摩尔％至60摩尔％的ZrO₂，或

选自由以下各项组成的组的材料：Y₂O₃、Y₄Al₂O₉、Y₃Al₅O₁₂以及混合有ZrO₂、Y₄Al₂O₉、HfO₂、Er₂O₃、Nd₂O₃、Nb₂O₅、CeO₂、Sm₂O₃或Yb₂O₃中的至少一者的Y₂O₃的固溶体。

2.如权利要求1所述的制品，其中所述等离子体喷涂的陶瓷涂层包含Y₄Al₂O₉和Y₂O₃-ZrO₂固溶体。

3.如权利要求1所述的制品，其中所述等离子体喷涂的陶瓷涂层通过一方法施加，所述方法包括如下步骤：为等离子体喷涂系统将等离子体电流设置到100A至1000A的值；

将所述等离子体喷涂系统的喷炬定位至距主体60mm与250mm之间的喷炬支架距离；

使第一气体以30L/min与400L/min之间的速率流过所述等离子体喷涂系统；以及

执行等离子体喷涂涂覆以在所述主体上形成陶瓷涂层。

4.如权利要求1所述的制品，其中所述等离子体喷涂的陶瓷涂层具有内部压缩应力。

5.如权利要求1所述的制品，其中所述制品包含衬里套组，所述衬里套组包含前侧、后侧、上衬里、狭缝阀门、等离子体隔板、下衬里以及阴极衬里。

6.如权利要求1所述的制品，其中所述等离子体喷涂的陶瓷涂层具有2-15密耳的厚度以及在等离子体环境中处理的至少5000小时的使用寿命。

7.一种方法，所述方法包含以下步骤：

为等离子体喷涂系统将等离子体电流设置到约100A至约1000A的值；

将所述等离子体喷涂系统的喷炬支架定位至距主体约60mm与约250mm之间的距离；

使第一气体以约30L/min与约400L/min之间的速率流过所述等离子体喷涂系统；以及

执行等离子体喷涂涂覆以在所述主体上形成陶瓷涂层，其中：

所述陶瓷涂层具有内部压缩应力；

所述陶瓷涂层具有非晶相；

所述陶瓷涂层包含选自由以下各项组成的组的材料：

Y₂O₃；

Y₄Al₂O₉；

Y₃Al₅O₁₂；和

混合有Y₄Al₂O₉、ZrO₂、Al₂O₃、HfO₂、Er₂O₃、Nd₂O₃、Nb₂O₅、CeO₂、Sm₂O₃或Yb₂O₃中的至少一者的Y₂O₃的固溶体；并且

所述陶瓷涂层包含多个喷溅，其中所述多个喷溅具有盘饼形状，其中具有所述盘饼形状的所述多个喷溅中的大多数无裂纹，且其中所述盘饼形状是指具有的直径比厚度大许多数量级的近似圆形、卵形或长椭圆形的形状。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述等离子体电流在约450A与约800A之间的范围中。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述等离子体喷涂系统的所述喷炬支架距离在约60mm与约200mm之间。

10.如权利要求7所述的方法，进一步包括使次气体流过所述等离子体喷涂系统，其中所述第一气体和所述次气体形成气体混合物，所述气体混合物选自包含以下各项的列表：氩气和氢气的混合物、氩气和氦气的混合物、氮气和氢气的混合物、氮气和氦气的混合物以及氩气和氧气的混合物。

11.如权利要求10所述的方法，其中使所述第一气体以35L/min与约300L/min之间的速率流过所述等离子体喷涂系统。

12.如权利要求10所述的方法，其中使所述次气体以约3L/min与约100L/min之间的速率流过所述等离子体喷涂系统。

13.如权利要求7所述的方法，其中所述多个喷溅是在不经历相变的情况下以非晶相固化的多个重叠的喷溅。

14.如权利要求7所述的方法，其中执行所述等离子体喷涂涂覆的所述等离子体喷涂系统具有约6mm的喷嘴直径。

15.如权利要求7所述的方法，其中所述陶瓷涂层包含由Y₄Al₂O₉和Y₂O₃-ZrO₂固溶体组成的化合物。

16.如权利要求7所述的方法，进一步包括：

配制在等离子体喷涂涂覆期间完全熔化的粉末材料，所述粉末材料包含选自由以下各项组成的组的材料：Y₂O₃、Y₄Al₂O₉、Y₃Al₅O₁₂以及混合有Y₄Al₂O₉、ZrO₂、Al₂O₃、HfO₂、Er₂O₃、Nd₂O₃、Nb₂O₅、CeO₂、Sm₂O₃或Yb₂O₃中的至少一者的Y₂O₃的固溶体。

17.如权利要求7所述的方法，其中所述陶瓷涂层由Y₂O₃、Y₄Al₂O₉或Y₃Al₅O₁₂组成。

18.如权利要求7所述的方法，其中所述陶瓷涂层由混合有ZrO₂、Al₂O₃、HfO₂、Er₂O₃、Nd₂O₃、Nb₂O₅、CeO₂、Sm₂O₃或Yb₂O₃中的至少一者的Y₂O₃的固溶体组成。

19.如权利要求7所述的方法，其中所述多个喷溅包括重叠的喷溅。

20.一种方法，所述方法包含以下步骤：

为等离子体喷涂系统将等离子体电流设置到约100A至约1000A的值；

将所述等离子体喷涂系统的喷炬支架定位至距主体约60mm与约250mm之间的距离；

使第一气体以约30L/min与约400L/min之间的速率流过所述等离子体喷涂系统；以及

执行等离子体喷涂涂覆以在所述主体上形成陶瓷涂层，其中：

所述陶瓷涂层具有内部压缩应力；

所述陶瓷涂层具有非晶相；

所述陶瓷涂层包含混合有HfO₂、Er₂O₃、Nd₂O₃、Nb₂O₅、CeO₂、Sm₂O₃或Yb₂O₃中的至少一者的Y₂O₃、Y₄Al₂O₉或Y₃Al₅O₁₂的固溶体；并且

所述陶瓷涂层包含多个喷溅，其中所述多个喷溅具有盘饼形状，其中具有所述盘饼形状的所述多个喷溅中的大多数无裂纹，且其中所述盘饼形状是指具有的直径比厚度大许多数量级的近似圆形、卵形或长椭圆形的形状。

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