CN1904124A - 施涂双线电弧喷涂涂层的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

揭示了用于施涂双线电弧喷涂复合涂层以在基材上实现具有预定特征的表面效应的方法和设备。

Description

施涂双线电弧喷涂涂层的方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及涂层沉积领域。更具体地,本发明涉及使用改进的双线喷射电弧法在基材上沉积涂层的方法和设备。
发明背景
在处理室沉积领域中,通常要改进处理室的部件和表面,以使被涂布的工件的生产达到最佳。沉积工艺要求将工件表面置于需要严格质量控制的条件和涂层下。对于许多工件而言,例如半导体,涂层的厚度是极小的,通常小到只有1英寸的千分之几或者更小。各种等离子涂层技术在涂层产生的过程中或在此之后在沉积室内产生副产物,这些副产物从沉积室气氛中排出。但是,有一些等离子体副产物仍然粘合在沉积室的内表面或壁上以及其它暴露于室内的沉积室部件上。当副产物累积到预定量时,通常是基于运行的时间,生产就必需“脱线”停顿,对沉积室表面进行更换或清洗,以除去累积的副产物。如果不进行该项定期维护,副产物会从沉积室壁或其它暴露部件上分离,而污染涂布中的工件。这种污染行为通常会导致工件无法工作或出现故障。结果,在涂覆行业中,室内表面或暴露于室内的腔室部件表面设计经过改进,以提高等离子体和其它涂层工艺副产物的粘合性。副产物对室壁和腔室部件粘合性的提高延长了两次腔室清洗作业之间实现的加工时间,进而提高了整个系统的生产率,因为工艺处于“在线”生产的时间变长从而实现更高的总产率。另外,如果副产物是特别有价值或可循环利用的,粘合在室壁和腔室部件上的副产物也是需要的。
已知曾尝试改进腔室部件的表面以得到合适的表面性质,从而促进所需副产物的粘合性。但是,要在腔室表面上产生足够的“粗糙度”以增强涂层工艺副产物粘合到该表面上的能力是困难的。
许多腔室部件的基材常常由铝合金或不锈钢制成。这些部件的外表面必需进行处理,以实现所需的表面特征和微观结构。已知的表面“粗糙化”技术包括喷砂处理法或化学刻蚀金属表面法。另外,曾经将涂料施涂到金属基材表面上,产生无规则的表面。这些已知的方法用来使金属基材表面变得粗糙是可行的。但是,所有的已知方法对于经过改进的室壁表面所能“捕获”的副产物的量和体积而言,因粘合程度有限而或多或少都无法令人接受。
另外,在金属表面上施涂涂层会带来其它的问题,例如必需实现涂层对金属几乎不变的粘合性。换言之,如果涂层本身最终会脱落而污染工件,则施涂到室壁表面上用以“粗糙化”金属室壁表面的涂层是没有用的。被设计用来使金属和非金属(例如,陶瓷)室壁降低平整度的已知涂层必须以使最终表面呈现不规则状的形式沉积。但是,已知的方法不仅有涂层脱落的风险,而且沉积的方式还会产生势隙(potential gap),使对基材表面的涂布不连续。这导致等离子体副产物能够与基材表面反应,或者加快涂层从室壁基材上的脱落,进一步加剧室污染的问题并使副产物循环问题落空。
发明内容
在一个实施方式中,本发明涉及涂布沉积室部件基材的方法。具有基材表面的沉积室部件基材配以双线电弧喷涂设备用于施涂涂层。施涂一复合涂层。该复合涂层包括施涂在基材表面上的第一双线电弧喷涂涂层,接着是施涂在第一双线电弧喷涂涂层上的第二双线电弧喷涂涂层。通过调节涂料组分、喷嘴流量和基材组成,涂层表面表现出可预测的预定性质,特别是对于粘合化学物所需的粗糙度。最理想的是,第二涂层的表面粗糙度大于第一涂层的表面粗糙度。
在另一个实施方式中,本发明涉及用于从钽沉积过程中固定(immobilizing)含钽化合物的方法。提供一个沉积室,该沉积室包括腔室部件和腔室内表面。该腔室部件和腔室内表面进一步包括等离子体复合涂层,而该复合涂层包括第一层和第二层。向等离子体涂布过程中提供含钽化合物。该过程中从含钽化合物中释放出钽类物质(tantalum species),并且在工件上沉积一定量的钽类物质。一定量的钽类物质与复合涂层接触,并粘合在复合涂层上。然后对复合涂层进行处理,以便从复合涂层中释放出钽类物质。然后从复合涂层中回收一定量的钽类物质。
在另一个实施方式中,本发明涉及沉积在基材表面上的复合涂层,所述涂层包括具有第一粗糙度值(roughness value)的第一涂层和具有第二粗糙度值的第二涂层,其中第二粗糙度值大于第一粗糙度值。第一涂层和第二涂层包含选自铝、铝合金、镍和钼的金属。
在另一个实施方式中,本发明涉及处理室,该室包括一个具有内室的腔室,所述腔室具有内表面和处理室部件,所述部件具有外表面。腔室内表面和部件外表面包括复合涂层,所述复合涂层包括具有第一粗糙度值的第一层和具有第二粗糙度值的第二层,其中第二粗糙度值大于第一粗糙度值。该复合层基本上连续地沉积在室内表面和部件外表面上。
附图说明
图1是用已知的TWAS技术涂布的金属基材的横截面放大照片(现有技术)。
图2a-2d是显示TWAS-涂布的石英样品的照片(现有技术)。
图3a-3b是依据本发明方法的一个实施方式涂布的石英样品的照片。
图4是表示本发明的一个实施方式的双线电弧喷涂设备的示意图。
图5是用本发明的TWAS系统涂布的金属基材的截面放大照片。
具体实施方式
热喷涂是使用在各种高新技术工业中的已知的材料加工技术。双线电弧喷涂(TWAS)法是特别有用的热喷涂法。在TWAS法中,使两根电线进入各自的触头,这些触头将电流输送到电线中。这些触头的取向彼此相对,故而使电线朝着相互交叉的方向延伸。高电流通过电线会导致电线触头之间形成电弧。于是,电流熔化送入电弧区内的电线部分。喷嘴设备被设置在与触头接近并位于触头之间的位置上,并且取向为向着电弧区发射出气体流。该气体流将熔融金属喷射到工作表面上,形成涂层。
TWAS法已被用于处理沉积室部件表面。但是,此类方法还没有达到最佳的效果。具体来说,TWAS涂布为使用在沉积室中的基材表面提供的是无规则的涂层。如图1所示(现有技术),非连续的薄TWAS涂层12沉积在用于半导体加工的沉积室中所用的基材10上。经过涂布的基材随后暴露于工件处理条件中,包括在沉积室内释放出钽和氮化钽蒸气,用于沉积在工件上,具体是沉积在半导体晶片上。图中显示钽颗粒14的涂层粘合在TWAS涂层12上。图1清楚地显示了TWAS涂层的非连续性,以至于产生势隙16,有可能导致钽类物质侵袭基材10。
图2a-2d表示铝TWAS涂布的石英基材的俯视图。图2a和2c分别显示的是在普通光线下的两种铝TWAS涂布的基材20和22。图2b显示的是背光条件下的图2a的基材20,表明光透过基材的穿透性,证实通过TWAS法制得的涂层是不完整和非连续的。类似地,图2d显示的是背光条件下的图2c的基材,表明光透过基材的穿透性,证实通过TWAS法制得的涂层是不完整和非连续的。
为了比较起见,图3a和3b显示的是通过本发明的TWAS法涂布的石英基材30,分别为在自然光条件(图3a)和背光条件(图3b)下的TWAS-涂布的石英基材30。在该例子中,图3b显示的基材30表明无光穿透性,证实得到的是非连续的铝TWAS涂层。依据本发明的一个优选实施方式,TWAS涂层作为复合涂层沉积,也就是说,沉积一初层和一面层。
图4是表示本发明的TWAS系统的一个实施方式的示意图。所述系统有一个TWAS枪体40,该枪体包括分别容纳可消耗的电线46和48的电线套触头42和44。枪管口50包括隙缝52,电线46和48穿过该隙缝延伸并在电弧区54中的区域53处相交于一点。气体组分喷嘴56用来控制如空气、氮气、氩气等压缩气体的释放。向该系统提供的能量加热所述电线,形成电弧区,产生熔融金属颗粒58,这些颗粒以一定速率沿直箭头方向向基材表面60移动。
图5显示的是通过本发明的一个实施方式得到的本发明的经过涂布的基材的横截面放大照片。如图5所示,连续的TWAS薄涂层72沉积在基材70上。尽管该涂层是分两步沉积,即首先将初层沉积在基材上,紧接着在初层上施涂面层,该涂层也比由常规的TWAS法得到的涂层沉积得更为均匀,结果得到非常合乎需要的连续涂层,该涂层中察觉不到任何可使钽穿透至基材金属表面的间隙。与已知的TWAS涂层法形成强烈对比的是,本发明的TWAS复合涂层法在基材表面上产生基本上连续的涂层。
不管什么基材,对于沉积室部件上的涂层,铝是目前最常用的材料。这至少部分的是因为在引入织构化施涂涂层之前使用中的沉积室部件的铝金属,不会由于二次溅射、离子迁移等原因对要沉积的薄膜造成不利的影响。对于该涂层也可以选择其它材料,以便选择性地剥离该涂层而不会对基材造成损害。这样的材料的例子可包括许多种类,诸如普通镍/铝合金或用于铝基材的钼涂层。该涂层主要通过机械结合力粘合在基材上,这样许多关于初层/面层的组合的选择可以机械地起作用,但是必须研究它们对所涉及方法的可能影响。
本发明的一个实施方式涉及通过施涂至少两层而大大增强机械粘合强度同时又保持所需的表面粗糙度的方法。第一层或“初层”是使用能产生非常好地适应预先经过粗糙化处理的基材表面和先前沉积的金属长板(splates)的高速熔融颗粒的喷嘴设备施涂的。“长板”是技术术语,指在与基材接触和固化后固化的金属的形状。虽然此涂层对于基材有非常好的粘合性,但是该涂层具有对于收集沉积过程中的残余物而言并非最佳的相当平整的表面粗糙度(Ra)。在本发明的一个实施方式中,施涂的初层的表面粗糙度(Ra微米)约为10微米至20微米,更优选约为10微米至18微米。
然后使用能产生速率低得多的熔融颗粒的喷嘴设备将“面层”喷涂到初层上。这些低速颗粒与高速颗粒铺平的程度不同,所以产生一种孔隙度更高、表面粗糙度也高得多的涂层。在本发明的一个实施方式中,面层的表面粗糙度约为15微米至30微米,更优选约为17微米至23微米。改变推进气体的流速可以得到同样的结果,但是对于该实施例来说,操控的是喷嘴的直径。依据本发明,初层和面层的粗糙度可以改变,但是为了构建包括两涂层的复合涂层,初层的粗糙度要比面层的粗糙度小。
如上所述,在用于半导体的物理气相沉积(PVD)涂层法中,钽类物质被导引至工件基材上以作精密涂布。但是,不能有效沉积在工件基材表面上的钽和氮化钽物类或者从沉积室气氛中排出,或者粘合在室内表面和暴露的腔室部件上。粘合在室内表面上的钽类物质预示着形成树枝状的晶体。正是这种钽类物质的形成或“累积”使得必须增加沉积室内表面上的表面面积。因此,用于“粗糙化”内表面的方法实际上就是为了增加用于捕获和保留沉积室内游离的未反应或未排出的颗粒物的粘合位点的数量而提高表面面积。
当应用于处理室中的不锈钢或含铝内表面上时,已知的TWAS涂层工艺以单一施涂中应用。据信涂层太厚或者施涂多层涂层是不利的,这样做本身会由于涂层脱落而导致沉积室受到污染。但是,已经发现,标准TWAS涂层可能在微观上是不连续的(参见图1),其不连续的程度足以使如钽和氮化钽之类的沉积室副产物扩散穿过TWAS涂层直至腔室部件或底部基材,结果导致无法接受的涂层脱落。
依据本发明,将复合TWAS涂层施涂到沉积室部件上,该涂层提供高粗糙度,同时又保持涂层的连续性和有效的扩散屏障(barriers)。术语“复合”是指沉积两层单独的涂层,各涂层可具有不同的性质以得到所需的总体涂层性质。
在一个实施方式中,从枪尖到基材表面之间的喷射距离约为3英寸至5英寸(约76毫米至127毫米),优选为4英寸(约100毫米)。转台的转速约为150rpm,外加电流约为125安培。提供的空气压力约为60psi。对于初层(基材表面上的第一涂层)设定的喷枪管口直径约为7.85毫米,对于面层(该方法中施涂的第二涂层,该涂层施涂在初层上)设定的管口直径约为22.5毫米。以铝线的形式提供给TWAS法的被施涂金属的直径约为1.59毫米。对于所提供的两条电线来说,TWAS法中电线的进给速率约为69毫米/秒。所施涂的涂层厚度对于初层来说约为0.10毫米至0.15毫米,对于面层来说约为0.15毫米至0.20毫米。涂层的总厚度优选为约254微米至356微米。
事实上,依据本发明的一个实施方式,将得到的复合TWAS涂层(初层加面层)的总厚度与使用的已知TWAS涂层的厚度是等量齐观的,而已知涂层对于抵制由副产物扩散引起的脱层不能给予足够的保护。参见表1。
                                表1
  Ra(微米)   Rz(毫米)   厚度(毫米)   粘合强度(毫帕)
  现有TWAS   27   0.132   0.305   30
  复合TWAS   25   0.124   0.305   72
如表1中所示,尽管本发明的TWAS涂层的涂层厚度与常规TWAS涂层的厚度相当,但TWAS复合涂层对腔室基材的粘合强度得到极大的提高。另外,其表面粗糙度与常规涂层相当。依据本发明,可得到的期望粘合强度优选在约40毫帕至77毫帕的范围内。
使用表面光度仪测量Ra和Rz值,该设备可以测量测头在扫过表面时产生的偏转。算数平均粗糙度(Ra)定义为在样品长度(L)内测得的对于中线的粗糙度高度分量不平整度的算数平均值。该测量依据标准ANSI/ASMEB46.1“Surface Texture-Surface Roughness,Waviness and Lay”进行。Ra(以前在美国称为AA即Arithmetic Average(算术平均值),在英国称为CLA即Centerline Average(中线平均值))通常以微英寸(μin)表示,通过沿直线在表面上移动测头或表面光度仪来进行。一致且可测量的表面末道涂层对于所需的粗糙度可指定为例如约12微米至30微米。Rz是样品长度内的最高峰的高度加上最低谷的深度的总和。
                      实施例
以下对本发明的示例性实施方式的说明包含了本发明的其它特点、优点和细节,该说明必需结合附图进行。
                      实施例1
根据ASTM标准C633-01 Standard Test Method for Adhesion orCohesion Strength of Thermal Spray Coatings进行张力测试(拉伸)。样品是铝(Al)、不锈钢(SST)或氧化铝陶瓷试样,如下表中所定义。
最终Ra:500>Ra>700微英寸
             组#1-SST上的Al TWAS的拉伸测试
  #   样品号   磅   PSI   断裂模式
  1   1-1   8514   10846   100%粘合
  2   1-2   8204   10451   100%粘合
  3   1-3   8628   10991   100%粘合
  4   1-4   8469   10789   100%粘合
  5   1-5   8187   10429   100%粘合
  6   1-6   8239   10496   100%粘合
  7   1-7   8214   10464   100%粘合
  8   1-8   8225   10478   100%粘合
平均断裂===>      8335          10618
最终Ra:700>Ra>800微英寸
           组#2-TWAS 2-1-2-8的拉伸测试
  #   样品号   磅   PSI   断裂模式
  1   2-1   8648   11017   100%粘合
  2   2-2   8543   10883   100%粘合
  3   2-3   8241   10498   100%粘合
  4   2-4   8259   10521   100%粘合
  5   2-5   8192   10436   100%粘合
  6   2-6   8340   10624   100%粘合
  7   2-7   8740   11134   100%粘合
  8   2-8   8319   10597   100%粘合
平均断裂===>      8410        10714
                     实施例2
根据ASTM标准C633-01 Standard Test Method for Adhesion orCohesion Strength of Thermal Spray Coatings进行张力测试(拉伸)。样品是铝(Al)、不锈钢(SST)或氧化铝陶瓷试样,如下表中所定义。
最终Ra:700<Ra<900微英寸
               TWAS/SST-拉伸测试
  #   样品号   磅   PSI   断裂模式
  1   3-1   8619   10980   100%粘合
  2   3-2   8264   10527   100%粘合
  3   3-3   8460   10777   100%粘合
  4   3-4   8262   10525   100%粘合
  5   3-5   7968   10150   100%粘合
  6   3-6   8004   10196   100%粘合
  7   3-7   8221   10473   100%粘合
  8   3-8   8032   10232   100%粘合
平均断裂===>      8229        10483
最终Ra:1000<Ra<1200微英寸
                        TWAS/SST-拉伸测试
  #   样品号   磅   PSI   断裂模式
  1   SS-1   6555   8350   80%涂层破裂-中间/20%粘合
  2   SS-2   6233   7940   70%涂层破裂-中间/30%粘合
  3   SS-3   6263   7978   60%涂层破裂-中间/40%粘合
  4   SS-4   6810   8675   70%涂层破裂-中间/30%粘合
  5   SS-5   5994   7636   90%涂层破裂-中间/10%粘合
  6   SS-6   5963   7596   75%涂层破裂-中间/25%粘合
  7   SS-7   6227   7932   60%涂层破裂-中间/40%粘合
  8   SS-8   5892   7506   75%涂层破裂-中间/25%粘合
平均断裂===>      6242        7952
                        实施例3
根据ASTM标准C633-01 Standard Test Method for Adhesion orCohesion Strength of Thermal Spray Coatings进行张力测试(拉伸)。样品是铝(Al)、不锈钢(SST)或氧化铝陶瓷试样,如下表中所定义。
                        TWAS/Al-拉伸测试
# 样品号 PSI 断裂模式
  1   Al-1   5845   7446   70%涂层破裂-中间/30%粘合
  2   Al-2   5531   7046   70%涂层破裂-中间/30%粘合
  3   Al-3   6037   7690   60%涂层破裂-中间/40%粘合
  4   Al-4   6793   8654   70%涂层破裂-中间/30%粘合
  5   Al-5   6356   8097   70%涂层破裂-中间/30%粘合
  6   Al-6   6866   8746   80%涂层破裂-中间/20%粘合
  7   Al-7   6729   8572   60%涂层破裂-中间/40%粘合
  8   Al-8   6327   8060   70%涂层破裂-中间/30%粘合
平均断裂===>      6311        8039
测试中使用的且其测试结果列在实施例1-3中的所有铝试样都由6061铝合金制成。所使用的不锈钢试样由304L不锈钢制成。
                        实施例4
进行测试,以确定铝TWAS对氧化铝陶瓷的粘合力。该测试是用通过等离子体喷涂法施涂于预热到约700至900的基材的初层进行。
据信需要预热因为经过喷砂的陶瓷表面上的关键位点比喷砂金属基材时产生的关键位点要小得多。提高基材温度可以使熔融的铝在接触基材后冷却得更慢,使它在固化前流入更小的关键位点中。
等离子体/TWAS在陶瓷上的测试
  # 样品号   磅   PSI   断裂模式
  1 试样号#1   5029   6406   100%界面
  2 试样号#2   3971   5059   100%基材陶瓷基材破裂
  3 试样号#3   6480   8255   100%界面
4 试样号#4 5804 7394 100%界面
  5 试样号#5   6182   7875   100%界面
  6 试样号#6   4936   6288   100%基材陶瓷基材破裂
  7 试样号#7   5856   7460   100%界面
  8 试样号#8   5771   7352   100%界面
  9 试样号#9   5836   7434   100%界面
  10 试样号#10   4867   6200   100%界面
平均断裂===> 5473   6972
本发明提高了对粘合在本发明的改进型基材涂层上的物质的回收。因为本发明的涂层表面的“粗糙度”得到提高或者表面上粘合位点的数量增大,则涂布的物质的数量增大,如钽可以粘合并以晶体形式生长。这促进了沉积室清洗过程中钽的回收和循环的增加。与已知方法相比,该回收和循环提高了系统的总效率。更具体地,关于钽,出现在基材和沉积的钽之间的室壁上的铝用氢氧化钾加以溶解。钽和不锈钢不溶于此溶液,使得基材在该方法回收和再循环阶段中不会被损坏。然后从腔室中回收钽,一旦该剥离循环结束后即进行回收。回收的钽最好是近乎纯的形式。
尽管参考具体实施例及其实施方式对本发明的各方面进行了描述,但是应理解本发明的保护范围为所附权利要求的全部范围。

Claims (20)

1.一种涂布处理室部件基材表面的方法,其包括以下步骤:
提供具有基材表面的处理室部件基材;
提供用于施涂涂层的双线电弧喷涂设备;和
将复合双线电弧喷涂涂层施涂到所述基材表面上,所述复合涂层包括基材表面上的第一初层和第一初层上的第二面层,所述第一初层具有第一涂层粗糙度值,所述第二面层具有大于所述第一初层粗糙度值的第二面层粗糙度值。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一初层的粗糙度值约为10微米至20微米,所述第二面层的粗糙度值约为15微米至30微米,从而使所述第二面层的粗糙度值比所述第一初层的粗糙度值大。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基材表面由包含金属基材的材料制成。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基材表面由包含非金属基材的材料制成。
5.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述金属基材包含选自含不锈钢的合金、铝和含铝合金的金属。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述复合涂层包含选自铝、镍、铝合金和钼的金属。
7.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述非金属基材包括含陶瓷的化合物。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述复合涂层对基材表面提供基本上连续的涂层。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述复合涂层的粘合强度约为40毫帕至77毫帕。
10.一种从钽沉积过程中固定含钽化合物的方法,其包括以下步骤:
提供处理室,所述室包括腔室部件和腔室内表面,所述腔室部件和腔室内表面包括复合涂层,所述复合涂层包括第一层和第二层,所述两个层具有不同的表面粗糙度值;
向等离子体涂层工艺提供含钽化合物,所述工艺使钽类物质从含钽化合物中释放出来;
提供要在处理室中处理的工件;
将一定量的钽类物质沉积在工件上,并使一定量的钽类物质粘合在复合涂层上。
11.如权利要求10所述的方法,还包括以下步骤:
处理所述复合涂层,以从复合涂层释放出钽类物质;以及
从复合涂层中回收一定量的钽类物质。
12.一种沉积在基材表面上的复合涂层,所述复合涂层包括:
具有第一粗糙度值的第一涂层;
具有第二粗糙度值的第二涂层,所述第二粗糙度值大于所述第一粗糙度值;且
其中所述第一涂层和第二涂层包含金属。
13.如权利要求12所述的涂层,其特征在于,所述第一层和第二层包含选自铝、铝合金、镍和钼的金属。
14.如权利要求12所述的涂层,其特征在于,所述基材表面由选自铝和不锈钢的材料制成。
15.如权利要求12所述的涂层,其特征在于,所述涂层以约254微米至约356微米的厚度沉积在基材表面上。
16.如权利要求12所述的涂层,其特征在于,所述涂层的表面粗糙度约为12至30微米。
17.一种处理室,其包括:
具有内表面的腔室;
其中,所述腔室内表面包括复合涂层,所述复合涂层包括具有第一粗糙度值的第一层和具有第二粗糙度值的第二层,所述第二粗糙度值大于第一粗糙度值,所述复合涂层基本上连续地沉积在腔室内表面上。
18.如权利要求17所述的处理室,其还包括:
至少一种处理室部件,该部件在所述处理室内方向固定且位于接近内表面处,所述部件具有外表面,而所述复合层基本上连续地沉积在所述腔室内表面及部件外表面上。
19.一种用于钽沉积的设备,其包括:
处理室,所述室包括腔室部件和腔室内表面,所述腔室部件和腔室内表面包括复合涂层,所述复合涂层包括第一初层和第二面层,所述第二面层的表面粗糙度值比所述第一初层的表面粗糙度值大;
等离子体涂层设备,该设备以预定的位置至少部分地在所述腔室之内或者与所述腔室连通,所述设备包括用于产生含钽物质的钽源;和
要在处理室中处理的工件。
20.如权利要求19所述的设备,其特征在于,所述第二面层的表面粗糙度值约为17至23微米,所述第一初层的表面粗糙度值约为10至18微米。
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