TW202319350A - 球狀氟氧化釔基粉末、其製備方法及氟氧化釔基塗層 - Google Patents

球狀氟氧化釔基粉末、其製備方法及氟氧化釔基塗層 Download PDF

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Abstract

本發明關於球狀氟氧化釔（YOF）基粉末的製備方法，詳細而言，關於一種如下的球狀YOF基粉末的製備方法，將添加到電漿射流中並熔融的YOF基粉末以液滴狀態噴射到冷媒並進行快速冷卻，從而藉由球狀化來提高緻密度並調節成分比。

Description

球狀氟氧化釔基粉末、其製備方法及氟氧化釔基塗層
本發明關於球狀氟氧化釔（YOF）基粉末的製備方法，關於一種如下的球狀YOF基粉末的製備方法，即藉由YOF基粉末的球狀化來調節顆粒的緻密度及成分比，使利用其來製備的塗布膜具有提高的密度、硬度及電漿抗性。
最近，半導體製程的高集成度和超細線寬技術需要在高密度電漿、高清潔度、過度的電衝擊等超極端環境下進行電漿蝕刻工序。尤其，使用含化學反應性強的鹵素元素如F、Cl或Br等的反應性氣體的電漿蝕刻工序，在晶圓表面蝕刻各種沉積材料，同時與腔內的金屬或陶瓷部件發生化學及物理反應，損壞部件表面並產生非揮發性污染顆粒。
因此，近年來，對在金屬或陶瓷部件的表面表現出優異的耐電漿抗性的陶瓷材料的塗布的興趣大大增加，代表性地，廣泛應用氧化釔（Y 2O 3）塗布。
氧化釔（Y 2O 3）具有高熔點（2450℃）及化學穩定性，且結晶穩定性高達2300℃，尤其，Y 2O 3具有藉由對F基團優異的化學穩定性，根據釔的高原子品質的高耐離子碰撞性，以及作為反應產物的YF 3的優異的機械特性等，因此具有優異的耐電漿抗性。
然而，問題在於，在上述Y 2O 3塗層的上表面，在蝕刻工序初期與SF 6、CF 4、CHF 3、HF等的電漿氣體反應時，腔中的氟基氣體濃度發生變化，從而導致蝕刻工序的陳化時間（Seasoning Time）增加，並且，Y 2O 3的表面與上述電漿氣體反應形成含氟污染物顆粒，當該Y 2O 3受熱循環時，因染物顆粒與Y 2O 3之間的熱膨脹係數差異而產生應力，污染顆粒發生脫落。
為了解決這個問題，引入了具有優異耐腐蝕性的YF 3。但是，上述YF 3的問題在於，在大氣電漿噴塗（Atmospheric Plasma Spraying；APS）過程中熔融於超高溫電漿，部分氟化物被氧化，形成氟化物和氧化物部分混合的塗層，另外，與Y 2O 3噴塗塗層相比，塗層中裂紋和蝕刻腔中微粒的產生可能會引起很多問題。
為了解決這種Y 2O 3及YF 3的問題，引入了具有介於Y 2O 3及YF 3之間的性質的Y-O-F塗層。
作為一例，韓國公開專利第10-2019-0017333號（公開日：2019年2月20日）中公開了一種YOF基粉末的製備方法，其中，將氧化釔（Y 2O 3）粉末與YF 3粉末以1：2至2：1的重量比混合後，進行熱處理，由於污染顆粒產生少、耐電漿性優異，因此可應用於半導體設備的塗布。然而，就上述先前技術文獻而言，未公開關於減小YOF的粒子大小和改善形狀和孔隙率的內容。因此，就由如上所述的YOF基粉末製備的塗層而言，孔隙率高達3%以上，緻密度降低，由此導致機械強度也降低。
因此，為了改善這種YOF基粉末的問題點，正在進行如下研究，藉由改善YOF基粉末的孔隙率及成分，比來改善利用YOF基粉末的塗層的物理強度和化學穩定性。
作為一例，韓國公開專利第10-2019-0082119號（公開日：2019年7月9日）中公開了如下所述的塗布膜，其中，利用含Y、O及F的混合粉末在基材形成YOF塗布膜，且將上述Y：O：F的基於X射線光電子能譜分析（XPS）成分比設為1：1：1，以將孔隙率降低到0.01%至1.0%，並將硬度提高到6GPa至12GPa，從而實現對腐蝕性氣體及高速碰撞離子顆粒的蝕刻抗性高且電漿抗性優秀的塗布膜。然而，就上述現有文獻而言，Y、O及F的成分比為1：1：1，F的含量仍然偏高，利用其的塗布膜在部分蝕刻過程中，F-離子氣體會混入半導體工序，從而導致蝕刻速率增加等的問題點。
因此，需要開發一種YOF基粉末，在藉由調節YOF基粉末的孔隙率和F的含量比來將其用作塗布膜的情況下，即使是在同時使用氧基團和氟基電漿氣體的工序中，也能夠具有優異的化學穩定性及電漿抗性，並且還能夠提高強度。
[先前技術文獻] [專利文獻] 專利文獻1：韓國公開專利第10-2019-0017333號（公開日：2019年2月20日）。 專利文獻2：韓國公開專利第10-2019-0082119號（公開日2019年7月9日）。
[發明要解決的問題]
本發明的第一技術問題在於，提供一種球狀YOF基粉末的製備方法，其中，在保持現有YOF基粉末的高電漿抗性的同時，使這些顆粒緻密化，並藉由調節F成分含量，使其在同時使用氧基團和氟基電漿氣體的工序中，不僅具有化學穩定性和電漿抗性，並藉由提高的硬度來穩定YOF基粉末塗層。
另外，本發明的第二技術問題在於，提供藉由上述球狀YOF基粉末的製備方法製備的球狀YOF基粉末。
另外，本發明的第三技術問題在於，提供藉由APS塗布上述YOF基粉末來製備的YOF基塗層。 [用於解決問題的手段]
為了解決上述問題，本發明提供一種YOF基粉末的製備方法，其特徵在於，包括：a步驟，向電漿射流（plasma jet）中添加YOF基粉末並進行熔融；b步驟，藉由將所述熔融的YOF基液滴噴射到冷媒來製備球狀YOF基粉末；以及c步驟，在進行所述b步驟後，去除冷媒，對球狀YOF基粉末進行乾燥。
作為一實施例，在上述b步驟中，噴射熔融的YOF基液滴時，從噴射排出口到冷媒表面的隔開距離可以為400mm至600mm，上述冷媒可選自水、N 2及Ar中的一種以上。
作為一實施例，上述YOF基粉末可以為具有Y xO yF z的化學式（其中，x及z為大於或等於y的數）的粉末。
另外，本發明提供藉由上述球狀YOF基粉末的製備方法製備的球狀YOF基粉末。
作為一實施例，上述球狀YOF基粉末的顆粒大小可以為10µm至60µm。
另外，本發明提供YOF基塗層，其藉由大氣電漿噴塗（Atmospheric Plasma Spraying；APS）方法將上述球狀YOF基粉末塗布於基材而製成。
作為一實施例，上述YOF基塗層的F含量可以為20at%至40at%，孔隙率可低於2%。 [發明的效果]
就本發明而言，藉由簡單的工序對YOF基粉末進行球狀化，可以使結構緻密化以生以製備高密度的釔化合物粉末。
另外，就這種球狀緻密化的YOF基粉末而言，藉由APS塗布法在基材進行塗布時，孔隙率降低並可形成緻密穩定的塗布膜，尤其，與現有非球狀化的YOF基粉末相比，藉由球狀YOF基粉末形成塗層具有硬度提高效果。這種機械強度的提高意味著，對乾式蝕刻工序中產生的離子轟擊（Ion Bombardment）耐性有所增加。
另外，由於對上述塗層的釔化合物粉末的F的含量進行了適當調節，因此，即使是在同時使用氧基團和氟基電漿氣體的工序中，也能夠具有優異的化學穩定性和電漿抗性。
除非另有定義，本說明書中所用的所有技術及科學術語與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同。一般而言，本說明書中所用的命名法是本技術領域公知和常用的那些。
在整個本說明書中，當某個部分“包括”某個結構要素時，除非另有相反的記載，否則可以進一步包括其他結構要素而不排除其他結構要素。
另外，在整個本說明書中，“非球狀化”是指未經本發明中所記載的球狀化工序的狀態。
本發明的一方面，提供一種球狀YOF基粉末的製備方法，其特徵在於，包括：a步驟，向電漿射流（plasma jet）中添加YOF基粉末並進行熔融；b步驟，藉由將所述熔融的YOF基液滴噴射到冷媒來製備球狀YOF基粉末；以及c步驟，在進行所述b步驟後，去除冷媒，對球狀YOF基粉末進行乾燥。
圖1及圖2為示出根據本發明一實施例的球狀YOF基粉末的製備方法的示意圖及流程圖。以下，參照圖1及圖2進行詳細說明。
在本發明中，a步驟為向電漿射流（plasma jet）中添加YOF基粉末的步驟。
在電漿裝置中產生熱電漿時，釋放大量的氣體，在陰極和陽極之間產生電弧放電，以射流狀態噴射電漿。將其稱為電漿射流（plasma jet）或電漿焰炬（plasma torch），在上述a步驟中，向該電漿射流中添加YOF基粉末並在短時間內熔融上述YOF基粉末，此時，上述YOF基粉末為具有Y xO yF z的化學式的粉末，並不限於特定物質，但上述YOF基粉末具有Y xO yF z的化學式，其中，x及z可大於或等於y，其可以為YOF、Y 5O 4F 7、Y 6O 5F 8、Y 7O 6F 9等，上述電漿裝置具有足以熔融上述YOF基粉末的溫度，較佳地，可以為大氣電漿噴塗（Atmospheric Plasma Spraying；APS）裝置。
然後，b步驟為藉由將熔融的上述YOF基液滴噴射到冷媒來製備球狀YOF基粉末的步驟，在上述熔融的YOF基液滴的噴射中，從噴射排出口到冷媒表面的隔開距離為400至600mm，冷媒選自水、N 2及Ar中的一種以上，將上述熔融的YOF基液滴快速噴射到冷媒以製備球狀YOF基粉末。
具體而言，上述隔開距離是指電漿噴槍（plasma spray gun）的噴射排出口到冷媒表面的距離，所述距離設為400mm至600mm，以使將熔融的YOF基液滴無損失地噴射到冷媒，以提高收率並使其具有快速冷卻效果。當上述隔開距離小於400mm時，由於噴射壓力造成的溶劑及粉末損失相當多，且大於600mm時，由於取決於噴射角度的收率下降，且很難獲得熔融粉末的足夠的快速冷卻效果，因此，較佳為400mm至500mm。
另外，上述冷媒對噴射的熔融的釔化合物液滴進行快速冷卻，使其具有球形及高密度化，具體而言，對快速噴射到上述冷媒的熔融的YOF基液滴藉由快速冷卻來經淬滅（quenching）過程，上述YOF基液滴形成為球形以最小化表面能，同時使其高密度化，由此提高硬度。此時，上述冷媒可以為選自水、N 2及Ar中的一種以上，並可以根據上述冷媒調節所製備的球狀YOF基的成分比。作為一例，在將熔融的YOF基液滴快速噴射到蒸餾水（H 2O）並藉由快速冷卻來進行淬滅的情況下，YOF基釔化合物的F成分與蒸餾水的H成分反應，形成氟化氫，導致F含量降低，但將N 2作為冷媒的情況下，不與YOF基釔化合物發生反應，而被快速冷卻，因此不會導致F含量下降。如上所述，藉由調節上述冷媒，就可以調節所製備的YOF基的組成比，上述冷媒一般為常溫蒸餾水。
然後，c步驟為，在上述b步驟之後，去除冷媒並對球狀YOF基粉末進行乾燥的步驟，去除上述冷媒的方法和乾燥上述球狀YOF基粉末的方法可藉由常規方法來進行，因此將不再詳細描述。
另外，在本發明的球狀YOF基粉末的製備方法中，YOF基粉末可包含F成分，為了確保對球狀化處理時可產生的HF的耐腐蝕性，使用的容器採用塗布有50µm以上的鐵氟龍（Teflon）的容器或陶瓷材質的容器。
藉由如上所述的方法製備的球狀YOF基粉末時顆粒大小為10µm至60µm的球狀。一般而言，YOF基顆粒的直徑越小，可以形成越緻密的塗層成膜，但上述顆粒的直徑形成為小於10µm時，由於粒子間距離變得相近而產生凝聚力，導致發生無法進行進料（feeding）的技術問題。因此，本發明的球狀YOF基粉末藉由將顆粒大小設為10µm至60µm，使密度緻密化的同時，在塗布時不會發生凝聚並可形成高密度的成膜，其較佳設為25µm至45µm。
另外，上述製備的球狀YOF基粉末與非球狀YOF基粉末具有結構上的差異。例如，對非球狀化的YOF進行球狀化處理時，斜方晶系（orthorhombic）結構的YF 3的比重降低，斜方晶系結構的YOF的比重增加。
另外，本發明提供YOF基塗層，其藉由大氣電漿噴塗（Atmospheric Plasma Spraying；APS）方法將上述製備的球狀YOF基粉末塗布於基材而製成。
大氣電漿噴塗（APS）是一種噴塗（熱噴塗（Thermal Spray））技術，將粉末或線型材料從高溫熱源轉變為熔融液滴，與基材高速碰撞，快速冷卻凝固形成層疊膜，具體而言，大氣電漿噴塗是一種將Ar、He、N 2等氣體作為電弧進行等離子化，將其從噴嘴排出，以超高溫高速的電漿射流為熱源的膜形成技術，噴塗材料與被處理物高速碰撞，從而具有可製備高結合強度、高密度的膜的優點，但由於在大氣壓的氣氛中進行操作，因此周圍空氣混入電漿射流火焰中，結果可以製備具有高孔隙度並根據膜材料混合有氧化物或雜質的塗層。
藉由這種APS方法將上述製備的球狀釔化合物粉末塗布於基材製備的YOF基塗層的孔隙率低於2%，且緻密化，硬度為550Hv以上，與非球狀化YOF基塗層相比，機械物性得到顯著提高，對幹式工序中產生的離子轟擊（Ion Bombardment）的耐性有所增加。
具體而言，對上述離子轟擊（Ion Bombardment）的耐性增加是由於結晶結構變化引起的，這是因為，藉由在製備作為形成上述塗層的進料（feeding）材料的球狀YOF基粉末的球狀化過程中發生的氧化，以及藉由上述APS塗布時發生的額外的氧化，形成YOF基粉末的結晶結構具有接近Y 2O 3的結晶結構，同時具有F含量的塗層。也就是說，就本發明的YOF塗層而言，結晶結構接近Y 2O 3的結晶結構，F以取代部分O位元的方式存在，以固溶體（Solid solution）的形式被塗布，因此物理特性接近Y 2O 3而化學特性接近YOF。
另外，上述YOF塗層的F含量為20at%至40at%，上述F含量可根據氧含量發生變化，較佳地，上述氧含量可以為30at%至50at%。
當形成上述YOF塗層時，球狀釔化合物YOF粉末在高溫的電漿熔融的同時發生氧化，因此與上述粉末的組成相比，具有氧含量增加且F含量減少的傾向，但藉由調節氧含量增加及F含量減少，來使其包含20at%至40at%的F。
這是因為，當F含量小於20at%時，塗層對CF 4氣體的耐腐蝕性下降，當F含量大於40at%時，蝕刻工序中晶圓的蝕刻速度增加，導致客戶公司工序條件發生額外的變化，同時塗層的硬度降低，且對物理蝕刻的抗性降低。此時，上述球狀YOF基粉末的O的含量是根據F含量而變化的值，可以為30at%至50at%。
以下，藉由實施例更詳細地說明本發明，但本發明不受這些實施例的限制。
實施例
1.YOF粉末的球狀化
製備例1：YOF的球狀化
根據圖1的示意圖及圖2的工序流程圖，對市售的YOF粉末進行了球狀化處理。
根據圖1及圖2，首先，在電漿裝置中形成電漿後，將注入上述電漿流中並均勻加熱。此時，電漿形成條件、粉末注入角度等條件按照下述表1進行。
然後，將上述加熱的YOF粉末以熔融的液滴狀態朝向冷媒在200mm至800mm的隔開距離進行噴射。上述YOF液滴與水接觸淬滅（quenching），並且藉由上述工序將YOF製成YOF緻密化的球狀。
最後，將上述緻密化（densificaton）的球狀YOF與水分離後，並進行乾燥。藉由上述工序製備了緻密化的球狀YOF粉末，這些球狀YOF粉末根據上述隔開距離被製備成製備例1至製備例7。
[表1]
電壓（V） 電流 （A） 功率（kW） 注入氣體 1 注入氣體1注入量（NLPM） 注入氣體 2 注入氣體2注入量（NLPM） 粉末注入方式 粉末注入角度
75~78 600~610 44~48 Ar 40~44 H 2 9~13 單/雙（Single/Double） 90~105
對照組1：非球狀化的YOF
將在上述製備例1中使用的市售的YOF作為對照組1。
對照組2：非球狀化的混合方式YOF（YF 3+Y 2O 3）
將以1：1的比例混合市售的YF 3粉末與市售的Y 2O 3粉末的YOF作為對照組2。
下述表2示出上述製備例1至7的收率、球形度及製備時的隔開距離以及對照組1及2的球形度。
[表2]
  釔化合物 隔開距離（mm） 收率（%） 球狀化
製備例1 YOF 200 無法測量 X
製備例2 300 70 Ο
製備例3 400 84 Ο
製備例4 500 90 Ο
製備例5 600 87 Ο
製備例6 700 80 Ο
製備例7 800 75 Ο
對照組1 YOF - - X
對照組2 混合方式YOF（YF 3+Y 2O 3=1:1） - - X
2.YOF塗層形成
實施例1：基於緻密化的球狀YOF的塗層形成
使用上述製備的緻密化的球狀YOF粉末（製備例4），藉由APS在下表3所示的條件下形成YOF塗層。
[表3]
電壓 （V） 電流 （A） 功率 （kW） 氣體 1 注入量 （NLPN） 氣體 2 注入量 （NLPN） 旋轉速度（%） 輸送壓力 （NLPM） 隔開距離（mm）
75~78 600 44~48 Ar 40~44 H 2 11~13 25~30 3.5~4.0 110~130
比較例1：非球狀化YOF塗層形成
除了使用上述非球狀化的YOF粉末（對照組1）以外，以與上述實施例1相同的方法形成了YOF塗層。
比較例2：非球狀化混合方式YOF（YF 3+Y 2O 3）塗層形成
除了使用上述非球狀化的混合方式YOF粉末（對照組2）以外，以與上述實施例1相同的方法形成了YOF塗層。
3.YOF粉末分析
（1）YOF粉末的球形度及物性分析
圖3示出上述製備的球狀化的YOF（製備例4）及非球狀化的YOF（對照組1）的SEM圖片。
在圖3中確認，球狀化的YOF粉末的D50為26.8µm，而非球狀化的YOF粉末的D50為28.8µm，由於直徑的減小，體積減小且密度增加，由此可知，YOF粉末藉由球狀化而被緻密化。
（2）YOF粉末的結構分析
圖4為上述製備的球狀化的YOF（製備例4）與非球狀化的YOF（對照組1）的XRD分析曲線圖。
在圖4中，在球狀化處理前的非球狀化YOF中，斜方晶系結構的YF 3和Y 5O 4F 7分別為51%和30%，但藉由球狀化處理發現，斜方晶系結構的YF 3和Y5O4F7分別為39%和60%，發生了結構變化。
由此可知，YOF可藉由球狀化處理而發生結構變化。
4.YOF塗層分析
（1）根據球狀化前/後的塗層物性分析
圖5為示出使用球狀化YOF（製備例4）及非球狀化的YOF（對照組1）藉由APS形成塗層的實施例1及比較例1的塗層截面（coating cross-section）SEM圖片，下述表4示出這些物性的比較。
[表4]
  實施例1 比較例1
硬度（Hv） ＞550 ＜400
空隙度（%） ＜2 ＞5
粗糙度（µm） 3~4 4~5
使用藉由圖5及上述表4球狀化的YOF粉末並藉由APS形成的YOF塗層（實施例1）形成為表面粗糙度為3~4µm、孔隙度小於2%的均勻且高密度化的塗層，而且，隨著塗層高密度化，可以確認硬度提高至大於550Hv。
與此相反，使用非球狀化的YOF粉末並藉由APS方法形成的YOF塗層（比較例1）形成為表面粗糙度為4~5µm、孔隙度大於5%的不均勻且不緻密的塗層，可以確認硬度也降低至小於400Hv。
從上述結果可知，在使用球狀化的YOF粉末並藉由APS形成YOF塗層的情況下，表面粗糙度及孔隙度降低，可以形成均勻且緻密化的高密度的塗層，由於高密度化，也可以提高塗層的硬度。
（2）根據球狀化前/後的成分分析
下述表5為示出藉由APS塗布上述球狀化或非球狀化的釔化合物的釔塗層（實施例1、比較例1及2）的XPS分析結果。
[表5]
  釔化合物 球狀化 O（at%） F（at%） Y（at%）
實施例1 YOF Ο 45 20 35
比較例1 YOF X 30 40 30
比較例2 混合方式YOF （YF 3+Y 2O 3=1：1） X 15 55 30
在上述表5中，使用球狀化的YOF及非球狀化YOF並藉由APS塗布的YOF塗層的實施例1及比較例1，均具有20at%及40at%的適當的F含量，對鹵素蝕刻氣體有足夠的耐腐蝕性。然而，使用上述球狀化的YOF並藉由APS塗布的YOF塗層（實施例1）形成為均勻且高密度的塗層，且物性提高，相反，就使用非球狀化YOF並藉由APS塗布的YOF塗層（比較例1）而言，如上述表5中可以確認，形成不均勻且不緻密的塗層，且物性下降。
另一方面，使用非球狀化混合方式YOF並藉由APS塗布的YOF塗層（比較例2）包含55at%的過量的F，反而增加了晶圓的蝕刻速率，導致晶圓蝕刻工序條件發生變化，且塗層的硬度降低，對物理蝕刻的抗性降低。
無
圖1為示出根據本發明一實施例的球狀YOF基粉末的製備方法的示意圖。
圖2為示出對本發明的球狀YOF基粉末的製備方法的流程圖。
圖3為示出根據本發明一實施例的球狀化前/後的YOF粉末的掃描電子顯微鏡（SEM）圖片。
圖4為示出根據本發明一實施例的球狀化及非球狀化的YOF粉末的結晶結構的XRD曲線圖。
圖5為示出根據本發明一實施例的球狀化前/後的YOF塗層截面（YOF coating crosssection）SEM圖片。

Claims (9)

  1. 一種球狀氟氧化釔基粉末的製備方法，其包括以下步驟： a步驟，向電漿射流中添加氟氧化釔基粉末並進行熔融； b步驟，藉由將所述熔融的氟氧化釔基液滴噴射到冷媒來製備球狀氟氧化釔基粉末；以及 c步驟，在進行所述b步驟後，去除所述冷媒，對所述球狀氟氧化釔基粉末進行乾燥， 在所述b步驟中，噴射所述熔融的氟氧化釔基液滴時，從噴射排出口到所述冷媒表面的隔開距離為400mm至600mm。
  2. 如請求項1所述之球狀氟氧化釔基粉末的製備方法，其中，所述冷媒選自水、N 2及Ar中的一種以上。
  3. 如請求項1所述之球狀氟氧化釔基粉末的製備方法，其中，所述氟氧化釔基粉末為具有Y xO yF z的化學式的粉末，其中，x及z為大於或等於y的數。
  4. 一種球狀氟氧化釔基粉末，其藉由如請求項1至3中任一項所述之製備方法所製備。
  5. 如請求項4所述之球狀氟氧化釔基粉末，其中，所述球狀氟氧化釔基粉末的顆粒大小為10µm至60µm。
  6. 一種氟氧化釔基塗層，其藉由大氣電漿噴塗方法將如請求項4所述之球狀氟氧化釔基粉末塗布於基材來製備而成。
  7. 一種氟氧化釔基塗層，其藉由大氣電漿噴塗方法將如請求項5所述之球狀氟氧化釔基粉末塗布於基材來製備而成。
  8. 如請求項6所述之氟氧化釔基塗層，其中，所述氟氧化釔基塗層的F含量為20at%至40at%。
  9. 如請求項6所述之氟氧化釔基塗層，其中，所述氟氧化釔基塗層的孔隙率低於2%。
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