[发明专利]一种Y2O3耐侵蚀陶瓷涂层的改进方法

说明书

技术领域

本发明涉及大气等离子喷涂技术领域，具体涉及一种Y₂O₃耐侵蚀陶瓷涂层的改进方法。

背景技术

当前，低温等离子体微细加工方法已成为材料微纳加工的一项关键技术，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。

在等离子体干法刻蚀工艺过程中，存在大量的具有强腐蚀性的活性自由基（如Cl*,Cl₂*, F*,CF*等），它们会对等离子刻蚀工艺腔的内表面产生腐蚀作用，引起污染，影响刻蚀效果，并且会使刻蚀工艺腔失效。早期的90年代的等离子刻蚀设备，在较小功率和单一等离子体发生源的情况下，在铝基体层上加Al₂O₃涂层就可以满足等离子体对刻蚀工艺腔的蚀刻损伤。进入到300mm设备，随着等离子功率越来越大，等离子体对刻蚀工艺腔壁的损伤也越来越大，使得在刻蚀的过程容易发生一系列问题：产生颗粒；工艺腔壁涂层剥落，导致等离子体直接与铝基体发生作用；Al₂O₃ 零部件的寿命受到更高功率的限制。所以需要寻找一种新的途径对刻蚀工艺腔内表面进行改性，满足刻蚀工艺的需要。

研究表明，Y₂O₃涂层对刻蚀工艺腔具有良好的保护作用。与Al₂O₃相比，Y₂O₃的化学性质非常稳定，具有优异的耐等离子蚀刻性能，并且和CF系气体生成的反应产物YF₃蒸气压低，作为颗粒难以飞散。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涂层，能够有效解决上述Al₂O₃涂层所面临的各种问题。

大气等离子喷涂是用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。其中的等离子电弧温度极高，足够融化包括Y₂O₃在内的所有的高熔点陶瓷粉末；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，降低孔隙率。是制备高性能、高质量陶瓷涂层的关键技术。

等离子喷涂工艺中，气体环境会对涂层的最终性能有很大程度的影响。气体的选择原则主要是考虑实用性和经济性。等离子喷涂常用气体主要有N₂、Ar、H₂和He等。N₂是双原子气体，故等离子焰流的热焓值较高，有利于粉末的加热和熔化，又有较高的电离电位（15.8V），因此热量的利用效率高。同时来源广泛，价格便宜，因此是等离子喷涂中的最常用工作气体。其缺点是高温下容易与粉末反应，保护效果较差。Ar是单原子气体，在升温电离直接吸收热量发生电离，升温很快，同时不与任何粉末发生反应，保护性能好。但其弧电压较低，导热系数小，很少单独使用，且价格昂贵，来源较少。He也是单原子气体，电离电压24.5V，热焓值高，黏度高，一定量的He能够有效的稳定电弧。H₂电离电位低，具有最高的导热系数，有助于粉末熔化。对金属材料有很强的还原性，可以防止氧化。此外，在Ar中加入少量H₂，能有效提高等离子体弧的电压和功率。