一種低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法
2023-05-02 18:21:36
一種低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法
【專利摘要】本發明涉及半導體設備中刻蝕工藝腔室內表面防蝕處理【技術領域】，具體涉及一種低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法。所述方法，包括如下步驟：步驟（1），選擇碳化硼粉末，並將碳化硼粉末送入真空等離子噴塗設備；步驟（2），對待噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁進行預處理；步驟（3），在真空等離子噴塗設備對刻蝕工藝腔室內壁進行等離子噴塗前，先將真空等離子噴塗設備的真空噴塗室抽真空至1-10Pa，然後再進行等離子噴塗作業，在刻蝕工藝腔室內壁製備出碳化硼塗層。本發明是在低壓條件下製備碳化硼塗層，使用本發明製備的碳化硼塗層十分緻密，孔隙率低；塗層應力小，與基體的結合強度高；塗層硬度高、韌性好。
【專利說明】一種低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體設備中刻蝕工藝腔室內表面防蝕處理【技術領域】，具體涉及一種低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法。
【背景技術】
[0002]目前，低溫等離子體微細加工方法是材料微納加工的關鍵技術，它是微電子、光電子、微機械、微光學等製備技術的基礎，特別是在超大規模集成電路製造工藝中，有近三分之一的工序是藉助於等離子體加工完成的，如等離子體薄膜沉積、等離子體刻蝕及等離子體去膠等。其中等離子體刻蝕為最關鍵的工藝流程之一，是實現超大規模集成電路生產中的微細圖形高保真地從光刻模板轉移到矽片上的不可替代的工藝。
[0003]在刻蝕工藝過程中，由於存在大量的具有強腐蝕性的活性自由基(如Cl*, Cl2*, F*,CF*等)，它們對等離子刻蝕工藝腔的內表面也會產生腐蝕作用，引起汙染，影響刻蝕效果，並且會使刻蝕工藝腔失效。早期的90年代的等離子刻蝕設備，在較小功率和單一等離子體發生源的情況下，在鋁基體層上加Al2O3塗層就可以滿足等離子體對刻蝕工藝腔的蝕刻損傷。進入到300mm設備,隨著等離子功率越來越大,等離子體對刻蝕工藝腔壁的損傷也越來越大，使得在刻蝕的過程容易發生如下問題:(I)顆粒；(2)工藝腔壁塗層剝落，導致等離子體直接與鋁基體發生作用；(3)A1203零部件的壽命受到更高功率的限制。所以需要尋找一種新的途徑對刻蝕工藝腔內表面進行改性，滿足刻蝕工藝的需要。
[0004]研究表明，Y2O3塗層對刻蝕工藝腔具有良好的保護作用。與Al2O3相比，Y2O3的化學性質非常穩定，具有優異的耐等離子蝕刻性能，並且和CF系氣體生成的反應產物YF3蒸氣壓低，作為顆粒難以飛 散。目前，以Y2O3粉末作為噴塗材料，利用大氣等離子噴塗方法，在刻蝕工藝腔內表面製備出單一結構的Y2O3耐腐蝕塗層是一種普遍採用的方法。
[0005]相比於Y2O3,碳化硼(B4C)則更具潛力。具有超硬、高熔點、密度低等一系列的優良物理性能。同時還有優異的化學穩定性，能抵抗酸、鹼腐蝕，並且不與大多數熔融金屬潤溼和發生作用。因此碳化硼又是優良的抗腐蝕材料，用於耐酸、鹼零部件的加工。由於碳化硼材料與半導體工藝的兼容性好，因此非常適合用作半導體零部件的耐腐蝕塗層。
[0006]製備B4C塗層主要的方法有:化學氣相沉積(CVD)、反應燒結和等離子噴塗等。大氣等離子噴塗是用N2、Ar、H2&He等作為離子氣，經電離產生等離子高溫高速射流，將輸入材料熔化或熔融噴射到工作表面形成塗層的方法。其中的等離子電弧溫度極高，足夠融化所有的高熔點陶瓷粉末。大氣等離子噴塗工藝中，氣體環境會對塗層的最終性能有很大程度的影響。氣體的選擇原則主要是考慮實用性和經濟性。具體的要求是:(1)性能穩定，不與噴塗材料發生有害反應；(2)熱焓高，適合於難熔材料，但又不應過高而燒蝕噴嘴；(3)應選擇與電極或噴嘴不發生化學作用的氣體；(4)成本低廉，供應方便。
[0007]等離子噴塗由於具有射流溫度高、塗層厚度可控、結合強度高以及操作方便等特點，是製備B4C塗層的有效方法。但是，B4C在噴塗過程中存在高溫氧化和氣化等問題，大氣等離子噴塗不能製備出性能良好的B4C塗層。現有技術中有一種特種保護技術，在惰性氣體保護下進行等離子噴塗，雖然獲得了 B4C塗層，但是塗層中仍然存在少部分氧化產物。因此需要尋找更合適的方法製備B4C耐侵蝕陶瓷塗層。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在於提供一種低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，可在等離子刻蝕工藝腔內表面製備出性能優異的耐腐蝕碳化硼塗層。
[0009]為了達到上述目的，本發明採用的技術方案為:
[0010]一種低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，包括如下步驟:
[0011]步驟(I )，選擇碳化硼粉末，並將所述碳化硼粉末送入真空等離子噴塗設備；
[0012]步驟(2)，對待噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁進行預處理；
[0013]步驟(3)，在所述真空等離子噴塗設備對所述刻蝕工藝腔室內壁進行等離子噴塗前，先將所述真空等離子噴塗設備的真空噴塗室抽真空至Ι-lOPa，然後再進行等離子噴塗作業，在所述刻蝕工藝腔室內壁製備出碳化硼塗層。
[0014]上述方案中，所述步驟(1)中的碳化硼粉末的粒度為5~100 μ m，且具有單一的B4C結構。
[0015]上述方案中，所述步驟(2)中對待噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁進行預處理，具體包括如下步驟:對待噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁進行噴砂處理，並用丙酮清洗。
[0016]上述方案 中，所述噴砂處理採用的噴砂材料為白剛玉，噴砂粒度為50~100 μ m。
[0017]上述方案中，所述步驟(3)中在將所述真空等離子噴塗設備的真空噴塗室抽真空至1-1OPa之後，在所述等離子噴塗作業之前，還包括下述步驟:對待噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁採用等離子轉移弧引弧，即將所述鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁接負極，使電子從所述鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁表面逸出，去除表面汙垢，形成清潔、活化的表面。
[0018]上述方案中，所述步驟(3)中所述真空等離子噴塗設備使用的離子氣體為Ar和He,或 Ar 和 H2。
[0019]上述方案中，當所述離子氣體為Ar和He時，Ar氣體的流量為40~90L/min，He氣體的流量為2~10L/min ;當所述離子氣體為Ar和H2時，Ar氣體的流量為40~90L/min，H2氣體的流量為5~20L/min。
[0020]上述方案中，所述步驟(3)中所述真空等離子噴塗設備的電弧電壓為40~50V，電弧電流為600~900A，送粉速度為15~100g/min，噴塗距離為200~500mm，送粉角度為50。~90°。
[0021]與現有技術方案相比，本發明採用的技術方案產生的有益效果如下:
[0022]本發明是在低壓條件下製備碳化硼塗層，使用本發明製備的碳化硼塗層十分緻密，孔隙率低；塗層應力小，與基體的結合強度高；塗層硬度高、韌性好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明實施例提供的低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法的流程圖。
【具體實施方式】[0024]下面結合附圖和實施例對本發明技術方案進行詳細描述。
[0025]本發明採用低壓等離子噴塗技術在刻蝕工藝腔室內壁製備出碳化硼耐腐蝕塗層。低壓等離子噴塗(low pressure plasma spraying)又叫做真空等離子噴塗(vacuumplasma spraying),它是將等離子噴槍、工件及機械手置於低真空或某種選定的可控氣氛的密封腔室內，通過真空及過濾系統控制腔室的真空度，在腔室外控制等離子噴塗過程的工藝技術。
[0026]如圖1所示，本發明實施例提供一種低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，具體包括如下步驟:
[0027](I)選擇碳化硼粉末，粒度範圍為5~100 μ m，粉末應具有單一的B4C結構；並將選擇好的碳化硼粉末送入真空等離子噴塗設備；
[0028](2)對需要被噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔內壁進行噴砂處理，噴砂材料為白剛玉，粒度範圍為50~100 μ m,並用丙酮清洗；
[0029](3)採用Sluzer Metco ChamPro LPPS-TF真空等離子噴塗設備進行等離子噴塗，噴槍類型03CP ;在真空等離子噴塗設備進行等離子噴塗前，先將真空等離子噴塗設備的真空噴塗室抽真空至Ι-lOPa，然後對待噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁採用等離子轉移弧引弧，即將鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁接負極，使電子從鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁表面逸出，去除表面汙垢，形成清潔、活化的表面；在八1.和He氣體環境下進行噴塗，Ar氣體的流量為40~90L/min，He氣體的流量為2~10L/min，真空等離子噴塗設備的電弧電壓為40~50V，電弧電流為600~900A，送粉速度為15~100g/min，噴塗距離為200~500mm，送粉角度為50°~90° ;在八1.和氏氣體環境下進行噴塗，Ar氣體的流量為40~90L/min，H2氣體的流量為5~20L/min，此 氣體環境下真空等離子噴塗設備的工藝參數與在Ar和He氣體環境下相同；最終在刻蝕工藝腔室內壁上完成碳化硼耐腐蝕塗層的製備。
[0030]本發明使用的真空等離子噴塗技術的具有以下特點:
[0031](I)低壓等離子射流長，高溫區域寬。低真空下等離子弧束長度從常壓下的4-5cm伸長到20-50cm，這增加了噴塗粉末粒子在弧束中的飛行時間，使其能充分地受熱融化。
[0032](2)噴塗粉末粒子的飛行速度快。由於真空室的壓力低，等離子氣流的速度可以提高到3-4馬赫。且壓力低會大大降低粒子飛行的阻力，使粒子具有很高的動能。
[0033](3)基體預熱溫度高。在低壓及可控氣氛的保護下，待噴塗的工件基體可以允許加熱到較高的溫度(一般可達700°C，有些高溫合金可以達到900°C)。這會使待噴塗的基體表面處於更好的活化狀態，使塗層與基體的溫差有所降低，降低塗層的冷卻速度。從而減小熱應力、提高塗層與基體的結合強度。同時使熔融粒子到達基體表面時能充分變形、潤溼鋪展、排除氣體，從而降低孔隙率。
[0034](4)可進行表面淨化處理。在進行等離子噴塗前，採用等離子轉移弧引弧，即將工件基體接負極，使電子從基體表面逸出，去除表面汙垢，形成清潔、活化的表面，使工件無需表面粗化處理就能與塗層良好地結合。
[0035]本發明使用真空等離子噴塗方法製備出的碳化硼塗層十分緻密，孔隙率低；塗層應力小，與基體的結合強度高；塗層硬度高、韌性好。因此採用真空等離子噴塗方法製備的碳化硼塗層具有十分優異的綜合性能。
[0036]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟(1)，選擇碳化硼粉末，並將所述碳化硼粉末送入真空等離子噴塗設備； 步驟(2)，對待噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁進行預處理； 步驟(3)，在所述真空等離子噴塗設備對所述刻蝕工藝腔室內壁進行等離子噴塗前，先將所述真空等離子噴塗設備的真空噴塗室抽真空至Ι-lOPa，然後再進行等離子噴塗作業，在所述刻蝕工藝腔室內壁製備出碳化硼塗層。
2.如權利要求1所述的低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，其特徵在於，所述步驟(1)中的碳化硼粉末的粒度為5~100 μ m,且具有單一的B4C結構。
3.如權利要求1所述的低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，其特徵在於，所述步驟(2)中對待噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁進行預處理，具體包括如下步驟:對待噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁進行噴砂處理，並用丙酮清洗。
4.如權利要求3所述的低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，其特徵在於，所述噴砂處理採用的噴砂材料為白剛玉，噴砂粒度為50~100 μ m。
5.如權利要求1所述的低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，其特徵在於，所述步驟(3)中在將所述真空等離子噴塗設備的真空噴塗室抽真空至1-1OPa之後，在所述等離子噴塗作業之前，還包括下述步驟:對待噴塗的鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁採用等離子轉移弧引弧，即將所述鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁接負極，使電子從所述鋁基材的刻蝕工藝腔室內壁表面逸出，去除表面汙垢，形成清潔、活化的表面。
6.如權利要求1所述的低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，其特徵在於，所述步驟(3)中所述真空等離子噴塗設備使用的離子氣體為Ar和He,或Ar和H2。
7.如權利要求6所述的低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，其特徵在於，當所述離子氣體為Ar和He時，Ar氣體的流量為40~90L/min，He氣體的流量為2~IOL/min ;當所述離子氣體為Ar和H2時，Ar氣體的流量為40~90L/min，H2氣體的流量為5~20L/mino
8.如權利要求1所述的低壓等離子噴塗技術製備碳化硼塗層的方法，其特徵在於，所述步驟(3)中所述真空等離子噴塗設備的電弧電壓為40~50V，電弧電流為600~900A，送粉速度為15~100g/min，噴塗距離為200~500_，送粉角度為50°~90°。
【文檔編號】C23C4/10GK103540889SQ201210237398
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月9日 優先權日:2012年7月9日
【發明者】王文東, 劉邦武, 黃春, 夏洋 申請人:中國科學院微電子研究所