氧化钇稳定氧化锆耐刻蚀涂层的研究现状.pdf

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第33卷第6期
粉末治金技术
2015年12月
Powder Metallurgy Technology
Dec.2015
氧化钇稳定氧化锆耐刻蚀涂层的研究现状
纪箴“王聪瑜“夏洋2贾成厂』张有茶程诚黄小泓
1)(北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)
2)(中科院微电子所,北京100029
摘要:随着热喷涂技术的发展,通过制备陶瓷涂层来提髙等离子刻蚀机腔室的耐腐蚀性能已成为可能。
本文主要论述了氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷涂层及其主要制备技术大气等离子喷涂的工艺过程,介绍了粉
末特性及不同喷涂工艺参数对涂层性能的影响作用,为实验研究定理论基础。
关键词:YSZ涂层;等离子喷涂;涂层性能
The research of YSZ ceramic coating s preparation techniques
on the surface of etching machine process chamber
Ji Zhen, Wng Congyu Xie Yang", Jia Chengchang, Zhang Youcha
Cheng Cheng, Huang Xiaohong
1)( School of Materials Sciense Engineering USTB, Beijing, 100083)
2)(Institute of Microelectronicschinese Academy of Sciences, Beijing, 100029
Abstract With the development of thermal spray technology, it could have been possible to improve corrosion
resistance of the plasma etching chamber by processing ceramic coatings. The yttria-stabilized zirconia ceramic
coating and its main preparation techniques such as atmospheric plasma spray process were discussed, the influences
of powder characteristics and different process parameters on spray coating performance were presented, thus the
theoretical foundation for the experimental study was established
Key words: YSZ coating; plasma spray; coating performance
随着加工尺寸的不断缩小,高密度等离子刻蚀多。但还是不能满足300mm以上的刻蚀设备的要
技术也面临着许多新的挑战,对刻蚀腔室内的洁净求。随着热喷涂技术的发展,目前主流的技术方案
度要求越来越高。因此提高反应腔室的耐腐蚀性及是使用Y2O,基的耐腐蚀涂层。Y2O3是在化学和热
工艺过程的稳定性成为必须解决的关键问题。
力学上非常稳定的材料,它的熔化温度远远超过2
制备刻蚀机腔室的材料为铝合金,起初是在铝400℃。Y2O3在强腐蚀环境中能够保持化学性质
合金基材上沉积一层致密的硬质阳极氧化层,通过稳定,更耐等离子体轰击,能大大延长零部件寿命并
对铝合金阳极氧化来提高反应腔室的耐腐蚀性,但减少腔室中的微粒,在保持腔室表面条件一致性方
铝合金中含有杂质的析出导致阳极氧化层中产生裂面明显好于Al203涂层。 Junya Kitamura等2利用
纹和空隙,造成基材腐蚀。后来采用“高纯”铝合金反应离子刻蚀反应系统,对比了在CF。/O2环境下氧
材料,“高纯”铝合金除Mg以外其它杂质含量低于化钇和
0.1%,这种材料的耐腐蚀性比传统的铝合金高很
氧化铝涂层的耐刻蚀性,结果表明氧化钇涂层
*纪箴(1967-),女,副教授,E-mail: jizhen@ mater.ustb.edu.en
**王聪瑜(1990-),女,硕士研究生。E-mail;congyu2211@163.com
收稿日期:2015-06-01
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第33卷第6期
纪箴等:氧化钇稳定氧化错耐刻蚀涂层的研究现状
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较氧化铝涂层及氧化铝烧结体具有更好的耐等离子03-2Zr02纳米涂层出现明显的剥落,而7%Y2O3-
体刻蚀性能。不过在使用过程中发现Y2O3涂层脆ZrO2纳米涂层仍完好,5.3%Y2O3-ZrO2纳米氧化错
姓较大,在反复刻蚀、升降温及清洗工艺的作用下,涂层内发生了四方相向单斜相的转变,当稳定剂Y2
涂层产生裂纹,一些小的碎屑从涂层上脱落成为潜03的含量增加到7%时,涂层无相变发生,提高了四
在的颗粒污染源。目前的国际趋势是研究氧化钇稳方氧化错的稳定性。氧化钇稳定氧化错涂层具有广
定氧化错陶瓷涂层以提高涂层的综合性能。Seok泛的用途,作为普遍使用的热障涂层和耐腐蚀涂层
等采用大气等离子喷涂的方法制备了几种耐刻其具备很多优异的性能,例如熔点很高,高达2
蚀涂层,例如Al203涂层、Y203涂层、不同氧化钇含700℃;导热系数最低的陶瓷材料之一,约为2.3W
量的Y203-ZrO2涂层、Y203-ZrO2-A102涂层等,并测?m-1?K-';热膨胀系数高(11×x10-/℃),减少
试了它们的刻蚀速率,得出结论:Y203-ZrO2涂层的因基体与陶瓷涂层之间的热膨胀系数差而引起的应
刻蚀速率基本小于氧化钇涂层,且当Y2O3:ZnO2为カ;密度低(6.4g/em3);很高的硬度,约为14GPa;
70:30时,涂层的刻蚀速率最小,约为5nm/min,即使得该涂层具有优异的耐腐蚀和耐冲击性。
耐等离子刻蚀性能最好
液
1氧化钇稳定氧化锆耐刻蚀涂层
由于具备独特的优良性能,如超塑性;优良的高
温离子导电性,高硬度和高强度,氧化锆陶瓷被认为
是最重要的材料之一。氧化锆陶瓷的这些独特
t+C
的性质使得氧化陶瓷具有许多工业应用,包括氧
100
传感器,耐火材料,以及机械设备等S-1?。常压下
t-+m
纯的氧化错有三种晶型,低温为单斜晶系,密度
m mc
5.65g/cm,高温为四方晶系,密度6.10g/cm',更
20
高温度下为立方晶系,密度6.27g/cm3,其相互间
Y2O3含量/%mo)
的转化关系如下
m-2Zr02(5.65)→1000℃-→t-ZrO2(6.10)→
YO3含量/%(%)
2370℃→c-2Zr02(6.27
图1.1Y2O32ZO2二元相图
其中m相向t相转变是可逆的(转变温度1170
ig. 1. 1 Binary phase diagram ofy, 03-zron
℃),且伴随有3~5%的体积变化,易导致涂层在
使用过程中出现裂纹和剥落,为防止四方相
ZrO2向单斜相ZrO2的转变,目前主要使用氧化钇2氧化钇稳定氧化错涂层的制备
(Y2O3)作为四方相稳定剂固溶到ZrO2中。图1.1
目前已有多种制备氧化钇稳定氧化锘涂层的方
为Y,O、Z02二元相图,从相图上看,当ZzO,中加入法,包括等离子喷