專利名稱：施涂雙線電弧噴涂涂層的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及涂層沉積領域。更具體地，本發(fā)明涉及使用改進的雙線噴射電弧法在基材上沉積涂層的方法和設備。
背景技術：
在處理室沉積領域中，通常要改進處理室的部件和表面，以使被涂布的工件的生產達到最佳。沉積工藝要求將工件表面置于需要嚴格質量控制的條件和涂層下。對于許多工件而言，例如半導體，涂層的厚度是極小的，通常小到只有1英寸的千分之幾或者更小。各種等離子涂層技術在涂層產生的過程中或在此之后在沉積室內產生副產物，這些副產物從沉積室氣氛中排出。但是，有一些等離子體副產物仍然粘合在沉積室的內表面或壁上以及其它暴露于室內的沉積室部件上。當副產物累積到預定量時，通常是基于運行的時間，生產就必需“脫線”停頓，對沉積室表面進行更換或清洗，以除去累積的副產物。如果不進行該項定期維護，副產物會從沉積室壁或其它暴露部件上分離，而污染涂布中的工件。這種污染行為通常會導致工件無法工作或出現故障。結果，在涂覆行業(yè)中，室內表面或暴露于室內的腔室部件表面設計經過改進，以提高等離子體和其它涂層工藝副產物的粘合性。副產物對室壁和腔室部件粘合性的提高延長了兩次腔室清洗作業(yè)之間實現的加工時間，進而提高了整個系統的生產率，因為工藝處于“在線”生產的時間變長從而實現更高的總產率。另外，如果副產物是特別有價值或可循環(huán)利用的，粘合在室壁和腔室部件上的副產物也是需要的。
已知曾嘗試改進腔室部件的表面以得到合適的表面性質，從而促進所需副產物的粘合性。但是，要在腔室表面上產生足夠的“粗糙度”以增強涂層工藝副產物粘合到該表面上的能力是困難的。
許多腔室部件的基材常常由鋁合金或不銹鋼制成。這些部件的外表面必需進行處理，以實現所需的表面特征和微觀結構。已知的表面“粗糙化”技術包括噴砂處理法或化學刻蝕金屬表面法。另外，曾經將涂料施涂到金屬基材表面上，產生無規(guī)則的表面。這些已知的方法用來使金屬基材表面變得粗糙是可行的。但是，所有的已知方法對于經過改進的室壁表面所能“捕獲”的副產物的量和體積而言，因粘合程度有限而或多或少都無法令人接受。
另外，在金屬表面上施涂涂層會帶來其它的問題，例如必需實現涂層對金屬幾乎不變的粘合性。換言之，如果涂層本身最終會脫落而污染工件，則施涂到室壁表面上用以“粗糙化”金屬室壁表面的涂層是沒有用的。被設計用來使金屬和非金屬(例如，陶瓷)室壁降低平整度的已知涂層必須以使最終表面呈現不規(guī)則狀的形式沉積。但是，已知的方法不僅有涂層脫落的風險，而且沉積的方式還會產生勢隙(potential gap)，使對基材表面的涂布不連續(xù)。這導致等離子體副產物能夠與基材表面反應，或者加快涂層從室壁基材上的脫落，進一步加劇室污染的問題并使副產物循環(huán)問題落空。

發(fā)明內容
在一個實施方式中，本發(fā)明涉及涂布沉積室部件基材的方法。具有基材表面的沉積室部件基材配以雙線電弧噴涂設備用于施涂涂層。施涂一復合涂層。該復合涂層包括施涂在基材表面上的第一雙線電弧噴涂涂層，接著是施涂在第一雙線電弧噴涂涂層上的第二雙線電弧噴涂涂層。通過調節(jié)涂料組分、噴嘴流量和基材組成，涂層表面表現出可預測的預定性質，特別是對于粘合化學物所需的粗糙度。最理想的是，第二涂層的表面粗糙度大于第一涂層的表面粗糙度。
在另一個實施方式中，本發(fā)明涉及用于從鉭沉積過程中固定(immobilizing)含鉭化合物的方法。提供一個沉積室，該沉積室包括腔室部件和腔室內表面。該腔室部件和腔室內表面進一步包括等離子體復合涂層，而該復合涂層包括第一層和第二層。向等離子體涂布過程中提供含鉭化合物。該過程中從含鉭化合物中釋放出鉭類物質(tantalum species)，并且在工件上沉積一定量的鉭類物質。一定量的鉭類物質與復合涂層接觸，并粘合在復合涂層上。然后對復合涂層進行處理，以便從復合涂層中釋放出鉭類物質。然后從復合涂層中回收一定量的鉭類物質。
在另一個實施方式中，本發(fā)明涉及沉積在基材表面上的復合涂層，所述涂層包括具有第一粗糙度值(roughness value)的第一涂層和具有第二粗糙度值的第二涂層，其中第二粗糙度值大于第一粗糙度值。第一涂層和第二涂層包含選自鋁、鋁合金、鎳和鉬的金屬。
在另一個實施方式中，本發(fā)明涉及處理室，該室包括一個具有內室的腔室，所述腔室具有內表面和處理室部件，所述部件具有外表面。腔室內表面和部件外表面包括復合涂層，所述復合涂層包括具有第一粗糙度值的第一層和具有第二粗糙度值的第二層，其中第二粗糙度值大于第一粗糙度值。該復合層基本上連續(xù)地沉積在室內表面和部件外表面上。


圖1是用已知的TWAS技術涂布的金屬基材的橫截面放大照片(現有技術)。
圖2a-2d是顯示TWAS-涂布的石英樣品的照片(現有技術)。
圖3a-3b是依據本發(fā)明方法的一個實施方式涂布的石英樣品的照片。
圖4是表示本發(fā)明的一個實施方式的雙線電弧噴涂設備的示意圖。
圖5是用本發(fā)明的TWAS系統涂布的金屬基材的截面放大照片。
具體實施例方式
熱噴涂是使用在各種高新技術工業(yè)中的已知的材料加工技術。雙線電弧噴涂(TWAS)法是特別有用的熱噴涂法。在TWAS法中，使兩根電線進入各自的觸頭，這些觸頭將電流輸送到電線中。這些觸頭的取向彼此相對，故而使電線朝著相互交叉的方向延伸。高電流通過電線會導致電線觸頭之間形成電弧。于是，電流熔化送入電弧區(qū)內的電線部分。噴嘴設備被設置在與觸頭接近并位于觸頭之間的位置上，并且取向為向著電弧區(qū)發(fā)射出氣體流。該氣體流將熔融金屬噴射到工作表面上，形成涂層。
TWAS法已被用于處理沉積室部件表面。但是，此類方法還沒有達到最佳的效果。具體來說，TWAS涂布為使用在沉積室中的基材表面提供的是無規(guī)則的涂層。如圖1所示(現有技術)，非連續(xù)的薄TWAS涂層12沉積在用于半導體加工的沉積室中所用的基材10上。經過涂布的基材隨后暴露于工件處理條件中，包括在沉積室內釋放出鉭和氮化鉭蒸氣，用于沉積在工件上，具體是沉積在半導體晶片上。圖中顯示鉭顆粒14的涂層粘合在TWAS涂層12上。圖1清楚地顯示了TWAS涂層的非連續(xù)性，以至于產生勢隙16，有可能導致鉭類物質侵襲基材10。
圖2a-2d表示鋁TWAS涂布的石英基材的俯視圖。圖2a和2c分別顯示的是在普通光線下的兩種鋁TWAS涂布的基材20和22。圖2b顯示的是背光條件下的圖2a的基材20，表明光透過基材的穿透性，證實通過TWAS法制得的涂層是不完整和非連續(xù)的。類似地，圖2d顯示的是背光條件下的圖2c的基材，表明光透過基材的穿透性，證實通過TWAS法制得的涂層是不完整和非連續(xù)的。
為了比較起見，圖3a和3b顯示的是通過本發(fā)明的TWAS法涂布的石英基材30，分別為在自然光條件(圖3a)和背光條件(圖3b)下的TWAS-涂布的石英基材30。在該例子中，圖3b顯示的基材30表明無光穿透性，證實得到的是非連續(xù)的鋁TWAS涂層。依據本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式，TWAS涂層作為復合涂層沉積，也就是說，沉積一初層和一面層。
圖4是表示本發(fā)明的TWAS系統的一個實施方式的示意圖。所述系統有一個TWAS槍體40，該槍體包括分別容納可消耗的電線46和48的電線套觸頭42和44。槍管口50包括隙縫52，電線46和48穿過該隙縫延伸并在電弧區(qū)54中的區(qū)域53處相交于一點。氣體組分噴嘴56用來控制如空氣、氮氣、氬氣等壓縮氣體的釋放。向該系統提供的能量加熱所述電線，形成電弧區(qū)，產生熔融金屬顆粒58，這些顆粒以一定速率沿直箭頭方向向基材表面60移動。
圖5顯示的是通過本發(fā)明的一個實施方式得到的本發(fā)明的經過涂布的基材的橫截面放大照片。如圖5所示，連續(xù)的TWAS薄涂層72沉積在基材70上。盡管該涂層是分兩步沉積，即首先將初層沉積在基材上，緊接著在初層上施涂面層，該涂層也比由常規(guī)的TWAS法得到的涂層沉積得更為均勻，結果得到非常合乎需要的連續(xù)涂層，該涂層中察覺不到任何可使鉭穿透至基材金屬表面的間隙。與已知的TWAS涂層法形成強烈對比的是，本發(fā)明的TWAS復合涂層法在基材表面上產生基本上連續(xù)的涂層。
不管什么基材，對于沉積室部件上的涂層，鋁是目前最常用的材料。這至少部分的是因為在引入織構化施涂涂層之前使用中的沉積室部件的鋁金屬，不會由于二次濺射、離子遷移等原因對要沉積的薄膜造成不利的影響。對于該涂層也可以選擇其它材料，以便選擇性地剝離該涂層而不會對基材造成損害。這樣的材料的例子可包括許多種類，諸如普通鎳/鋁合金或用于鋁基材的鉬涂層。該涂層主要通過機械結合力粘合在基材上，這樣許多關于初層/面層的組合的選擇可以機械地起作用，但是必須研究它們對所涉及方法的可能影響。
本發(fā)明的一個實施方式涉及通過施涂至少兩層而大大增強機械粘合強度同時又保持所需的表面粗糙度的方法。第一層或“初層”是使用能產生非常好地適應預先經過粗糙化處理的基材表面和先前沉積的金屬長板(splates)的高速熔融顆粒的噴嘴設備施涂的?！伴L板”是技術術語，指在與基材接觸和固化后固化的金屬的形狀。雖然此涂層對于基材有非常好的粘合性，但是該涂層具有對于收集沉積過程中的殘余物而言并非最佳的相當平整的表面粗糙度(Ra)。在本發(fā)明的一個實施方式中，施涂的初層的表面粗糙度(Ra微米)約為10微米至20微米，更優(yōu)選約為10微米至18微米。
然后使用能產生速率低得多的熔融顆粒的噴嘴設備將“面層”噴涂到初層上。這些低速顆粒與高速顆粒鋪平的程度不同，所以產生一種孔隙度更高、表面粗糙度也高得多的涂層。在本發(fā)明的一個實施方式中，面層的表面粗糙度約為15微米至30微米，更優(yōu)選約為17微米至23微米。改變推進氣體的流速可以得到同樣的結果，但是對于該實施例來說，操控的是噴嘴的直徑。依據本發(fā)明，初層和面層的粗糙度可以改變，但是為了構建包括兩涂層的復合涂層，初層的粗糙度要比面層的粗糙度小。
如上所述，在用于半導體的物理氣相沉積(PVD)涂層法中，鉭類物質被導引至工件基材上以作精密涂布。但是，不能有效沉積在工件基材表面上的鉭和氮化鉭物類或者從沉積室氣氛中排出，或者粘合在室內表面和暴露的腔室部件上。粘合在室內表面上的鉭類物質預示著形成樹枝狀的晶體。正是這種鉭類物質的形成或“累積”使得必須增加沉積室內表面上的表面面積。因此，用于“粗糙化”內表面的方法實際上就是為了增加用于捕獲和保留沉積室內游離的未反應或未排出的顆粒物的粘合位點的數量而提高表面面積。
當應用于處理室中的不銹鋼或含鋁內表面上時，已知的TWAS涂層工藝以單一施涂中應用。據信涂層太厚或者施涂多層涂層是不利的，這樣做本身會由于涂層脫落而導致沉積室受到污染。但是，已經發(fā)現，標準TWAS涂層可能在微觀上是不連續(xù)的(參見圖1)，其不連續(xù)的程度足以使如鉭和氮化鉭之類的沉積室副產物擴散穿過TWAS涂層直至腔室部件或底部基材，結果導致無法接受的涂層脫落。
依據本發(fā)明，將復合TWAS涂層施涂到沉積室部件上，該涂層提供高粗糙度，同時又保持涂層的連續(xù)性和有效的擴散屏障(barriers)。術語“復合”是指沉積兩層單獨的涂層，各涂層可具有不同的性質以得到所需的總體涂層性質。
在一個實施方式中，從槍尖到基材表面之間的噴射距離約為3英寸至5英寸(約76毫米至127毫米)，優(yōu)選為4英寸(約100毫米)。轉臺的轉速約為150rpm，外加電流約為125安培。提供的空氣壓力約為60psi。對于初層(基材表面上的第一涂層)設定的噴槍管口直徑約為7.85毫米，對于面層(該方法中施涂的第二涂層，該涂層施涂在初層上)設定的管口直徑約為22.5毫米。以鋁線的形式提供給TWAS法的被施涂金屬的直徑約為1.59毫米。對于所提供的兩條電線來說，TWAS法中電線的進給速率約為69毫米/秒。所施涂的涂層厚度對于初層來說約為0.10毫米至0.15毫米，對于面層來說約為0.15毫米至0.20毫米。涂層的總厚度優(yōu)選為約254微米至356微米。
事實上，依據本發(fā)明的一個實施方式，將得到的復合TWAS涂層(初層加面層)的總厚度與使用的已知TWAS涂層的厚度是等量齊觀的，而已知涂層對于抵制由副產物擴散引起的脫層不能給予足夠的保護。參見表1。
表1

如表1中所示，盡管本發(fā)明的TWAS涂層的涂層厚度與常規(guī)TWAS涂層的厚度相當，但TWAS復合涂層對腔室基材的粘合強度得到極大的提高。另外，其表面粗糙度與常規(guī)涂層相當。依據本發(fā)明，可得到的期望粘合強度優(yōu)選在約40毫帕至77毫帕的范圍內。
使用表面光度儀測量Ra和Rz值，該設備可以測量測頭在掃過表面時產生的偏轉。算數平均粗糙度(Ra)定義為在樣品長度(L)內測得的對于中線的粗糙度高度分量不平整度的算數平均值。該測量依據標準ANSI/ASMEB46.1“Surface Texture-Surface Roughness，Waviness and Lay”進行。Ra(以前在美國稱為AA即Arithmetic Average(算術平均值)，在英國稱為CLA即Centerline Average(中線平均值))通常以微英寸(μin)表示，通過沿直線在表面上移動測頭或表面光度儀來進行。一致且可測量的表面末道涂層對于所需的粗糙度可指定為例如約12微米至30微米。Rz是樣品長度內的最高峰的高度加上最低谷的深度的總和。
實施例以下對本發(fā)明的示例性實施方式的說明包含了本發(fā)明的其它特點、優(yōu)點和細節(jié)，該說明必需結合附圖進行。
實施例1根據ASTM標準C633-01 Standard Test Method for Adhesion orCohesion Strength of Thermal Spray Coatings進行張力測試(拉伸)。樣品是鋁(Al)、不銹鋼(SST)或氧化鋁陶瓷試樣，如下表中所定義。
最終Ra500＞Ra＞700微英寸組#1-SST上的Al TWAS的拉伸測試

平均斷裂＝＝＝＞ 8335 10618最終Ra700＞Ra＞800微英寸組#2-TWAS 2-1-2-8的拉伸測試

平均斷裂＝＝＝＞ 841010714實施例2根據ASTM標準C633-01 Standard Test Method for Adhesion orCohesion Strength of Thermal Spray Coatings進行張力測試(拉伸)。樣品是鋁(Al)、不銹鋼(SST)或氧化鋁陶瓷試樣，如下表中所定義。
最終Ra700＜Ra＜900微英寸TWAS/SST-拉伸測試

平均斷裂＝＝＝＞ 822910483最終Ra1000＜Ra＜1200微英寸TWAS/SST-拉伸測試

平均斷裂＝＝＝＞ 62427952實施例3根據ASTM標準C633-01 Standard Test Method for Adhesion orCohesion Strength of Thermal Spray Coatings進行張力測試(拉伸)。樣品是鋁(Al)、不銹鋼(SST)或氧化鋁陶瓷試樣，如下表中所定義。
TWAS/Al-拉伸測試

平均斷裂＝＝＝＞ 63118039測試中使用的且其測試結果列在實施例1-3中的所有鋁試樣都由6061鋁合金制成。所使用的不銹鋼試樣由304L不銹鋼制成。
實施例4進行測試，以確定鋁TWAS對氧化鋁陶瓷的粘合力。該測試是用通過等離子體噴涂法施涂于預熱到約700至900的基材的初層進行。
據信需要預熱因為經過噴砂的陶瓷表面上的關鍵位點比噴砂金屬基材時產生的關鍵位點要小得多。提高基材溫度可以使熔融的鋁在接觸基材后冷卻得更慢，使它在固化前流入更小的關鍵位點中。
等離子體/TWAS在陶瓷上的測試

本發(fā)明提高了對粘合在本發(fā)明的改進型基材涂層上的物質的回收。因為本發(fā)明的涂層表面的“粗糙度”得到提高或者表面上粘合位點的數量增大，則涂布的物質的數量增大，如鉭可以粘合并以晶體形式生長。這促進了沉積室清洗過程中鉭的回收和循環(huán)的增加。與已知方法相比，該回收和循環(huán)提高了系統的總效率。更具體地，關于鉭，出現在基材和沉積的鉭之間的室壁上的鋁用氫氧化鉀加以溶解。鉭和不銹鋼不溶于此溶液，使得基材在該方法回收和再循環(huán)階段中不會被損壞。然后從腔室中回收鉭，一旦該剝離循環(huán)結束后即進行回收?；厥盏你g最好是近乎純的形式。
盡管參考具體實施例及其實施方式對本發(fā)明的各方面進行了描述，但是應理解本發(fā)明的保護范圍為所附權利要求的全部范圍。
權利要求
1.一種涂布處理室部件基材表面的方法，其包括以下步驟提供具有基材表面的處理室部件基材；提供用于施涂涂層的雙線電弧噴涂設備；和將復合雙線電弧噴涂涂層施涂到所述基材表面上，所述復合涂層包括基材表面上的第一初層和第一初層上的第二面層，所述第一初層具有第一涂層粗糙度值，所述第二面層具有大于所述第一初層粗糙度值的第二面層粗糙度值。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一初層的粗糙度值約為10微米至20微米，所述第二面層的粗糙度值約為15微米至30微米，從而使所述第二面層的粗糙度值比所述第一初層的粗糙度值大。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基材表面由包含金屬基材的材料制成。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基材表面由包含非金屬基材的材料制成。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述金屬基材包含選自含不銹鋼的合金、鋁和含鋁合金的金屬。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述復合涂層包含選自鋁、鎳、鋁合金和鉬的金屬。
7.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述非金屬基材包括含陶瓷的化合物。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述復合涂層對基材表面提供基本上連續(xù)的涂層。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述復合涂層的粘合強度約為40毫帕至77毫帕。
10.一種從鉭沉積過程中固定含鉭化合物的方法，其包括以下步驟提供處理室，所述室包括腔室部件和腔室內表面，所述腔室部件和腔室內表面包括復合涂層，所述復合涂層包括第一層和第二層，所述兩個層具有不同的表面粗糙度值；向等離子體涂層工藝提供含鉭化合物，所述工藝使鉭類物質從含鉭化合物中釋放出來；提供要在處理室中處理的工件；將一定量的鉭類物質沉積在工件上，并使一定量的鉭類物質粘合在復合涂層上。
11.如權利要求10所述的方法，還包括以下步驟處理所述復合涂層，以從復合涂層釋放出鉭類物質；以及從復合涂層中回收一定量的鉭類物質。
12.一種沉積在基材表面上的復合涂層，所述復合涂層包括具有第一粗糙度值的第一涂層；具有第二粗糙度值的第二涂層，所述第二粗糙度值大于所述第一粗糙度值；且其中所述第一涂層和第二涂層包含金屬。
13.如權利要求12所述的涂層，其特征在于，所述第一層和第二層包含選自鋁、鋁合金、鎳和鉬的金屬。
14.如權利要求12所述的涂層，其特征在于，所述基材表面由選自鋁和不銹鋼的材料制成。
15.如權利要求12所述的涂層，其特征在于，所述涂層以約254微米至約356微米的厚度沉積在基材表面上。
16.如權利要求12所述的涂層，其特征在于，所述涂層的表面粗糙度約為12至30微米。
17.一種處理室，其包括具有內表面的腔室；其中，所述腔室內表面包括復合涂層，所述復合涂層包括具有第一粗糙度值的第一層和具有第二粗糙度值的第二層，所述第二粗糙度值大于第一粗糙度值，所述復合涂層基本上連續(xù)地沉積在腔室內表面上。
18.如權利要求17所述的處理室，其還包括至少一種處理室部件，該部件在所述處理室內方向固定且位于接近內表面處，所述部件具有外表面，而所述復合層基本上連續(xù)地沉積在所述腔室內表面及部件外表面上。
19.一種用于鉭沉積的設備，其包括處理室，所述室包括腔室部件和腔室內表面，所述腔室部件和腔室內表面包括復合涂層，所述復合涂層包括第一初層和第二面層，所述第二面層的表面粗糙度值比所述第一初層的表面粗糙度值大；等離子體涂層設備，該設備以預定的位置至少部分地在所述腔室之內或者與所述腔室連通，所述設備包括用于產生含鉭物質的鉭源；和要在處理室中處理的工件。
20.如權利要求19所述的設備，其特征在于，所述第二面層的表面粗糙度值約為17至23微米，所述第一初層的表面粗糙度值約為10至18微米。
全文摘要
揭示了用于施涂雙線電弧噴涂復合涂層以在基材上實現具有預定特征的表面效應的方法和設備。
文檔編號C23C4/00GK1904124SQ20061010861
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月28日 優(yōu)先權日2005年7月29日
發(fā)明者J·G·迪姆, R·M·科因 申請人:波克股份有限公司