納米yag涂層、其制備方法及應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米YAG涂層、及其制備方法應(yīng)用。所述制備方法包括：提供含均勻分散的Al2O3顆粒和Y2O3顆粒的懸浮液；將所述懸浮液以等離子噴涂工藝噴涂到基體上，形成Y3Al5O12涂層，即所述納米YAG涂層。本發(fā)明提供的納米YAG涂層致密度高，抗等離子侵蝕性能優(yōu)良，適于在各種基體上應(yīng)用，其制備工藝無需造粒等環(huán)節(jié)，簡單易操作，生產(chǎn)效率高，且在不降低涂層抗等離子侵蝕性能的前提下還可以減少昂貴Y2O3的用量，生產(chǎn)成本低，適于大規(guī)模實(shí)施。
【專利說明】
納米YAG涂層、其制備方法及應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種陶瓷涂層，特別涉及一種納米YAG涂層、其制備方法及應(yīng)用，所述YAG涂層能抵抗等離子侵蝕，并具有高致密度。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子工業(yè)的發(fā)展，干法刻蝕工藝起到了越來越重要的作用。在所有的干法加工技術(shù)中，等離子刻蝕技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的，也是微納米加工能力最強(qiáng)的技術(shù)。近年來，電子工業(yè)大尺寸半導(dǎo)體設(shè)備的運(yùn)用，使得等離子刻蝕的功率也越來越大，導(dǎo)致腐蝕氣體(如CF4，SF6，02，Cl2，Ar)和等離子體對(duì)刻蝕工藝腔壁的損傷增大?，F(xiàn)有技術(shù)中采用陽極氧化鋁或氧化鋁涂層已經(jīng)不能滿足大功率條件下對(duì)刻蝕工藝腔壁的保護(hù)作用，使等離子體直接與鋁基體發(fā)生作用，產(chǎn)生顆粒污染，工藝腔壁涂層剝落等問題。因此，需要尋找一種新的涂層，以滿足大功率刻蝕工藝的要求。
[0003]在等離子體刻蝕工藝中，具有化學(xué)活性的等離子體通常是由氯氣或碳氟氣體放電產(chǎn)生的，它們含有電子和離子和大量的活性自由基，這些物質(zhì)在刻蝕設(shè)備內(nèi)腔壁時(shí)侵蝕腔壁。因此，需要在內(nèi)壁上沉積一層防護(hù)涂層，以防止在使用過程中侵蝕性電子和離子對(duì)腔壁的損害。20世紀(jì)90年代工業(yè)上普遍用陽極氧化鋁膜或Al2O3涂層來保護(hù)刻蝕設(shè)備腔體內(nèi)壁，用來阻止等離子體對(duì)刻蝕工藝腔壁的蝕刻損傷，但是等離子刻蝕設(shè)備功率較小，等離子發(fā)生源單一。近年來，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為了提高大尺寸硅片的刻蝕效率，降低生產(chǎn)成本，增大了等離子體發(fā)生器的功率，導(dǎo)致等離子氣體對(duì)刻蝕設(shè)備內(nèi)腔壁的侵蝕更加嚴(yán)重。高強(qiáng)度等離子侵蝕會(huì)產(chǎn)生大量的小顆粒，污染刻蝕設(shè)備與樣品表面，增加生產(chǎn)設(shè)備維修的頻率且侵蝕殘生的小顆粒污染樣品，從而降低了產(chǎn)品的合格率，參見圖1為等離子刻蝕過程中產(chǎn)生的小顆粒所污染樣品的照片。
[0004]同時(shí)，由于設(shè)備尺寸較大，且內(nèi)壁結(jié)構(gòu)大多為非規(guī)則狀，現(xiàn)有技術(shù)通常是采用燒結(jié)塊體材料，適用于小尺寸設(shè)備。在大尺寸領(lǐng)域，一般采用等離子噴涂技術(shù)，但傳統(tǒng)等離子噴涂技術(shù)制備的涂層致密度相對(duì)較低，面對(duì)目前工業(yè)領(lǐng)域的大尺寸，高功率等離子刻蝕設(shè)備，難以滿足要求。其他薄膜或涂層制備技術(shù)，制備效率上都難以滿足大規(guī)模工業(yè)化需求?，F(xiàn)有技術(shù)中新型開發(fā)出的高純Y2O3,雖然其抗等離子侵蝕性能較好，但高純致密Y2O3涂層制備及其困難，且高純Y2O3價(jià)格很高，大規(guī)模商業(yè)使用成本高。因此，目前半導(dǎo)體工業(yè)急需一種高質(zhì)量的抗等離子侵蝕材料來阻止大功率等離子刻蝕對(duì)于刻蝕設(shè)備的侵蝕，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率，降低生產(chǎn)成本。
[0005]傳統(tǒng)涂層在提升涂層物理性能和力學(xué)性能方面已經(jīng)遇到了瓶頸，現(xiàn)有噴涂方法很難再改善涂層的微觀結(jié)構(gòu)。由于納米技術(shù)的發(fā)展，人們將目光轉(zhuǎn)向了納米涂層。納米涂層指的是涂層中的晶粒尺寸一般小于lOOnm，這種涂層有著比傳統(tǒng)涂層更好的微觀結(jié)構(gòu)，從而更有利于提高涂層的各項(xiàng)性能。傳統(tǒng)的團(tuán)聚型粉末等離子噴涂制備納米涂層，雖然原料為納米粉末，由于粉末尺寸小、質(zhì)量小、流動(dòng)性差等特點(diǎn)，不適合直接作為噴涂原料，必須經(jīng)過噴霧干燥和燒結(jié)致密化成球，制成質(zhì)量稍大、流動(dòng)性好的團(tuán)聚型微米粉末才能進(jìn)行等離子噴涂制備涂層。經(jīng)歷這樣復(fù)雜的工序，不僅材料的損失較大，而且在進(jìn)行燒結(jié)致密化成球和等離子噴涂過程中，由于溫度較高，納米晶粒有長大的趨勢(shì)，甚至?xí)黾{米臨界尺寸。因此，即使原料為理想的納米粉末，經(jīng)歷這樣的過程，所制得的涂層結(jié)構(gòu)不一定為納米晶粒結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致涂層的納米結(jié)構(gòu)性能散失殆盡，影響納米涂層物理性能和力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的主要目的在于提供一種納米YAG涂層、其制備方法及應(yīng)用，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0007]為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括:
[0008]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種納米YAG涂層的制備方法，其包括:
[0009]提供含均勻分散的Al2O3顆粒和Y2O3顆粒的懸浮液；
[0010]將所述懸浮液以等離子噴涂工藝噴涂到基體上形成Y3Al5O12涂層，即所述納米YAG涂層。
[0011]進(jìn)一步的，所述制備方法包括:將所述懸浮液直接輸入等離子體焰內(nèi)，之后噴涂到基體上，形成所述納米YAG涂層。
[0012]本發(fā)明實(shí)施例還提供了由前述任一種方法制備的納米YAG涂層。
[0013]本發(fā)明實(shí)施例還提供了前述任一種納米YAG涂層的用途。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括:
[0015](I)提供的納米YAG涂層致密度高，抗等離子侵蝕性能優(yōu)良，適于在各種基體上應(yīng)用；
[0016](2)提供的納米YAG涂層的制備方法無需造粒等環(huán)節(jié)，工藝簡單，生產(chǎn)效率高，且在不降低涂層抗等離子侵蝕性能的前提下可以減少昂貴Y2O3的用量，生產(chǎn)成本低。
【附圖說明】
[0017]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中等離子刻蝕過程中產(chǎn)生的小顆粒所污染樣品的照片；
[0018]圖2是本發(fā)明一典型實(shí)施例中采用等離子噴涂形成的涂層的XRD圖譜；
[0019]圖3是本發(fā)明一典型實(shí)施例中采用等離子噴涂形成的涂層的橫截面微觀結(jié)構(gòu)照片;
[0020]圖4a_圖4b是本發(fā)明一典型實(shí)施例中采用等離子噴涂形成的涂層在侵蝕功率為400W時(shí)侵蝕前后的掃描電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0021]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和大量實(shí)踐，得以提出本發(fā)明的技術(shù)方案。如下將對(duì)該技術(shù)方案、其實(shí)施過程及原理等作進(jìn)一步的解釋說明。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例提供的一種納米YAG涂層的制備方法包括:
[0023]提供含均勻分散的Al2O3顆粒和Y2O3顆粒的懸浮液；
[0024]將所述懸浮液以等離子噴涂工藝噴涂到基體上，形成Y3Al5O12涂層，即所述納米YAG涂層。
[0025]較為優(yōu)選的，所述Al2O3顆粒、Y2O3顆粒的粒徑為5?100納米，純度大于99.5%。
[0026]較為優(yōu)選的，所述Al2O3顆粒的用量為所述Al2O3顆粒與Y2O3顆?？傆昧康?2.5mol% 以上。
[0027]較為優(yōu)選的，所述懸浮液包含5?30wt%Al203顆粒和Y2O3顆粒固相物。
[0028]較為優(yōu)選的，所述懸浮液包含陰離子分散劑，例如DOLAPIX PC 75或者DOLAPIX PC64，但不限于此。
[0029]較為優(yōu)選的，所述懸浮液中采用的溶劑包括去離子水、乙醇等，且不限于此。
[°03°]較為優(yōu)選的，所述懸浮液的pH值為4?6.9。
[0031]在一些實(shí)施方案中，所述的制備方法包括:將所述懸浮液直接輸入等離子體焰內(nèi)，之后噴涂到基體上，形成所述納米YAG涂層。
[0032]較為優(yōu)選的，所述等離子噴涂工藝中采用的工藝條件包括:起弧氣體為氬氣，流量為28?60L/min，輔氣為H2，流量為3?30L/min，懸浮液輸送速率為5?40ml/min，霧化氣體采用氬氣，流量為6?32L/min。
[0033]進(jìn)一步的，所述等離子噴涂工藝中，懸浮液在等離子火焰中的停留時(shí)間受等離子火焰速度的控制，優(yōu)選的，懸浮液中溶劑蒸發(fā)后剩余的粉末顆粒的行進(jìn)速度控制在150?400m/s。
[0034]其中，所述等離子體焰的溫度一般在10000?15000°C以上。
[0035]其中，所述等離子體焰通常為Ar氣在高頻電壓下電離后形成的等離子體。
[0036]進(jìn)一步的，本發(fā)明中用以形成等離子體的氣體應(yīng)滿足如下要求:(I)性能穩(wěn)定，不與噴涂材料發(fā)生有害反應(yīng)；(2)熱焓高，適合于難熔材料，但又不應(yīng)過高而燒蝕噴嘴；(3)應(yīng)與電極或噴嘴不發(fā)生化學(xué)作用；(4)成本低廉，供應(yīng)方便。
[0037]本發(fā)明的前述制備方法中采用的等離子體優(yōu)選采用大氣等離子體(來源于N2、Ar、H2及He等)，即，采用大氣等離子噴涂，其采用氣體經(jīng)電離產(chǎn)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涂層。其中的等離子電弧溫度極高，足夠融化包括Al2O3, Y2O3在內(nèi)的所有的高熔點(diǎn)陶瓷粉末。
[0038]較為優(yōu)選的，所述等離子噴涂工藝中采用的噴涂距離為40?100mm。
[0039]在一些實(shí)施方案中，所述基底選自金屬基底。
[0040]在一些實(shí)施方案中，所述的制備方法包括:對(duì)基底表面進(jìn)行噴砂、清潔處理后，再在所述基底表面噴涂形成所述納米YAG涂層。
[0041]本發(fā)明的前述制備方法中通過將A1203、Y203等納米顆粒很好的分散在液體中，然后將穩(wěn)定的懸浮液作為等離子噴涂喂料送入等離子體火焰中心，既改善了如納米粉末噴涂流動(dòng)性的問題，而且這一過程在等離子體焰流中進(jìn)行，經(jīng)歷的時(shí)間極短，粉末中的納米晶粒來不及長大就沉積在基體上，因此可以形成納米結(jié)構(gòu)涂層，大幅提高了涂層致密度，增強(qiáng)了涂層的抗等離子侵蝕性能。
[0042]以及，本發(fā)明的前述制備方法中通過懸浮液等離子噴涂的方法直接合成Al2O3/Y2O3復(fù)合氧化物涂層，避免傳統(tǒng)等離子噴涂的造粒環(huán)節(jié)，在不降低涂層等離子侵蝕性能的前提下減少昂貴的Y2O3用量，提高生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。
[0043]本發(fā)明的前述制備方法中，納米Al2O3和Y2O3粉末在等離子火焰內(nèi)是按照以下反應(yīng)合成為Y3Al5O12涂層:
[0044]2Υ2θ3+Α12θ3^Υ4Α?2θ9； (900-1000°C)
[0045]Υ4Α?2θ9+Α12θ3^3ΥΑ1θ3 ； (1100-1250°C)
[0046]4ΥΑΙΟ3+ΑΙ2Ο34Υ3ΑΙ5Ο12 ； (1400-1600°C)
[0047]本發(fā)明實(shí)施例還提供了由前述任一種方法制得的納米YAG涂層。
[0048]進(jìn)一步的，所述納米YAG涂層主要由Y3Al5O12納米晶粒聚集形成，所述納米晶粒的尺寸為20-80nm。此外，所述納米YAG涂層也可包含未反應(yīng)完全的Al2O3、Y2O3 J4Al2O9和YAlO3復(fù)合氧化物等，但主要以YsAl5O12,即YAG為主。
[0049]進(jìn)一步的，所述納米YAG涂層的厚度在0.3μπι以上，孔隙率低于10%，維氏硬度HV0.2>700o
[0050]本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種裝置，其包含:基體，以及形成于所述基體表面的、如前所述的任一種納米YAG涂層。
[0051]以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)作進(jìn)一步的解釋說明。
[0052]實(shí)施例1
[0053](I)懸浮液的制備
[0054]選用粒徑尺寸為5-100納米，純度大于99.5 %的Al2O3和Y2O3粉末，按照Al2O3: Y2O3為5: 3的比例稱量后，加入pH值=4?6.9的去離子水，并不斷攪拌，控制懸浮液濃度為5-30wt.%，之后加入適量的陰離子分散劑，添加濃度為懸浮液固體含量的0.5-3wt%，并超聲分散10-120min，得到穩(wěn)定均一的A1203/Y203懸浮液。
[0055](2)涂層的制備
[0056]在噴涂前首先將金屬基底進(jìn)行噴砂處理(例如通過SiC或者Al2O3沙子進(jìn)行噴砂，噴砂粒度為50?ΙΟΟμπι)，然后用乙醇或丙酮清洗基底表面，晾干后備用。將穩(wěn)定均一的懸浮液通過蠕動(dòng)栗管路輸送到Ar等離子火焰中，再噴涂到金屬基體上制得Y3Al5O12涂層。其中噴涂過程中起弧氣體為氬氣，流量為28?60L/min，輔氣為H2，流量為3_30L/min，懸浮液輸送速率為5?40ml/min，霧化氣體采用氬氣，霧化氣流為6-32L/min，噴涂距離為40-100mm。
[0057]本實(shí)施例所制備的一種典型涂層樣品的孔隙率低于10%，維氏硬度HV0.2>700，其XRD圖譜如圖2所示，形貌可參閱圖3，在侵蝕功率為400W時(shí)侵蝕前后的形貌可參閱圖4a_圖4b ο
[0058]此外，本案發(fā)明人還對(duì)本實(shí)施例制得的其它涂層樣品進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，其結(jié)果與該典型涂層的測(cè)試結(jié)果基本一致。
[0059]應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種納米YAG涂層的制備方法，其特征在于包括: 提供含均勻分散的Al2O3顆粒和Y2O3顆粒的懸浮液； 將所述懸浮液以等離子噴涂工藝噴涂到基體上形成Y3Al5O12涂層，即所述納米YAG涂層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于: 所述Al2O3顆?；験2O3顆粒的粒徑為5?100納米，純度大于99.5% ; 和/或，所述Al2O3顆粒的用量為所述Al2O3顆粒與Y2O3顆粒總用量的62.5mol %以上； 和/或，所述懸浮液包含5?30wt % Al2O3顆粒和Y2O3顆粒固相物。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述懸浮液包含陰離子分散劑；和/或，所述懸浮液中采用的溶劑包括水和/或乙醇；和/或，所述懸浮液的pH值為4?6.9;和/或，所述懸浮液內(nèi)陰離子分散劑的含量為所述懸浮液內(nèi)固體含量的0.5?3wt%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于包括:將所述懸浮液連續(xù)輸入等離子體焰內(nèi)，之后噴涂到基體上，形成所述納米YAG涂層。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述等離子噴涂工藝中采用的工藝條件包括:起弧氣體為氬氣，流量為28-60L/min，輔氣為H2，流量為3_30L/min，懸浮液輸送速率為5?40ml/min，霧化氣體采用氬氣，流量為6?32L/min;和/或，所述等離子噴涂工藝中采用的噴涂距離為40?100mm;和/或，所述等離子噴涂工藝中，懸浮液在等離子火焰中被蒸發(fā)除去溶劑后余留的粉末顆粒的行進(jìn)速度為150_400m/S06.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于包括:對(duì)基底表面進(jìn)行噴砂、清潔處理后，再在所述基底表面噴涂形成所述納米YAG涂層;和/或，所述基底選自金屬基底。7.由權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述方法制得的納米YAG涂層。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米YAG涂層，其特征在于:所述納米YAG涂層主要由Y3Al5O1^米晶粒聚集形成，所述納米晶粒的尺寸為20?I OOnm。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米YAG涂層，其特征在于:所述納米YAG涂層的厚度在0.3μπι以上，孔隙率低于10%，維氏硬度HV0.2>700。10.一種裝置，其特征在于包含:基體，以及形成于所述基體表面的、如權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的納米YAG涂層。
【文檔編號(hào)】C23C4/134GK106048502SQ201610397863
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日
【發(fā)明人】趙棟, 陳瑤, 王傳洋, 王永光, 劉衛(wèi)衛(wèi)
【申請(qǐng)人】蘇州大學(xué)