等離子噴涂工藝參數對高純氧化釔涂層性能的影響

萬偉偉，夏春陽，王 旭，國俊豐，李偉

（礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

低溫等離子體微細加工方法是光電子、微機械、集成電路等制備技術的基礎。在超大集成電路制造工藝中，等離子體干法刻蝕是實現微細圖形高保真地從光刻模板轉移到硅片上的不可替代的工藝。在等離子體干法刻蝕過程中，會生成大量的活性自由基，對刻蝕工藝腔的內表面產生腐蝕作用[1,2]。并且隨著晶片尺寸的不斷增大，需要等離子體的功率也不斷升高，由此帶來的刻蝕工藝腔內表面的腐蝕會更加嚴重。高純氧化釔陶瓷涂層材料在Cl基和F基中具有非常穩定的性質，其對等離子體的耐受性是氧化鋁等傳統涂層材料的5-8倍，成為8英寸以上刻蝕機的優選涂層材料[3-6]。目前制備高純氧化釔涂層的主要工藝為等離子噴涂工藝，現有技術下，涂層相結構為立方相或夾雜單斜相，孔隙率為5.6%[2],涂層結合強度為5.7MPa。等離子噴涂工藝參數對涂層的性能有著重要的影響，通過對工藝參數的調整可以制備得到性能更優的高純氧化釔涂層。

本文采用METCO UNICOAT F4等離子噴涂設備，通過正交試驗設計，研究了等離子噴涂工藝參數對高純氧化釔涂層結合強度、孔隙率的影響規律，分析得出最佳噴涂工藝參數，以得到綜合性能最佳的涂層。

1 試驗方法

本文在鋁合金基體上，采用METCO F4等離子噴槍噴涂樣品，主要考察氬氣流量、氫氣流量、噴涂功率、噴涂噴距四個工藝參數對涂層性能的影響，每個因素取三水平，見表1。

表1 因素水平設計表

粉末材料采用99.99%純度的球形氧化釔，粉末D50為32～38微米，粉末形貌如圖1所示。

圖1 高純氧化釔粉末形貌

采用HITACHI S-3500N型掃描電鏡對涂層進行微觀組織形貌觀測，并對涂層孔隙率進行分析；采用WDW-100A型微機控制電子式萬能試驗機對涂層結合強度進行測試；采用TIME 3200表面粗糙度儀對涂層表面粗糙度進行測試。

噴涂前對鋁合金樣品進行除油，吹砂處理。噴涂工藝采用四因素三水平正交試驗法設計試驗，共進行9組噴涂試驗。試驗參數及其對應試驗結果如表2所示。

表2 正交試驗參數及結果

2 試驗結果與分析

2.1 噴涂工藝參數對涂層結合強度的影響

隨著刻蝕機使用的等離子體功率不斷提高，腔體部件受到的沖擊力逐漸增大，對涂層與基體結合強度的要求越來越高。不同因素不同水平對涂層結合強度的影響如表3所示。

表3 不同因素不同水平對涂層結合強度的影響

涂層結合強度主要取決于涂層顆粒與基體材質的機械嵌合作用，以及涂層內部層間的作用力，涂層脫落主要是涂層與鋁合金基體界面之間脫離，而不是涂層本身內部撕裂。所以本文認定鋁合金基體上的高純氧化釔涂層結合強度主要是由涂層與基體接觸界面上的機械嵌合作用主導。在基體表面狀態一致的情況下，氧化釔粉末顆粒隨高速射流沖擊到基體表面時的速度和溫度，決定了這種嵌合作用的強弱。通過圖2～圖5可以分析出，涂層結合強度隨著氬氣流量的增加先小幅減小后快速增大，隨氫氣流量的增加先增大后減小，隨著等離子功率的增加逐漸減小，隨著噴涂距離的增加逐漸增加。從極差分析結果可以看出，對結合強度影響最大的因素是氫氣流量，其次是噴涂功率、噴距和氬氣流量。當氫氣流速越大、噴涂功率越高時，噴涂射流的熱焓值越大，對粉末材料輸入的能量越大，粉末顆粒融化效果越好，顆粒平鋪變形越好。當氬氣流量越大，噴涂距離越遠時，粒子加速越充分，撞擊到基體表面時鑲嵌效果越好，因此結合強度越好。但是當材料粒子融化程度過大，平鋪在基體表面造成飛濺，嵌合能力反而會較弱。通過上述分析可以得出，結合強度最好的參數組合是A1B2C1D3。

圖2 氬氣流量對結合強度的影響

圖3 氫氣流量對結合強度的影響

圖4 功率對結合強度的影響

圖5 噴涂距離對結合強度的影響

2.2 噴涂工藝參數對涂層孔隙率的影響

涂層孔隙率的大小直接決定了涂層在抗等離子體腐蝕過程中的壽命。涂層孔隙率越小代表涂層越致密，涂層的抗腐蝕壽命就越高。不同因素不同水平的工藝參數對涂層孔隙率的影響如表4所示。

表4 不同因素水平工藝參數對涂層孔隙率的影響

氧化釔粉末進入等離子射流中，隨著飛行距離的增加，飛行速度先增加后減小，粒子表面溫度先增加后減小。獲得能量的粉末粒子在高速射流中熔融，撞擊到基體表面，充分延展，平鋪堆疊效果越好，則得到的涂層孔隙率就越小。通過圖6～圖9可以看出，隨著氬氣流量的增加涂層孔隙率越來越小，隨著氫氣流量的增加，涂層孔隙率先減小后略有增加，隨著噴涂功率的增加涂層孔隙率迅速減小，隨著噴涂距離的增加，涂層孔隙率先增大后減小。通過極差分析可以看出，對涂層孔隙率影響最大的因素是噴涂距離,其次是氫氣流量、氬氣流量、功率。獲得最佳涂層孔隙率的參數組合為A3B2C3D1。

圖6 氬氣流量對孔隙率的影響

圖7 氫氣流量對孔隙率的影響

圖8 功率對涂層孔隙率的影響

圖9 噴距對涂層孔隙率的影響

3 試驗結論

本文采用F4等離子噴涂系統在鋁合金基體上制備了高純氧化釔涂層，并通過四因素三水平正交試驗設計，研究了氬氣流量、氫氣流量、噴涂功率和噴涂距離對涂層結合強度和孔隙率的影響規律，結論如下。

（1）涂層的結合強度隨著氬氣流量的增加先小幅減小后快速增大；隨氫氣流量的增加先增大后減?。浑S著等離子功率的增加逐漸減?。浑S著噴涂距離的增加逐漸增加。對結合強度影響最大的因素是氫氣流量，其次是噴涂功率、噴距和氬氣流量。結合強度最好的參數組合是A1B2C1D3。

（2）涂層的孔隙率隨著氬氣流量的增加越來越??；隨著氫氣流量的增加，涂層孔隙率先減小后略有增加；隨著噴涂功率的增加涂層孔隙率迅速減小，隨著噴涂距離的增加，涂層孔隙率先增大后減小。對涂層孔隙率影響最大的因素是噴涂距離,其次是氫氣流量、氬氣流量、功率。獲得最佳涂層孔隙率的參數組合為A3B2C3D1。