一種等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法
【專利摘要】本發明涉及半導體設備中防蝕處理【技術領域】，具體涉及一種等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法。所述方法，包括如下步驟：將碳化硼粉末與聚乙烯粉末或酚醛樹脂粉末混合均勻，并將混合后的粉末送入等離子噴涂設備；對待噴涂的鋁基材的刻蝕工藝腔室無需噴涂的部位進行遮蔽，然后使用丙酮或酒精對刻蝕工藝腔室的內壁進行清洗；對清洗后的刻蝕工藝腔室的內壁進行噴砂處理；通過等離子噴涂設備在刻蝕工藝腔室內壁進行等離子噴涂，制備出碳化硼涂層。本發明在碳化硼粉末中加入少許聚乙烯粉末或酚醛樹脂粉末不僅降低碳化硼在高溫下的碳流失和氧化，促進了碳化硼涂層的致密化，并且不會在碳化硼涂層中引入雜質元素，從而獲得性能良好、純凈的碳化硼涂層。
【專利說明】一種等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法
【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】，具體涉及一種等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法。
【背景技術】[0002]離子體刻蝕技術是半導體制造工藝,微電子IC制造工藝以及微納制造工藝中的一種相當重要的步驟，但在等離子體干法刻蝕過程中，會生成大量的Cl基、F基等活性自由基。他們對半導體器件進行刻蝕時，也會對半導體刻蝕設備中的鋁基等離子刻蝕工藝腔的內表面以及石英罩產生腐蝕作用，這種腐蝕會產生大量的顆粒導致需要頻繁的維護生產設備，嚴重時甚至會導致刻蝕設備的失效。
[0003]早期的等離子刻蝕腔防護技術有陽極氧化鋁，但陽極氧化鋁涂層的抗腐蝕能力極為有限。隨著熱噴涂技術的發展，在鋁基板上熱噴涂Al2O3陶瓷涂層有效的解決了在較小功率等離子體下刻蝕工藝腔的腐蝕問題，但隨著晶圓尺寸的增加，相應的等離子體功率也越來越大，人們逐漸使用Y2O3涂層來代替Al2O3陶瓷涂層，研究表明Y2O3涂層的抗腐蝕性能是Al2O3涂層的5-7倍，同時Y2O3可以和F基反應生成YF，YF穩定且不易飛散，對半導體器件污染小，目前，以Y2O3粉末作為噴涂材料，利用大氣等離子噴涂方法，在刻蝕工藝腔內表面制備出單一結構的Y2O3耐腐蝕涂層是一種普遍采用的方法。
[0004]隨著半導體刻蝕機功率的不斷增大，加工的器件關鍵尺寸的不斷減小，對涂層的耐腐蝕性要求將不斷提高。目前使用的Y2O3涂層也將逐漸難以滿足更高的抗腐蝕性要求，因此急需尋找新型穩定的耐腐蝕材料來替代Y2O3，碳化硼是對酸最穩定的物質之一，在常溫下與絕大多數酸、堿和無機鹽都不發生化學反應，是優良的耐腐蝕材料，且與半導體工藝的兼容性良好，非常適合用作半導體零部件的耐腐蝕涂層。美國的應用材料公司等已開展了碳化硼涂層的研究工作。未來碳化硼無疑將取代Y2O3成為半導體刻蝕設備中耐腐蝕涂層的主流材料。
[0005]制備B4C涂層主要的方法有:化學氣相沉積(CVD)、反應燒結和等離子噴涂等。大氣等離子噴涂是用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涂層的方法。其中的等離子電弧溫度極高，弧柱中心溫度可升高到15000k-33000Κ，足夠融化所有的高熔點陶瓷粉末。大氣等離子噴涂由于具有射流溫度高、涂層厚度可控、結合強度高以及操作方便等特點，是制備B4C涂層的有效方法。但是，B4C在噴涂過程中存在式⑴和式⑵反應，造成高溫氧化和分解化等問題，因此常規的大氣等離子噴涂不能制備出性能良好的B4C涂層。
[0006]2B4C+702 — 4B203+2C0(I)
[0007]xB4C — 4BXC+ (x_4) C(2)
[0008]現有技術中有采用一種特種保護技術，是在惰性氣體保護下進行等離子噴涂，雖然獲得了 B4C涂層，但是涂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制備B4C耐侵蝕陶瓷涂層。
【發明內容】

[0009]本發明的目的在于提供一種等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法，可防止碳化硼涂層中的碳流失和氧化，而且促進了碳化硼涂層的致密化，在等離子刻蝕工藝腔內表面獲得性能優異的耐腐蝕碳化硼涂層。
[0010]為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0011]一種等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法，包括如下步驟:
[0012]步驟(1)，將碳化硼粉末與聚乙烯粉末或酚醛樹脂粉末混合均勻，并將混合后的粉末送入等尚子噴涂設備；
[0013]步驟(2)，對待噴涂的鋁基材的刻蝕工藝腔室無需噴涂的部位進行遮蔽，然后使用丙酮或酒精對所述刻蝕工藝腔室的內壁進行清洗；
[0014]步驟(3)，對清洗后的刻蝕工藝腔室的內壁進行噴砂處理；
[0015]步驟(4)，通過所述等離子噴涂設備在所述刻蝕工藝腔室內壁進行等離子噴涂，制備出碳化硼涂層。
[0016]上述方案中，所述步驟(1)中的聚乙烯粉末或酚醛樹脂粉末的重量為所述混合后的粉末重量的1%~5%。
[0017]上述方案中，所述步驟(1)中的混合后的粉末的粒度為5~40 μ m。
[0018]上述方案中，所述步驟(4)中所述等離子噴涂設備使用的離子氣體為Ar和H2, Ar氣體的流量為40~90L/min，H2氣體的流量為5~20L/min。
[0019]上述方案中，所述步驟(4)中等離子噴涂設備的電弧電壓為40~90V，電弧電流為600~900A，送粉速度為15~100g/min，噴涂距離為60~140mm，粉斗攪拌速度5~40r/min，送粉角度為50°、0°，噴槍相對刻蝕工藝腔室的內壁的掃描速度為3~1000mm/S，轉臺轉速為O~200rpm。
[0020]上述方案中，所述步驟(4)中等離子噴涂的過程中，采用壓縮空氣噴吹方法或者循環水冷方法來冷卻所述刻蝕工藝腔室，所述壓縮空氣噴吹方法中冷卻氣體的流量為100~2000L/min，所述循環水冷方法中冷卻水的流量為10~500L/min。
[0021]與現有技術方案相比，本發明采用的技術方案產生的有益效果如下:
[0022]本發明是在碳化硼粉末中加入少許聚乙烯粉末或酚醛樹脂粉末進行噴涂，來制備碳化硼涂層。由于在噴涂過程中，當溫度達到一定程度時，聚乙烯或酚醛樹脂會燃燒分解，在消耗氧的同時，會在碳化硼顆粒表面留下很薄的一層殘碳，表面的殘碳不僅可以優先和氧氣發生反應，避免碳化硼的氧化，而且表面殘碳可以還原碳化硼顆粒表層的氧化物。本發明中，聚乙烯或酚醛樹脂的加入不僅降低甚至防止碳化硼在高溫下的碳流失和氧化，而且促進了碳化硼涂層的致密化，并且聚乙烯或酚醛樹脂的摻雜不會在碳化硼涂層中引入雜質元素，從而獲 得性能良好純凈的碳化硼涂層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發明實施例提供的等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法的流程圖?！揪唧w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]如圖1所示，本發明提供一種等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法，包括如下步驟:
[0026]步驟(1)，將碳化硼粉末與聚乙烯粉末或酚醛樹脂粉末混合均勻，并將混合后的粉末送入等尚子噴涂設備 ；
[0027]步驟(2)，對待噴涂的鋁基材的刻蝕工藝腔室無需噴涂的部位進行遮蔽，然后使用丙酮或酒精對刻蝕工藝腔室的內壁進行清洗；
[0028]步驟(3)，對清洗后的刻蝕工藝腔室的內壁進行噴砂處理；
[0029]步驟(4)，通過等離子噴涂設備在刻蝕工藝腔室內壁進行等離子噴涂，制備出碳化硼涂層。
[0030]在上述方案的基礎上，可以通過以下兩個具體的實施例詳細描述制備碳化硼涂層的過程。
[0031]實施例1:
[0032]本實施例提供一種等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法，具體包括如下步驟:
[0033]( I)將99重量份的碳化硼粉末和I重量份的聚乙烯粉末混合均勻，混合后的粉末的粒度范圍為5~40 μ m，并將混合后的粉末送入等離子噴涂設備；
[0034](2)對待噴涂的鋁基材的刻蝕工藝腔室無需噴涂的部位進行遮蔽，然后使用丙酮或酒精對刻蝕工藝腔室的內壁進行清洗；
[0035](3)對清洗后的刻蝕工藝腔室的內壁進行噴砂處理；
[0036](4)采用Sluzer Metco Multicoat等離子噴涂設備進行等離子噴涂，噴槍類型F4MB ;在Ai^P H2的噴涂氣體環境下對刻蝕工藝腔室的內壁進行等離子噴涂，Ar氣體的流量為40~90L/min，H2氣體的流量為5~20L/min ;等離子噴涂設備的電弧電壓為40~90V，電弧電流為600~900A，送粉速度為15~100g/min，噴涂距離為60~140mm，粉斗攪拌速度5~40r/min，送粉角度為50°、0°，噴槍相對刻蝕工藝腔室的內壁的掃描速度為3~1000mm/S，轉臺轉速為O~200rpm ;在等離子噴涂的過程中，采用壓縮空氣噴吹方法或者循環水冷方法來冷卻被噴涂的刻蝕工藝腔室，壓縮空氣噴吹方法中冷卻氣體的流量為100~2000L/min，循環水冷方法中冷卻水的流量為10~500L/min ;最終在刻蝕工藝腔室內壁上完成碳化硼耐腐蝕陶瓷涂層的制備。
[0037]實施例2:
[0038]本實施例中是將95重量份的碳化硼粉末和5重量份的酚醛樹脂粉末混合均勻，混合后的粉末的粒度范圍為5~40 μ m，并將混合后的粉末送入等離子噴涂設備，本實施例中的其他步驟以及等離子噴涂設備的工藝參數均與實施例1相同。
[0039]本發明使用聚乙烯或酚醛樹脂粉末摻雜B4C粉末進行等離子噴涂制備碳化硼涂層。具體而言，就是在B4C粉末中加入少許的聚乙烯粉末或酚醛樹脂粉末進行噴涂，并且在噴涂過程中對混合粉以一定的速度不停的攪拌，使B4C粉與聚乙烯或酚醛樹脂混合均勻。在噴涂過程中，當溫度達到一定程度時，酚醛樹脂或聚乙烯會燃燒分解，在消耗氧的同時，會在碳化硼顆粒表面留下很薄的一層殘碳，表面的殘碳不僅可以優先和氧氣發生反應，避免B4C的氧化，而且表面殘碳可以還原碳化硼顆粒表層的氧化物。本發明中，乙烯或酚醛樹脂的加入不僅降低甚至防止B4C在高溫下的C流失和氧化，而且促進了碳化硼涂層的致密化，并且聚乙烯或酚醛樹脂摻雜不會在涂層中引入雜質元素，從而獲得性能良好純凈的B4C涂層。 [0040]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于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范圍之內。
【權利要求】
1.一種等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟(1)，將碳化硼粉末與聚乙烯粉末或酚醛樹脂粉末混合均勻，并將混合后的粉末送入等尚子噴涂設備； 步驟(2)，對待噴涂的鋁基材的刻蝕工藝腔室無需噴涂的部位進行遮蔽，然后使用丙酮或酒精對所述刻蝕工藝腔室的內壁進行清洗； 步驟(3)，對清洗后的刻蝕工藝腔室的內壁進行噴砂處理； 步驟(4)，通過所述等離子噴涂設備在所述刻蝕工藝腔室內壁進行等離子噴涂，制備出碳化硼涂層。
2.如權利要求1所述的等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法，其特征在于，所述步驟(I)中的聚乙烯粉末或酚醛樹脂粉末的重量為所述混合后的粉末總重量的1%~5%。
3.如權利要求1所述的等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法，其特征在于，所述步驟(I)中的混合后的粉末的粒度為5~40 μ m。
4.如權利要求1所述的等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法，其特征在于，所述步驟(3)中所述等離子噴涂設備使用的離子氣體為Ar和H2, Ar氣體的流量為40~90L/min，H2氣體的流量為5~20L/min。
5.如權利要求1所述的等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法，其特征在于，所述步驟(3)中等離子噴涂設備的電 弧電壓為40~90V，電弧電流為600~900A，送粉速度為15~100g/min，噴涂距離為60~140mm，粉斗攪拌速度5~40r/min，送粉角度為50°~90°，噴槍相對刻蝕工藝腔室的內壁的掃描速度為3~1000mm/s，轉臺轉速為O~200rpm。
6.如權利要求1所述的等離子噴涂技術制備碳化硼涂層的方法，其特征在于，所述步驟(3)中等離子噴涂的過程中，采用壓縮空氣噴吹方法或者循環水冷方法來冷卻所述刻蝕工藝腔室，所述壓縮空氣噴吹方法中冷卻氣體的流量為100~2000L/min，所述循環水冷方法中冷卻水的流量為10~500L/min。
【文檔編號】C23C4/10GK103540891SQ201210237834
【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, 閆坤坤, 黃春 申請人:中國科學院微電子研究所