專利名稱：納米氧化鋁基復合陶瓷涂層的用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及納米氧化鋁涂層技術，尤其涉及一種在高電壓環境中耐等離子體氣體腐蝕的納米氧化鋁基復合陶瓷涂層。
背景技術：
在半導體和LCD平板顯示器制備工業中廣泛使用的等離子刻蝕、真空沉積等設備，由于受到等離子體的嚴重腐蝕和以及日常的物理磨損，經常需要清理因腐蝕和磨損產生的殘渣顆粒。對設備的防護，傳統的方法是使用陽極氧化鋁鈍化膜以及燒結的陶瓷片。隨著硅片尺寸以及LCD平板顯示器的不斷增大，相關的制造裝備也變得越來越大，同時過程中使用的等離子體的功率也越來越高，對防護涂層的性能提出了更高的要求。傳統的方法對于腔體內壁和部件表面的防護變得越來越困難。當使用高功率的含氟等離子體時，氧化鋁鈍化膜的腐蝕速率就會大大加快，強烈的腐蝕作用會產生大量的微粒，導致設備需要進行頻繁的維護，同時由于顆粒掉到產品上造成成品率的降低。由于裝備尺寸的增大，大尺寸的燒結陶瓷片在制備技術上變得越來越困難，同時成本也大幅度提高。解決這個問題最有效的方法是采用熱噴涂陶瓷涂層技術。自上世紀90年代以來，熱噴涂納米氧化鋁涂層已經取得了快速發展。和傳統的方法相比，熱噴涂陶瓷涂層在技術和商業方面都有獨特的優勢 對裝備尺寸沒有限制、具有更好的抗等離子體腐蝕能力、更好的耐絕緣性能、可以制備厚度達幾百微米的厚涂層、成本相對較低。現有技術中，廣泛使用的熱噴涂陶瓷涂層材料是氧化鋁和氧化釔陶瓷，這兩種陶瓷對含氟的等離子體雖然有較好的防護作用，但仍然存在以下問題(1)涂層的絕緣性能較低。當前的陶瓷涂層通過用等離子噴涂技術制備，由于等離子噴涂技術本身的限制，制備的涂層通常致密度較差，氣孔率在3-5%，甚至更高。較低的致密度影響了涂層的絕緣性能， 這使得涂層容易被高電壓擊穿損壞，一般的零件涂層的耐擊穿電壓都在15KV/MM以下。同時，較高的氣孔率也加劇了等離子體的腐蝕。(2)出于高技術的需要，現在的等離子設備中使用的等離子體的功率越來越高，而且由于目前的等離子體普遍使用含氟氣體，因此對有關零件防護涂層的耐腐蝕性能提出了更高的要求。現有的氧化鋁或氧化釔涂層無法做到長期使用，如等離子體刻蝕設備的底極板涂層的使用壽命往往不到2年就需要更換。(3)與氧化鋁陶瓷材料相比，氧化釔陶瓷具有更好的抗等離子體腐蝕性能，但其原料成本高。
發明內容
本發明目的是，為克服現有技術中的不足，提供一種有優異的電絕緣和抗腐蝕性能的納米氧化鋁基復合陶瓷涂層，具有作為高壓環境中各種設備零件的抗含氟等離子體腐蝕的用途。本發明的目的通過以下方式實現。本發明的納米氧化鋁基復合陶瓷涂層的用途，所述納米氧化鋁基復合陶瓷涂層由熱噴涂方法制備得到，其涂層厚度在50ym-2mm ；所述納米氧化鋁基復合陶瓷涂層包含如下組分氧化鋁20-75wt%，氧化鋯10-40wt%，稀土氧化物10_60wt% ；其中稀土氧化物為氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合；其特征在于，該納米氧化鋁基復合陶瓷涂層具有M-29KV/MM的抗電擊穿能力和耐含氟等離子體腐蝕的用途。本發明的納米氧化鋁基復合陶瓷涂層，所述M-29KV/MM的抗電擊穿能力和耐含氟等離子體腐蝕的用途是指用作各類等離子設備中的零件表面的保護涂層，例如，等離子體刻蝕設備的底極板涂層、真空沉積設備的靜電夾盤等。當需要更大的抗擊穿電壓能力時， 可以通過加大陶瓷涂層的厚度實現。本發明的納米氧化鋁基復合陶瓷涂層，由如下熱噴涂方法制備得到
(1)配制氧化鋁基細粉料稱取組分氧化鋁、氧化鋯、稀土氧化物，然后將各組分混合并加入酒精進行濕法球磨IO-M小時，再烘干過篩，獲得粒度為20-100 μ m的粉料；所述氧化鋁的重量占總重量的20-75wt%，氧化鋯的重量占總重量的10-40wt%，稀土氧化物的重量占總重量的10-60 wt%;所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、 氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合；
(2)熱噴涂陶瓷涂層使用大氣等離子噴涂工藝或超音速火焰噴涂工藝將氧化鋁基細粉料噴涂到基體上，形成具有納米結構的氧化鋁基陶瓷涂層，該陶瓷涂層厚度在 50 μ m-2mm0本發明以氧化鋁、氧化鋯、稀土氧化物的粒度為20-100 μ m的氧化鋁基細粉料作為熱噴涂物料制備復合陶瓷涂層，取得了非常好的使用效果。由于所述氧化鋁基細粉料能形成三相低共熔點，經熱噴涂高溫火焰作用形成熔化充分、結構均勻致密的氧化鋁基玻璃結構。玻璃顆粒在冷卻過程中產生結晶析出納米晶粒，由于這種晶粒是從玻璃基質中直接析出的，晶粒細小，因此整個涂層完全是分布均勻的納米結構，而且由玻璃前驅體納米化得到的納米晶粒之間的晶界干凈，能顯著降低材料本征內應力，納米晶粒還有阻止材料微裂紋擴展的作用。相比現有的熱噴涂氧化鋁或氧化釔涂層，它還消除了由于團聚料的結構疏松所帶來的氣孔，同時，由于玻璃質熔點相對較低，其在熔融時有粘滯流動作用，這十分有利于形成更加致密的涂層。經檢測，本發明涂層氣孔率達到m以下。更叫人意想不到的是 高致密度也大大提高了涂層的絕緣性能。經檢測，納米氧化鋁基復合陶瓷涂層的擊穿電壓最高可達到四600 V/mm ；同時，高致密度、低內應力和低氣孔率還大大提高了其抗含氟等離子體腐蝕性能，。將其應用于干法刻蝕設備的底極板上，試用1年6個月后(經常性使用)，對涂層表面進行微粒檢查，發現3-5微米的顆粒僅為159顆，大于5微米的顆粒為87顆。由此可以看出，在各類等離子設備中，有關零件表面使用該陶瓷涂層，可以避免現有技術中需要頻繁進行維護、清理、更換的情況。下面結合實施例對本發明作進一步說明。
具體實施例方式實施例1 在干法刻蝕設備的底極板表面制備納米氧化鋁基復合陶瓷涂層
(1)配制氧化鋁基細粉料秤取50克氧化鋁、氧化鋯和氧化鑭混合粉料(重量百分配比是氧化鋁38. 6wt%，氧化鑭42. 和氧化鋯19wt%)，加入75毫升酒精和200克氧化鋁磨球，濕法球磨混合M小時，然后100°C下烘干，過100目篩得到氧化鋁基細粉料；(2)噴涂陶瓷涂層使用干法刻蝕設備的底極板作為基體材料進行涂層噴涂，噴涂前先對底極板進行噴砂處理，去除表面污染物并使表面粗糙化。噴涂使用大氣等離子噴涂設備， 把步驟(1)所得的氧化鋁基細粉料均勻噴涂到底極板上，噴涂參數為氬氣40 L/Min、氫氣 10 L/Min、電壓68V、電流650A，形成厚度為100-200 μ m的涂層。另外還同時噴涂了一塊 200 μ m左右的涂層，以作檢測比較用。用掃描電鏡(SEM)對本實施例獲得的底極板表面的涂層進行分析，結果顯示通過等離子噴涂方法得到的氧化鋁-氧化鋯-氧化鑭復合涂層具有納米結構，結構致密。噴涂涂層的底極板試用1年6個月后，對涂層表面進行微粒檢查，發現3-5微米的顆粒為159 顆，大于5微米的顆粒為87顆。大大低于不高于MOO顆的要求。實施例2: 在真空沉積設備的靜電夾盤(Electrostatic chuck)表面制備氧化鋁基復合陶瓷涂層
(1)配制氧化鋁基細粉料氧化鋁-氧化鋯-氧化釔復合材料作為原料，(重量百分配比是氧化鋁55. 8wt%,氧化釔28. 6wt%和氧化鋯15. 6wt%),并按照實施例1所述方法，進行球磨混合制粉得到氧化鋁基細粉料；
(2)噴涂陶瓷涂層按照實施例1所述方法，通過等離子噴涂方法將步驟(1)所得氧化鋁基細粉料噴涂到真空沉積設備的靜電夾盤表面上形成1000-1100 μ m的涂層。另外還同時噴涂了一塊200 μ m左右的涂層，以作檢測比較用。用掃描電鏡(SEM)對本實施例獲得的涂層進行分析，結果顯示通過等離子噴涂方法得到的氧化鋁-氧化鋯-氧化釔復合涂層具有納米結構，結構致密。實施例3 在干法刻蝕設備的腔體內表面制備納米氧化鋁復合陶瓷涂層
(1)配制氧化鋁基細粉料氧化鋁-氧化鋯-氧化釔復合材料作為原料，(重量百分配比是氧化鋁55. 8wt%,氧化釔28. 6wt%和氧化鋯15. 6wt%),并按照實施例1所述方法，進行球磨混合制粉得到氧化鋁基細粉料；
(2)噴涂陶瓷涂層以干法刻蝕設備的腔體內表面作為基體材料進行涂層噴涂，噴涂前對基體進行噴砂處理。噴涂使用超音速火焰噴涂(HVOF)設備，把步驟(1)所得的氧化鋁基粉料均勻噴涂到基體上，噴涂參數為氧氣240 L/Min、丙烷72 L/Min、壓縮空氣400 L/ Min,形成的涂層厚度1800-1900 μ m。另外還同時噴涂了一塊200 μ m左右的涂層，以作檢測比較用。用掃描電鏡(SEM)對本實施例獲得的涂層進行測試，結果顯示用超音速火焰噴涂方法制備的涂層具有納米結構，結構致密。為了比較，下面給出兩個對照例 對照例1
使用目前廣泛應用的商用氧化鋁粉末(SulzermetC0公司生產，Metco 105SFP)作為噴涂物料，按照實施例1步驟(2)所述方法進行熱噴涂，得到200 μ m左右的涂層。對照例2:
使用目前廣泛應用的商用氧化釔粉末(Praxair公司，Y0-118)作為噴涂物料，按照實施例1步驟(2)所述方法進行熱噴涂，得到200 μ m左右的涂層。對實施例1、2、3厚度為200 μ m左右的涂層和對照例1、2的涂層分別進行電絕緣性能測試，所用的儀器是直流高壓發生器(SD-DC200KV)。涂層的耐等離子體腐蝕性能使用反應性離子蝕刻設備(RIE)測試，具體測試條件為CF4氣體流量0. 054L/min, 02氣體流量0. 005L/min，腔體壓力5Pa，等離子功率80W。得到的數據記錄在表1 表 權利要求
1.一種納米氧化鋁基復合陶瓷涂層的用途，所述納米氧化鋁基復合陶瓷涂層由熱噴涂方法制備得到，其涂層厚度在50ym-2mm ；所述納米氧化鋁基復合陶瓷涂層包含如下組分 氧化鋁20-75wt%，氧化鋯10-40wt%，稀土氧化物10_60wt% ；其中稀土氧化物為氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合；其特征在于， 該納米氧化鋁基復合陶瓷涂層具有2419KV/MM的抗電擊穿能力和耐含氟等離子體腐蝕的用途。
2.如權利要求1的納米氧化鋁基復合陶瓷涂層的用途，其特征在于，所述納米氧化鋁基復合陶瓷涂層由熱噴涂方法制備得到是指(1)配制氧化鋁基細粉料稱取組分氧化鋁、氧化鋯、稀土氧化物，然后將各組分混合并加入酒精進行濕法球磨IO-M小時，再烘干過篩，獲得粒度為20-100 μ m的粉料；所述氧化鋁的重量占總重量的20-75wt%，氧化鋯的重量占總重量的10-40wt%，稀土氧化物的重量占總重量的10-60 wt%;所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、 氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合；(2)熱噴涂陶瓷涂層使用大氣等離子噴涂工藝或超音速火焰噴涂工藝將氧化鋁基細粉料噴涂到基體上，形成具有納米結構的氧化鋁基陶瓷涂層，該陶瓷涂層厚度在 50 μ m-2mm0
3.如權利要求1的納米氧化鋁基復合陶瓷涂層的用途，其特征在于，所述對_291^/匪的抗電擊穿能力和耐含氟等離子體腐蝕的用途是指用作各類等離子設備中的零件表面的保護涂層。
全文摘要
本發明涉及納米氧化鋁基涂層技術，具體涉及高電壓環境中耐等離子體氣體腐蝕的納米氧化鋁基復合陶瓷涂層。所述涂層由熱噴涂方法制備得到，其涂層厚度在50μm-2mm；它包含如下組分氧化鋁20-75wt%，氧化鋯10-40wt%，稀土氧化物10-60wt%；其中稀土氧化物為氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合；該納米氧化鋁基復合陶瓷涂層具有納米結構，結構致密，具有24-29KV/MM的抗電擊穿能力和抗含氟等離子體腐蝕的用途。在各類等離子設備中，有關零件表面使用該陶瓷涂層，可以避免需要頻繁進行維護、清理、更換的情況。
文檔編號C23C4/10GK102443753SQ201110392640
公開日2012年5月9日 申請日期2011年12月1日 優先權日2011年12月1日
發明者汪灝, 程敬卿 申請人:安徽禹恒材料技術有限公司