專利名稱：一種等離子噴涂制備碳化硼涂層的方法
技術領域：
本發明涉及等離子噴涂技術領域，具體涉及一種等離子噴涂制備碳化硼涂層的方法。
背景技術：
等離子體刻蝕是半導體制造工藝，微電子IC制造工藝以及微納制造工藝中的一種不可缺的技術。，它利用輝光放電產生包含等離子、電子等帶電粒子及具有高度化學活性的中性原子、分子和自由基的等離子來進行圖案轉印，是實現超大規模集成電路生產中的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。在超大規模集成電路制造工藝中，有近三分之一的工序是借助于等離子體加工完成的，如等離子體薄膜沉積、等離子體刻蝕及等離子體去膠等。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。它們對半導體器件進行刻蝕時，也會對鋁基的等離子刻蝕工藝腔的內表面產生腐蝕作用，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工藝腔的失效。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有限。隨著熱噴涂技術的發展，在鋁基板上噴涂純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，等離子刻蝕工藝腔內徑已經由400mm增加到500 600mm,相應的等離子體功率也越來越大,等離子體對刻蝕工藝腔壁的腐蝕也越來越大，使得在刻蝕的過程容易發生如下問題:(I)顆粒；(2)工藝腔壁涂層剝落，導致等離子體直接與鋁 基體發生作用；(3)Al2O3零部件的壽命受到更高功率的限制。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。相比于Y2O3,碳化硼(B4C)則更具潛力。其具有超硬、高熔點、密度低等一系列的優良物理性能。同時還有優異的化學穩定性，在常溫下不與酸、堿和大多數無機化合物反應，僅在氫氟酸-硫酸、氫氟酸-硝酸混合物中有緩慢的腐蝕，是化學性質最穩定的化合物之一。因此碳化硼是優良的抗腐蝕材料，用于耐酸、堿零部件的加工，并且不與大多數熔融金屬潤濕和發生作用。由于碳化硼材料與半導體工藝的兼容性好，因此非常適合用作半導體零部件的耐腐蝕涂層。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 33000K，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(I)和(2)反應，造成高溫氧化和分解化等問題。2B4C+702 — 4B203+2C0(I)xB4C — 4BXC+ (x-4) C(2)有研究采用一種特種保護技術，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
本發明提供了一種高質量、耐侵蝕的等離子噴涂制備碳化硼涂層的方法。具體技術方案由如下步驟實現:一種等離子噴涂制備碳化硼涂層的方法，包括如下步驟:步驟(I)，將碳化硼粉和碳粉均勻混合，將混合后的粉末送入等離子體噴涂設備；步驟(2)，對被噴涂的基材表面進行預處理；步驟(3)，通過所述等離子體噴涂設備在所述基材表面進行等離子噴涂，制備出碳化硼涂層。上述方案中，所述碳化硼粉和碳粉的添加量為100重量份的碳化硼粉和1-10重量份的碳粉。上述方案中，所 述碳粉為石墨粉。上述方案中，所述步驟(I)中的碳粉的粒度為5-40 μ m。上述方案中，所述步驟(2)中對被噴涂的基材表面進行預處理，具體包括如下步驟:對被噴涂的基材表面進行噴砂處理，并用丙酮清洗。上述方案中，所述噴砂處理采用的噴砂材料為白剛玉，噴砂粒度為50-100 μ m。上述方案中，所述步驟(3)中等離子體噴涂設備使用的離子氣體為Ar和He,或Ar和H2。上述方案中，當所述離子氣體為Ar和He時，Ar氣體的流量為40_90L/min，He氣體的流量為5-20L/min ;當所述離子氣體為Ar和H2時，Ar氣體的流量為40_90L/min，H2氣體的流量為5-20L/min。上述方案中，所述步驟(3)中等離子體噴涂設備的電弧電壓為40-90V，電弧電流為600-900A，送粉速度為1 5-100g/min，送粉角度50° -90°，噴涂距離60_140mm。本發明使用碳摻雜B4C粉等離子噴涂方法制備涂層，當射流噴出后，石墨粉不僅能優先和氧氣發生反應，避免B4C的氧化，而且碳的加入，抑制了 B4C的高溫分解，可降低甚至防止B4C在高溫下的C流失，獲得性能良好的B4C涂層，同時，碳摻雜不會在涂層中引入雜質元素，保證了涂層質量。且石墨粉的加入可增加粉的流動性，更有利于噴涂。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明進行進一步的詳細描述，給出的實施例僅為了闡明本發明，而不是為了限制本發明的范圍。本發明實施例提供一種等離子噴涂制備碳化硼涂層的方法，包括如下步驟:(I)選擇IOOg B4C粉末和5g石墨粉末混合均勻，粒度范圍為5-40 μ m,具有極佳的流動性。(2)對不需噴涂的鋁基材的刻蝕工藝腔部位進行遮蔽，然后對工藝腔內壁進行丙酮或酒精清洗，清洗后進行噴砂處理，噴砂材料為白剛玉，粒度范圍為50-100 μ m，并使用壓縮空氣噴射噴砂表面進行潔凈處理。(3)采用Sluzer Metco 9MC等離子噴涂設備進行等離子噴涂，噴槍類型9MB。噴涂氣體環境為 Ar/He 或 Ar/H2:Ar 流量 40_90L/min、He 流量 5_20L/min、H2 流量 5_20L/min。電弧電壓40 90V、電弧電流600-900A、送粉速度15_100g/min、噴涂距離60_140mm、送粉角度50° -90°、噴槍相對基底的掃描速度3-lOOmm/s。在噴涂過程中，采用壓縮空氣噴吹方法或者循環水冷方法來冷卻基體，冷卻氣體的流量為100-2000L/min，冷卻水的流量為10_500L/min。以上所述僅是本發明的較佳實施例，故凡依本發明專利申請范圍所述的構造、特征及原理所做的等效變化或修飾 ，均包括于本發明專利申請范圍內。
權利要求
1.一種等離子噴涂制備碳化硼涂層的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟(I)，將碳化硼粉和碳粉均勻混合，將混合后的粉末送入等離子體噴涂設備； 步驟(2)，對被噴涂的基材表面進行預處理； 步驟(3)，通過所述等離子體噴涂設備在所述基材表面進行等離子噴涂，制備出碳化硼涂層。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化硼粉和碳粉的添加量為100重量份的碳化硼粉和1-10重量份的碳粉。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述碳粉為石墨粉。
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟(I)中的碳粉的粒度為5-40 μ m0
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中對被噴涂的基材表面進行預處理，具體包括 如下步驟:對被噴涂的基材表面進行噴砂處理，并用丙酮清洗。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述噴砂處理采用的噴砂材料為白剛玉，噴砂粒度為50-100 μ m。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中等離子體噴涂設備使用的離子氣體為Ar和He，或Ar和H2。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，當所述離子氣體為Ar和He時，Ar氣體的流量為40-90L/min，He氣體的流量為5_20L/min ;當所述離子氣體為Ar和H2時，Ar氣體的流量為40-90L/min，H2氣體的流量為5_20L/min。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中等離子體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，送粉角度50° -90°，噴涂距離 60_140mm。
全文摘要
本發明提供了一種等離子噴涂制備碳化硼涂層的方法，包括如下步驟步驟(1)，將碳化硼粉和碳粉均勻混合，將混合后的粉末送入等離子體噴涂設備；步驟(2)，對被噴涂的基材表面進行預處理；步驟(3)，通過所述等離子體噴涂設備在所述基材表面進行等離子噴涂，制備出碳化硼涂層。本發明使用碳摻雜B4C粉等離子噴涂方法制備涂層，當射流噴出后，石墨粉不僅能優先和氧氣發生反應，避免B4C的氧化，而且碳的加入，抑制了B4C的高溫分解，可降低甚至防止B4C在高溫下的C流失，獲得性能良好的B4C涂層，同時，碳摻雜不會在涂層中引入雜質元素，保證了涂層質量，且石墨粉的加入可增加粉的流動性，更有利于噴涂。
文檔編號C23C4/10GK103194714SQ20121000192
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月5日 優先權日2012年1月5日
發明者王文東, 黃春, 閆坤坤, 夏洋 申請人:中國科學院微電子研究所