等离子喷涂工艺参数对高纯氧化钇涂层性能的影响

万伟伟，夏春阳，王 旭，国俊丰，李伟

（矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

低温等离子体微细加工方法是光电子、微机械、集成电路等制备技术的基础。在超大集成电路制造工艺中，等离子体干法刻蚀是实现微细图形高保真地从光刻模板转移到硅片上的不可替代的工艺。在等离子体干法刻蚀过程中，会生成大量的活性自由基，对刻蚀工艺腔的内表面产生腐蚀作用[1,2]。并且随着晶片尺寸的不断增大，需要等离子体的功率也不断升高，由此带来的刻蚀工艺腔内表面的腐蚀会更加严重。高纯氧化钇陶瓷涂层材料在Cl基和F基中具有非常稳定的性质，其对等离子体的耐受性是氧化铝等传统涂层材料的5-8倍，成为8英寸以上刻蚀机的优选涂层材料[3-6]。目前制备高纯氧化钇涂层的主要工艺为等离子喷涂工艺，现有技术下，涂层相结构为立方相或夹杂单斜相，孔隙率为5.6%[2],涂层结合强度为5.7MPa。等离子喷涂工艺参数对涂层的性能有着重要的影响，通过对工艺参数的调整可以制备得到性能更优的高纯氧化钇涂层。

本文采用METCO UNICOAT F4等离子喷涂设备，通过正交试验设计，研究了等离子喷涂工艺参数对高纯氧化钇涂层结合强度、孔隙率的影响规律，分析得出最佳喷涂工艺参数，以得到综合性能最佳的涂层。

1 试验方法

本文在铝合金基体上，采用METCO F4等离子喷枪喷涂样品，主要考察氩气流量、氢气流量、喷涂功率、喷涂喷距四个工艺参数对涂层性能的影响，每个因素取三水平，见表1。

表1 因素水平设计表

粉末材料采用99.99%纯度的球形氧化钇，粉末D50为32～38微米，粉末形貌如图1所示。

图1 高纯氧化钇粉末形貌

采用HITACHI S-3500N型扫描电镜对涂层进行微观组织形貌观测，并对涂层孔隙率进行分析；采用WDW-100A型微机控制电子式万能试验机对涂层结合强度进行测试；采用TIME 3200表面粗糙度仪对涂层表面粗糙度进行测试。

喷涂前对铝合金样品进行除油，吹砂处理。喷涂工艺采用四因素三水平正交试验法设计试验，共进行9组喷涂试验。试验参数及其对应试验结果如表2所示。

表2 正交试验参数及结果

2 试验结果与分析

2.1 喷涂工艺参数对涂层结合强度的影响

随着刻蚀机使用的等离子体功率不断提高，腔体部件受到的冲击力逐渐增大，对涂层与基体结合强度的要求越来越高。不同因素不同水平对涂层结合强度的影响如表3所示。

表3 不同因素不同水平对涂层结合强度的影响

涂层结合强度主要取决于涂层颗粒与基体材质的机械嵌合作用，以及涂层内部层间的作用力，涂层脱落主要是涂层与铝合金基体界面之间脱离，而不是涂层本身内部撕裂。所以本文认定铝合金基体上的高纯氧化钇涂层结合强度主要是由涂层与基体接触界面上的机械嵌合作用主导。在基体表面状态一致的情况下，氧化钇粉末颗粒随高速射流冲击到基体表面时的速度和温度，决定了这种嵌合作用的强弱。通过图2～图5可以分析出，涂层结合强度随着氩气流量的增加先小幅减小后快速增大，随氢气流量的增加先增大后减小，随着等离子功率的增加逐渐减小，随着喷涂距离的增加逐渐增加。从极差分析结果可以看出，对结合强度影响最大的因素是氢气流量，其次是喷涂功率、喷距和氩气流量。当氢气流速越大、喷涂功率越高时，喷涂射流的热焓值越大，对粉末材料输入的能量越大，粉末颗粒融化效果越好，颗粒平铺变形越好。当氩气流量越大，喷涂距离越远时，粒子加速越充分，撞击到基体表面时镶嵌效果越好，因此结合强度越好。但是当材料粒子融化程度过大，平铺在基体表面造成飞溅，嵌合能力反而会较弱。通过上述分析可以得出，结合强度最好的参数组合是A1B2C1D3。

图2 氩气流量对结合强度的影响

图3 氢气流量对结合强度的影响

图4 功率对结合强度的影响

图5 喷涂距离对结合强度的影响

2.2 喷涂工艺参数对涂层孔隙率的影响

涂层孔隙率的大小直接决定了涂层在抗等离子体腐蚀过程中的寿命。涂层孔隙率越小代表涂层越致密，涂层的抗腐蚀寿命就越高。不同因素不同水平的工艺参数对涂层孔隙率的影响如表4所示。

表4 不同因素水平工艺参数对涂层孔隙率的影响

氧化钇粉末进入等离子射流中，随着飞行距离的增加，飞行速度先增加后减小，粒子表面温度先增加后减小。获得能量的粉末粒子在高速射流中熔融，撞击到基体表面，充分延展，平铺堆叠效果越好，则得到的涂层孔隙率就越小。通过图6～图9可以看出，随着氩气流量的增加涂层孔隙率越来越小，随着氢气流量的增加，涂层孔隙率先减小后略有增加，随着喷涂功率的增加涂层孔隙率迅速减小，随着喷涂距离的增加，涂层孔隙率先增大后减小。通过极差分析可以看出，对涂层孔隙率影响最大的因素是喷涂距离,其次是氢气流量、氩气流量、功率。获得最佳涂层孔隙率的参数组合为A3B2C3D1。

图6 氩气流量对孔隙率的影响

图7 氢气流量对孔隙率的影响

图8 功率对涂层孔隙率的影响

图9 喷距对涂层孔隙率的影响

3 试验结论

本文采用F4等离子喷涂系统在铝合金基体上制备了高纯氧化钇涂层，并通过四因素三水平正交试验设计，研究了氩气流量、氢气流量、喷涂功率和喷涂距离对涂层结合强度和孔隙率的影响规律，结论如下。

（1）涂层的结合强度随着氩气流量的增加先小幅减小后快速增大；随氢气流量的增加先增大后减小；随着等离子功率的增加逐渐减小；随着喷涂距离的增加逐渐增加。对结合强度影响最大的因素是氢气流量，其次是喷涂功率、喷距和氩气流量。结合强度最好的参数组合是A1B2C1D3。

（2）涂层的孔隙率随着氩气流量的增加越来越小；随着氢气流量的增加，涂层孔隙率先减小后略有增加；随着喷涂功率的增加涂层孔隙率迅速减小，随着喷涂距离的增加，涂层孔隙率先增大后减小。对涂层孔隙率影响最大的因素是喷涂距离,其次是氢气流量、氩气流量、功率。获得最佳涂层孔隙率的参数组合为A3B2C3D1。