等離子噴涂工藝參數(shù)對(duì)高純氧化釔涂層性能的影響

萬(wàn)偉偉，夏春陽(yáng)，王 旭，國(guó)俊豐，李偉

（礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

低溫等離子體微細(xì)加工方法是光電子、微機(jī)械、集成電路等制備技術(shù)的基礎(chǔ)。在超大集成電路制造工藝中，等離子體干法刻蝕是實(shí)現(xiàn)微細(xì)圖形高保真地從光刻模板轉(zhuǎn)移到硅片上的不可替代的工藝。在等離子體干法刻蝕過(guò)程中，會(huì)生成大量的活性自由基，對(duì)刻蝕工藝腔的內(nèi)表面產(chǎn)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(lái)的刻蝕工藝腔內(nèi)表面的腐蝕會(huì)更加嚴(yán)重。高純氧化釔陶瓷涂層材料在Cl基和F基中具有非常穩(wěn)定的性質(zhì)，其對(duì)等離子體的耐受性是氧化鋁等傳統(tǒng)涂層材料的5-8倍，成為8英寸以上刻蝕機(jī)的優(yōu)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(xiàn)有技術(shù)下，涂層相結(jié)構(gòu)為立方相或夾雜單斜相，孔隙率為5.6%[2],涂層結(jié)合強(qiáng)度為5.7MPa。等離子噴涂工藝參數(shù)對(duì)涂層的性能有著重要的影響，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)整可以制備得到性能更優(yōu)的高純氧化釔涂層。

本文采用METCO UNICOAT F4等離子噴涂設(shè)備，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了等離子噴涂工藝參數(shù)對(duì)高純氧化釔涂層結(jié)合強(qiáng)度、孔隙率的影響規(guī)律，分析得出最佳噴涂工藝參數(shù)，以得到綜合性能最佳的涂層。

1 試驗(yàn)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(gè)工藝參數(shù)對(duì)涂層性能的影響，每個(gè)因素取三水平，見(jiàn)表1。

表1 因素水平設(shè)計(jì)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(duì)涂層進(jìn)行微觀組織形貌觀測(cè)，并對(duì)涂層孔隙率進(jìn)行分析；采用WDW-100A型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試；采用TIME 3200表面粗糙度儀對(duì)涂層表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試。

噴涂前對(duì)鋁合金樣品進(jìn)行除油，吹砂處理。噴涂工藝采用四因素三水平正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，共進(jìn)行9組噴涂試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)及其對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 噴涂工藝參數(shù)對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響

隨著刻蝕機(jī)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(duì)涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的要求越來(lái)越高。不同因素不同水平對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響如表3所示。

表3 不同因素不同水平對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響

涂層結(jié)合強(qiáng)度主要取決于涂層顆粒與基體材質(zhì)的機(jī)械嵌合作用，以及涂層內(nèi)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(nèi)部撕裂。所以本文認(rèn)定鋁合金基體上的高純氧化釔涂層結(jié)合強(qiáng)度主要是由涂層與基體接觸界面上的機(jī)械嵌合作用主導(dǎo)。在基體表面狀態(tài)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(shí)的速度和溫度，決定了這種嵌合作用的強(qiáng)弱。通過(guò)圖2～圖5可以分析出，涂層結(jié)合強(qiáng)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(jié)果可以看出，對(duì)結(jié)合強(qiáng)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(dāng)氫氣流速越大、噴涂功率越高時(shí)，噴涂射流的熱焓值越大，對(duì)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?zhàn)冃卧胶?。?dāng)氬氣流量越大，噴涂距離越遠(yuǎn)時(shí)，粒子加速越充分，撞擊到基體表面時(shí)鑲嵌效果越好，因此結(jié)合強(qiáng)度越好。但是當(dāng)材料粒子融化程度過(guò)大，平鋪在基體表面造成飛濺，嵌合能力反而會(huì)較弱。通過(guò)上述分析可以得出，結(jié)合強(qiáng)度最好的參數(shù)組合是A1B2C1D3。

圖2 氬氣流量對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響

圖3 氫氣流量對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響

圖4 功率對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響

圖5 噴涂距離對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響

2.2 噴涂工藝參數(shù)對(duì)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(guò)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(shù)對(duì)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(shù)對(duì)涂層孔隙率的影響

氧化釔粉末進(jìn)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(guò)圖6～圖9可以看出，隨著氬氣流量的增加涂層孔隙率越來(lái)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(guò)極差分析可以看出，對(duì)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(shù)組合為A3B2C3D1。

圖6 氬氣流量對(duì)孔隙率的影響

圖7 氫氣流量對(duì)孔隙率的影響

圖8 功率對(duì)涂層孔隙率的影響

圖9 噴距對(duì)涂層孔隙率的影響

3 試驗(yàn)結(jié)論

本文采用F4等離子噴涂系統(tǒng)在鋁合金基體上制備了高純氧化釔涂層，并通過(guò)四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了氬氣流量、氫氣流量、噴涂功率和噴涂距離對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率的影響規(guī)律，結(jié)論如下。

（1）涂層的結(jié)合強(qiáng)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??；隨著等離子功率的增加逐漸減??；隨著噴涂距離的增加逐漸增加。對(duì)結(jié)合強(qiáng)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(jié)合強(qiáng)度最好的參數(shù)組合是A1B2C1D3。

（2）涂層的孔隙率隨著氬氣流量的增加越來(lái)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。對(duì)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(shù)組合為A3B2C3D1。