(57)【要約】  物品の上にイットリウム含有酸化物のプラズマ溶射されたコーティングを施すための最適化された方法において、プラズマ溶射システム用に約８９〜９１ｋＷの間のプラズマ電力が選択される。ガスが、約１１５〜１３０Ｌ／分の選択されたガス流量でプラズマ溶射システムを通して流される。イットリウム含有酸化物を含むセラミックス粉末が、約１０〜３０ｇ／分の選択された粉末供給速度でプラズマ溶射システム内に供給される。その後、イットリウムが支配的なセラミックスコーティングが、選択された電力、選択されたガス流量、及び選択された粉末供給速度に基づいて、物品上に形成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ溶射システム用に約８９〜９１ｋＷの間のプラズマ電力を選択する工程と、
約１１５〜１３０Ｌ／分の選択されたガス流量でプラズマ溶射システムを通してガスを流す工程と、
約１０〜３０ｇ／分の選択された粉末供給速度でプラズマ溶射システム内にイットリウム含有酸化物を含む粉末を供給する工程と、
選択された電力、選択されたガス流量、及び選択された粉末供給速度に基づいて、基板上にセラミックスコーティングを形成する工程を含む方法。
【請求項２】
プラズマ溶射システムのノズルと基板の間の距離を約１００ｍｍに設定する工程を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
銃の移動速度を約５００ｍｍ／秒に設定する工程と、
銃の移動ピッチを約２ｍｍに、銃の角度を約４５〜９０度に設定する工程を含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
銃の電流を約１３０〜１５０Ａに、銃の電圧を約３８０〜３００Ｖに設定する工程を含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
セラミックスコーティングは、約７〜１７％の割合の部分的に溶融した表面小塊を有する請求項１記載の方法。
【請求項６】
セラミックスコーティングは、約１．５％未満の空孔率を有する請求項１記載の方法。
【請求項７】
セラミックスコーティングは、６時間を超えるＨＣｌバブル時間を有する請求項１記載の方法。
【請求項８】
セラミックスコーティングは、約７００Ｖ／ミルの絶縁破壊電圧を有する請求項１記載の方法。
【請求項９】
セラミックスコーティングはイットリアコーティングであり、粉末はイットリアからなる請求項１記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つの面の上にセラミックスコーティングを有する物品であって、コーティングは、
プラズマ溶射システム用に約８９〜９１ｋＷの間のプラズマ電力を選択する工程と、
約１１５〜１３０Ｌ／分の選択されたガス流量でプラズマ溶射システムを通してガスを流す工程と、
約１０〜３０ｇ／分の選択された粉末供給速度でプラズマ溶射システム内にイットリウム含有酸化物を含む粉末を供給する工程と、
選択された電力、選択されたガス流量、及び選択された粉末供給速度に基づいて、物品の少なくとも１つの面の上にセラミックスコーティングを形成する工程を含むプロセスによって施された物品。
【請求項１１】
プロセスが、
プラズマ溶射システムのノズルと基板との間の距離を約１００ｍｍに設定する工程と、
銃の移動速度を約５００ｍｍ／秒に設定する工程と、
銃の移動ピッチを約２ｍｍに、銃の角度を約４５〜６０度に設定する工程を含む請求項１０記載の物品。
【請求項１２】
セラミックスコーティングは、約７〜１７％の割合の部分的に溶融した表面小塊を有する請求項１０記載の物品。
【請求項１３】
セラミックスコーティングは、約１．５％未満の空孔率を有する請求項１０記載の物品。
【請求項１４】
セラミックスコーティングは、約７００Ｖ／ミルの絶縁破壊電圧を有する請求項１０記載の物品。
【請求項１５】
セラミックスコーティングはイットリアコーティングであり、粉末はイットリアからなる請求項１０記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、概して、セラミックスコーティングされた物品に関し、及び基板にセラミックスコーティングを基板に施すためのプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業では、ますます減少するサイズの構造を作る多くの製造プロセスによって、デバイスは製造される。いくつかの製造プロセス（例えば、プラズマエッチングプロセスやプラズマ洗浄プロセス）は、基板をエッチング又は洗浄するためにプラズマの高速流に基板を曝露させる。プラズマは非常に腐食性があり、プラズマに曝露される処理チャンバ及び他の表面を腐食する可能性がある。この腐食は、デバイスの欠陥に寄与する、処理されている基板をしばしば汚染する粒子を生成する場合がある。
【０００３】
デバイスの幾何学形状が縮小するにつれて、欠陥への感受性は増加し、粒子汚染物質の要件はより厳しくなる。したがって、デバイスの幾何学形状が縮小するにつれて、粒子汚染の許容レベルは低下する可能性がある。プラズマエッチングプロセス及び／又はプラズマ洗浄プロセスによって導入される粒子汚染を最小限にするために、プラズマに耐性のあるチャンバ材料が開発されている。異なる材料は、異なる材料特性（例えば、耐プラズマ性、剛性、曲げ強度、耐熱衝撃性など）を提供する。また、異なる材料は、異なる材料コストを有する。したがって、いくつかの材料は、優れた耐プラズマ性を有し、他の材料は、より低いコストを有し、更に他の材料は、優れた曲げ強度及び／又は耐熱衝撃性を有する。
【発明の概要】
【０００４】
一実施形態では、セラミックスコーティングされた物品は、基板と、基板上のセラミックスプラズマ溶射コーティングを含む。セラミックスコーティングされた物品を製造するために、プラズマ銃電力、粉末供給速度、及びキャリアガスが決定され、伝導性基板がセラミックスコーティングでプラズマ溶射コーティングされる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明は、添付図面の図の中で、限定としてではなく、例として示され、同様の参照符号は同様の要素を示す。この開示における「一」又は「１つの」実施形態への異なる参照は、必ずしも同じ実施形態への参照ではなく、そのような参照は、少なくとも１つを意味することに留意すべきである。
【図１】本発明の一実施形態に係る、製造システムの例示的なアーキテクチャを示す。
【図２】基板上でプラズマエッチングを実行するためのシステムの一実施形態を示す。
【図３】誘電体エッチングコンポーネント、又は腐食性のあるシステム内で使用される他の物品にコーティングをプラズマ溶射するためのシステムを示す。
【図４】本開示の実施形態に係る、コーティングされた物品を製造するためのプロセスを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係る、セラミックスコーティングされた物品のサンプルの一対の顕微鏡写真を示す。
【図６】様々なプラズマ溶射パラメータを使用して作成されたセラミックスコーティングの断面側面図を示す。
【図７】様々なプラズマ溶射パラメータを使用して作成されたセラミックスコーティングの追加の断面側面図を示す。
【図８】セラミックスコーティングの上面顕微鏡写真を示す。
【図９】セラミックスコーティングの追加の上面顕微鏡写真を示す。
【図１０】異なるコーティング角度及び供給速度を用いて製造されたセラミックスコーティングの上面顕微鏡写真を示す。
【図１１】様々な入力パラメータを用いたセラミックスコーティングの断面顕微鏡写真を示す。
【図１２】様々な入力パラメータを用いたセラミックスコーティングの断面顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本開示の実施形態は、セラミックスコーティングで物品をコーティングするためのプロセスに向けられている。一実施形態では、物品は粗面化され、その後、セラミックスコーティングでコーティングされる。粗面化及びコーティングのためのパラメータは、セラミックスコーティングの基板への密着強度を最大にするように最適化することができるので、物品からセラミックスコーティングの将来的な剥離を低減することができる。プラズマ溶射プロセスの最適化は、プラズマ電力（電圧と電流の副産物）の最適化、一次及び二次ガス流量、粉末サイズ及び粉末材料組成、及び／又は粉末供給速度を含むことができる。他の最適化されるパラメータは、銃の距離、銃の移動速度、銃の移動ピッチなどを含むことができる。
【０００７】
物品のセラミックスコーティングは、プラズマエッチングに対して高い耐性をもつことができ、基板は、優れた機械的特性（例えば、高い曲げ強度及び高い耐熱衝撃性）を有することができる。コーティングされたセラミックス物品の性能特性は、比較的高い加熱能力、比較的長い寿命、及び低いウェハ上の粒子及び金属汚染を含むことができる。
【０００８】
本明細書中で「約」及び「およそ」という用語が使用される場合、これらは提示された公称値が±１０％以内で正確であることを意味することを意図している。本明細書に記載される物品は、プラズマに曝露される構造（例えば、（プラズマエッチングリアクタとしても知られる）プラズマエッチング装置用のチャンバコンポーネント）であることができる。例えば、物品は、プラズマエッチング装置、プラズマ洗浄装置、プラズマ推進システムなどの壁、土台、ガス分配板、シャワーヘッド、基板保持枠などであってもよい。
【０００９】
更に、実施形態は、プラズマリッチのプロセス用のプロセスチャンバ内で使用された場合に、粒子汚染を低減させることができるセラミックスコーティングされた物品を参照して本明細書で説明されている。しかしながら、本明細書で論じられるセラミックスコーティングされた物品はまた、他のプロセス用のプロセスチャンバ（例えば、非プラズマエッチング装置、非プラズマ洗浄装置、化学蒸着（ＣＶＤ）チャンバ、物理蒸着（ＰＶＤ）チャンバなど）で使用する場合も、低減した粒子汚染を提供することができることを理解すべきである。更に、本明細書で論じられるセラミックスコーティングされたリング及びセラミックスコーティングされた石英は、で使用してもよいことを理解すべきである。更に、いくつかの実施形態は、高機能材料（ＨＰＭ）セラミックスコーティング（後述）を参照して説明される。しかしながら、実施形態は、他の耐プラズマ性セラミックス（例えば、他のイットリウム含有セラミックス）に等しく当てはまることが理解されるべきである。
【００１０】
図１は、製造システム１００の例示的なアーキテクチャを示す。製造システム１００は、セラミックスの製造システムであってもよい。一実施形態では、製造システム１００は、機器自動化レイヤー１１５に接続された処理機器１０１を含む。処理機器１０１は、ビーズブラスター１０２、１以上の湿式洗浄装置１０３、セラミックスコータ１０４及び／又は１以上のグラインダ１０５を含むことができる。製造システム１００は、機器自動化レイヤー１１５に接続された１以上のコンピューティングデバイス１２０を更に含むことができる。代替の実施形態では、製造システム１００は、より多くの又はより少ない構成要素を含むことができる。例えば、製造システム１００は、機器自動化レイヤー１１５又はコンピューティングデバイス１２０なしで、手動操作（例えば、オフライン）の処理機器１０１を含んでもよい。
【００１１】
ビーズブラスター１０２は、物品（例えば、アーティクル）の表面を粗面化するように構成された機械である。ビーズブラスター１０２は、ビーズブラストキャビネット、ハンドヘルドビーズブラスター、又は他のタイプのビーズブラスターであってもよい。ビーズブラスター１０２は、ビーズ又は粒子を基板に衝突させることによって、基板を粗面化することができる。一実施形態では、ビーズブラスター１０２は、基板にセラミックスビーズ又は粒子を発射する。ビーズブラスター１０２によって達成された粗さは、ビーズを発射するために使用される力、ビーズ材料、ビーズサイズ、基板からのビーズブラスターの距離、処理時間などに基づく可能性がある。一実施形態では、ビーズブラスターは、セラミックス物品を粗面化するために、ある範囲のビーズサイズを使用する。
【００１２】
代替の実施形態では、ビーズブラスター１０２ではなく他のタイプの表面粗面化装置が使用されてもよい。例えば、電動砥粒（研磨）パッドを用いて、セラミックス基板の表面を粗面化してもよい。サンダーは、砥粒パッドを物品の表面に押し付けながら砥粒パッドを回転または振動させることができる。砥粒パッドにより達成される粗さは、印加された圧力、振動又は回転速度、及び／又は砥粒パッドの粗さに依存する可能性がある。
【００１３】
湿式洗浄装置１０３は、湿式洗浄プロセスを使用して物品（例えば、アーティクル）を洗浄する洗浄装置である。湿式洗浄装置１０３は、基板を洗浄するために基板を浸漬させる液体で満たされた湿式浴を含む。湿式洗浄装置１０３は、洗浄効果を向上させるために、洗浄中に超音波を用いて湿式浴を撹拌することができる。本明細書では、これを湿式浴の超音波処理と呼ぶ。
【００１４】
他の実施形態では、代替のタイプの洗浄装置（例えば、乾式洗浄装置）を使用して、物品を洗浄してもよい。乾式洗浄装置は、熱を印加する、ガスを印加する、プラズマを印加するなどによって、物品を洗浄することができる。
【００１５】
セラミックスコータ１０４は、基板の表面にセラミックスコーティングを施すように構成された機械である。一実施形態では、セラミックスコータ１０４は、セラミックス基板上にセラミックスコーティングをプラズマ溶射するプラズマ溶射装置である。代替の実施形態では、セラミックスコータ１０４は、他の熱溶射技術を適用することができる（例えば、デトネーション溶射、ワイヤアーク溶射、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射、フレーム溶射、ウォームスプレー及びコールドスプレーを使用することができる）。更に、セラミックスコータ１０４は、他のコーティングプロセスを実行してもよい（例えば、セラミックスコーティングを形成するために、エアロゾルデポジション法、電気めっき、物理蒸着（ＰＶＤ）や化学蒸着（ＣＶＤ）を使用することができる）。
【００１６】
グラインダ１０５は、物品の表面を研削及び／又は研磨する砥粒ディスクを有する機械である。グラインダ１０５は、研磨／研削システム（例えば、荒ラッピングステーション、化学機械平坦化（ＣＭＰ）装置など）を含むことができる。グラインダ１０５は、基板を保持するプラテンと、回転しながら基板に押圧される砥粒ディスク又は研磨パッドを含むことができる。
【００１７】
これらのグラインダ１０５は、セラミックスコーティングの表面を研削し、これによってセラミックスコーティングの粗さを低下させ、及び／又はセラミックスコーティングの厚さを減少させる。グラインダ１０５は、複数の工程でセラミックスコーティングを研削／研磨することができ、各々の工程は、（例えば、ＣＭＰが使用される場合）わずかに異なる粗さ及び／又は異なるスラリーを有する砥粒パッドを使用する。例えば、高い粗さを有する第１砥粒パッドを用いて、セラミックスコーティングをすばやく所望の厚さまで研削することができ、低い粗さを有する第２砥粒パッドを用いて、セラミックスコーティングを所望の粗さに研磨することができる。
【００１８】
機器自動化レイヤー１１５は、製造機械１０１の一部又は全部をコンピューティングデバイス１２０と、他の製造機械と、計測ツール及び／又は他のデバイスと相互接続することができる。機器自動化レイヤー１１５は、ネットワーク（例えば、位置エリアネットワーク（ＬＡＮ））、ルータ、ゲートウェイ、サーバ、データストアなどを含むことができる。製造機械１０１は、ＳＥＭＩ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｓｔａｎｄａｒｄ／Ｇｅｎｅｒｉｃ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｍｏｄｅｌ（ＳＥＣＳ／ＧＥＭ）インタフェースを介して、イーサネット（登録商標）インタフェースを介して、及び／又は他のインタフェースを介して、機器自動化レイヤー１１５に接続することができる。一実施形態では、機器自動化レイヤー１１５は、プロセスデータ（例えば、プロセス実行中に製造機械１０１によって収集されたデータ）をデータストア（図示せず）に保存可能にする。代替の一実施形態では、コンピューティングデバイス１２０は、１以上の製造機械１０１に直接接続する。
【００１９】
一実施形態では、一部又は全部の製造機械１０１は、プロセスレシピをロード、ストア、及び実行することができるプログラマブルコントローラを含む。プログラマブルコントローラは、製造機械１０１の温度設定、ガス及び／又は真空の設定、時間の設定等を制御することができる。プログラマブルコントローラは、メインメモリ（例えば、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）など）、及び／又は二次メモリ（例えば、データ記憶装置（例えば、ディスクドライブ））を含むことができる。メインメモリ及び／又は二次メモリは、本明細書に記載の熱処理プロセスを実行するための命令を記憶することができる。
【００２０】
プログラマブルコントローラはまた、メインメモリ及び／又は二次メモリに（例えば、バスを介して）結合された処理デバイスを含み、これによって命令を実行することができる。処理デバイスは、汎用処理デバイス（例えば、マイクロプロセッサ、中央処理装置等）であってもよい。処理デバイスはまた、専用処理デバイス（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ネットワークプロセッサ等）であってもよい。一実施形態では、プログラマブルコントローラは、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）である。
【００２１】
一実施形態では、製造機械１０１は、製造機械に基板を粗面化させる、基板及び／又は物品を洗浄させる、物品をコーティングさせる、及び／又は物品を加工（例えば、研削又は研磨）させるレシピを実行するようにプログラミングされている。一実施形態では、製造機械１０１は、図４を参照して説明されるように、セラミックスコーティングされた物品を製造するための複数工程のプロセスの操作を実行するレシピを実行するようにプログラミングされている。コンピューティングデバイス１２０は、製造機械１０１にダウンロードすることができる１以上のセラミックスコーティングのレシピ１２５を格納し、これによって製造機械１０１に本開示の実施形態に係るセラミックスコーティングされた物品を製造させることができる。
【００２２】
図２は、基板２０４上でプラズマエッチングを実行するためのシステム２００の一実施形態を示す概略ブロック図である。システム２００は、一実施形態では、誘電体エッチングシステム（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、又は平行板構成を利用するプラズマエッチングシステム）である。システム２００は、化学的に反応性プラズマを実行し、これによって基板２０４又はウェハ上に堆積された材料を除去する。システムはまた、導体エッチングシステムであることができる。通常、誘電体エッチングシステムは、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）であり、導体エッチングシステムは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）である。
【００２３】
システム２００は、シャワーヘッド２０２の下方に基板２０４が位置する真空チャンバ２０６を含む。シャワーヘッド２０２は、下部電極２０８と共に、基板２０４の表面へ向かってガスからイオンを加速する電場を作る電極として機能する。ガスは、シャワーヘッド２０２内に形成された入口を通ってシステム２００へ入る。ガスの種類と量は、エッチングプロセスに依存し、イオンプラズマは、ＲＦ信号発生器２１０によって駆動されたＲＦ給電された磁場によってガスから生成することができる。
【００２４】
シャワーヘッド２０２と電極２０８との間の大きな電圧差のために、イオン及び電子は、基板２０４及びそれらが基板２０４に衝突する電極２０８へ向かってドリフトし、基板２０４にエッチングを引き起こす。イオンは、基板２０４と化学的に反応する。しかしながら、イオンの速度のため、いくつかのイオンは、システム２００の様々なコンポーネントへ向かって跳ね返り、時間の経過と共に、様々なコンポーネントと反応し、様々なコンポーネントを腐食する可能性がある。したがって、一実施形態では、様々なコンポーネントは、コンポーネントを保護し、コンポーネントの有用寿命を延ばすために、（シャワーヘッド上のコーティングとして例として与えられた）セラミックスコーティング２１２によって覆うことができる。セラミックスコーティングは、更に、プラズマエッチングプロセス（例えば、フッ素ガスを使用するもの）に対して、ＡｌＦ及び／又は他の反応物の形成をブロックすることができる。
【００２５】
コーティング２１２は、プラズマ溶射されたセラミックス（例えば、Ｙ２Ｏ３（イットリア又は酸化イットリウム）、Ｙ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ）、石英、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＳｉＮ（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＴｉＯ２（チタニア）、ＺｒＯ２（ジルコニア）、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＺｒＣ（炭化ジルコニウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｙ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）等）から形成することができる。コーティング２１２はまた、セラミックス複合材料（例えば、ＡＧ−１０００（Ａｌ２Ｏ３−ＹＡＧ固溶体）又はＳｉＣ−Ｓｉ３Ｎ４固溶体）であってもよい。コーティング２１２は、別の一実施形態では、物品２０２の上の高機能材料（ＨＰＭ）コーティングである。例えば、ＨＰＭコーティングは、化合物Ｙ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ）と固溶体Ｙ２−ｘＺｒｘＯ３（Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２固溶体）で構成してもよい。なお、純粋な酸化イットリウム並びに酸化イットリウム含有固溶体は、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２、Ｓｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、又は他の酸化物のうちの１以上でドープしてもよいことに留意すべきである。なお、セラミックスコーティングは、シャワーヘッド２０２上に示されているが、システム２００の他のコンポーネントが、シャワーヘッド２０２の代わりに、又はそれに加えて、セラミックスコーティングを含んでもよいことに留意すべきである。
【００２６】
セラミックスコーティング２１２は、セラミック粉末又はセラミック粉末の混合物から製造することができる。例えば、イットリアコーティングは、イットリア粉末から製造することができる。同様に、ＨＰＭセラミックス複合材料は、Ｙ２Ｏ３粉末、ＺｒＯ２粉末、及びＡｌ２Ｏ３粉末の混合物から製造することができる。一実施形態では、ＨＰＭセラミックス複合材料は、７７重量％のＹ２Ｏ３、１５重量％のＺｒＯ２、及び８重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。別の一実施形態では、ＨＰＭセラミックス複合材料は、６３重量％のＹ２Ｏ３、２３重量％のＺｒＯ２、及び１４重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。更に別の一実施形態では、ＨＰＭセラミックス複合材料は、５５重量％のＹ２Ｏ３、２０重量％のＺｒＯ２、及び２５重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。相対的な割合は、モル比及び原子比であってもよい。例えば、ＨＰＭセラミックス複合材料は、６３モル％のＹ２Ｏ３、２３モル％のＺｒＯ２、及び１４モル％のＡｌ２Ｏ３を含むことができる。これらのセラミックス粉末の他の配分でも、ＨＰＭ材料用に使用することができる。
【００２７】
セラミックスコーティング２１２は、約１２０〜１８０℃の範囲の動作温度を許容することによって、より高い熱誘電体エッチングを可能にすることができる。また、セラミックスコーティング２１２は、セラミックスコーティング２１２の耐プラズマ性と、ウェハ上又は基板の汚染の減少のため、より長い耐用年数を可能にする。有利なことに、いくつかの実施形態では、コーティングされる基板の寸法に影響を与えることなく、セラミックスコーティング２１２を剥離及び再コーティングすることができる。
【００２８】
図３は、誘電体エッチングコンポーネント、又は腐食性のあるシステムで使用される他の物品上にコーティングをプラズマ溶射するためのシステム３００を示す。システム３００は、溶射システムの一種である。プラズマ溶射システム３００では、アーク３０２が、間にガスが流れる２つの電極３０４の間に形成される。プラズマ溶射システム３００で使用するのに適したガスの例としては、アルゴン／水素又はアルゴン／ヘリウムが挙げられるが、これらに限定されない。ガスはアーク３０２によって加熱されるので、ガスは膨張し、成形されたノズル３０６を通して加速され、高速プラズマ流を生成する。
【００２９】
激しい温度は粉末を溶融し、物品３１０に向けて材料を推進させるプラズマスプレー又はトーチ内に、粉末３０８が注入される。物品３１０と衝突するとすぐに、溶融した粉末は平らになり、急速に固化し、セラミックスコーティング３１２を形成する。溶融した粉末は、物品３１０に固着する。セラミックスコーティング３１２の厚さ、密度、及び粗さに影響を与えるパラメータは、粉末の種類、粉末のサイズ分布、粉末供給速度、プラズマガス組成、ガス流量、エネルギー入力、トーチオフセット距離、及び基板冷却を含む。最適化されたパラメータによるプラズマ溶射プロセスは、以下でより詳細に議論される。
【００３０】
図４は、本開示の実施形態に係る、コーティングされた物品を製造するためのプロセス４００を示すフローチャートである。プロセス４００の工程は、反応性イオンエッチング又はプラズマエッチングシステム内で使用することができる、上記のような物品又は基板のコーティングを参照して説明される。
【００３１】
ブロック４０１では、基板が、コーティングのために準備される。基板は、金属基板（例えば、アルミニウム、銅、マグネシウム、又は他の金属又は金属合金）であってもよい。基板はまた、セラミックス基板（例えば、アルミナ、イットリア、又は他のセラミックス又はセラミックスの混合物）であってもよい。基板を準備する工程は、基板を所望の形状に成形する工程、基板を研削する、ブラストする、又は研磨する工程を含み、これによって特定の表面粗さを提供する、及び／又は基板をクリーニングすることができる。
【００３２】
ブロック４０２では、セラミックスコーティングをプラズマ溶射するための最適な粉末特性が選択される。一実施形態では、粉末に対して最適な粉末種類と最適な粉末サイズ分布が選択される。一実施形態では、粉末タイプは、ＨＰＭコーティングを生成するように選択することができる。例えば、粉末タイプには、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３のモル百分率を変えることを含むことができる。一実施形態では、凝集粉末の１０％（Ｄ１０）は１０μｍ未満のサイズを有し、凝集粉末の５０％（Ｄ５０）は２０〜３０μｍのサイズを有し、凝集粉末の９０％（Ｄ９０）は５５μｍ未満のサイズを有する、最適化された凝集粉末のサイズ分布が選択される。別の一実施形態では、粉末タイプは、イットリアコーティングを生成するように選択することができる。
【００３３】
特定の組成、純度、及び粒子サイズを有する原料セラミックス粉末が選択される。セラミックス粉末は、Ｙ２Ｏ３、Ｙ４Ａｌ２Ｏ９、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ）、又は他のイットリア含有セラミックスで形成することができる。また、セラミックス粉末は、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ２、Ｓｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、又は他の酸化物のうちの１以上でドープすることができる。
【００３４】
その後、原料セラミックス粉末は混合される。一実施形態では、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３の原料セラミックス粉末が共に混合される。これらの原料セラミックス粉末は、一実施形態では、９９．９％以上の純度を有することができる。原料セラミックス粉末は、例えば、ボールミルを用いて混合することができる。原料セラミックス粉末は、約１００ｎｍ〜２０μｍの範囲内の粉末サイズを有することができる。一実施形態では、原料セラミックス粉末は、約５μｍの粉末サイズを有する。
【００３５】
セラミックス粉末を混合した後、それらは特定の焼成時間及び温度で焼成することができる。一実施形態では、約１２００〜１６００℃（例えば、一実施形態では１４００℃）の焼成温度で、約２〜５時間（例えば、一実施形態では３時間）の焼成時間が使用される。混合粉末を吹き付け乾燥させた顆粒の粒子サイズは、一実施形態では約３０μｍのサイズ分布を有することができる。
【００３６】
一実施形態では、セラミックスコーティングは、Ｙ２Ｏ３粉末から製造される。セラミックスコーティングはまた、Ｙ２Ｏ３粉末とＡｌ２Ｏ３の組み合わせからも製造することができる。あるいはまた、セラミックスコーティングは、Ｙ２Ｏ３粉末、ＺｒＯ２粉末、及びＡｌ２Ｏ３粉末の混合物から製造された高機能材料（ＨＰＭ）セラミックス複合材料であってもよい。一実施形態では、ＨＰＭセラミック複合材料は、７７重量％のＹ２Ｏ３、１５重量％のＺｒＯ２、及び８重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。別の一実施形態では、ＨＰＭセラミックス複合材料は、６３重量％のＹ２Ｏ３、２３重量％のＺｒＯ２、及び１４重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。更に別の一実施形態では、ＨＰＭセラミックス複合材料は、５５重量％のＹ２Ｏ３、２０重量％のＺｒＯ２、及び２５重量％のＡｌ２Ｏ３を含む。これらのセラミックス粉末の他の配分もまた、ＨＰＭ材料用に使用することができる。
【００３７】
ブロック４０４では、最適なプラズマ溶射パラメータが選択される。一実施形態では、プラズマ溶射パラメータを最適化する工程は、プラズマ銃の電力及び溶射キャリアガスの組成を設定する工程を含むが、これらに限定されない。
【００３８】
粉末特性及びプラズマ溶射パラメータの最適化は、実質的に完全に溶融した小塊を有するコーティングをもたらすことができる。例えば、粉末供給速度の減少と共にプラズマ銃電力の増加は、粒状粉末の実質的に完全な溶融を確実にする。完全な又は増加した溶融は、セラミックスコーティングの空孔率を減少させ、密度を増加させる。このような減少した空孔率及び増加した密度は、プラズマなどの腐食性の要素からコーティングされる物品の保護を向上させる。また、完全に溶融した小塊は、セラミックスコーティングから抜け出す可能性が低く、ウェハを汚染し粒子問題を引き起こす可能性が低い。
【表１】
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【００３９】
表１は、図４Ａのプロセスに従って物品をコーティングするための入力パラメータを示す。パラメータとしては、プラズマの電力、銃の電流、銃の電圧、粉末供給速度、銃のスタンドオフ距離、銃の移動速度、銃の移動ピッチ、銃の角度、及びガス流量を含むが、これらに限定されない。表１は、ＣＩＰ１、ＣＩＰ２、ＣＩＰ３、ＣＩＰ４と呼ばれる新しい入力パラメータを使用した異なるコーティングと比べて、一般的に認められている共通パラメータ（「ＰＯＲ」と言う名前）についてどのようにパラメータが変更されるかを示している。図５〜図１２は、異なる入力パラメータを使用したコーティングの結果を示している。
【００４０】
一実施形態では、プラズマ溶射パラメータは、プラズマ電力、銃の電流、銃の電圧、基板からプラズマ溶射装置のノズルまでの距離、プラズマ溶射銃又はノズルの移動速度、銃の移動ピッチ、基板に対する銃の角度、及びガス流量を含む。一実施形態では、Ｙ２Ｏ３セラミックスコーティングをプラズマ溶射するための最適なプラズマ溶射パラメータは、約９０ｋＷのプラズマ電力、約１５０Ａの銃の電流、約３００Ｖの銃の電圧、約１０ｇ／分の粉末供給速度、約１００ｍｍの距離、約５００ｍｍ／秒の銃の移動速度、約２ｍｍの銃の移動ピッチ、約４５〜９０度の銃の角度、及び約１２０〜１３０Ｌ／分のガス流量を含む。
【００４１】
ブロック４０６では、選択された粉末特性及びプラズマ溶射パラメータに従って物品がコーティングされる。プラズマ溶射技術は、材料（例えば、セラミックス粉末）を溶融し、選択したパラメータを用いて物品上に溶融した材料を溶射することができる。そのような最適化されたプラズマ溶射パラメータを用いて、部分的に溶融した表面小塊の割合は、約０．５〜１５％まで低減させることができる。
【００４２】
一実施形態では、プラズマ溶射したセラミックスコーティングは、約１０〜４０ミル（例えば、一実施形態では２５ミル）の厚さを有することができる。厚さは、一例では、セラミックスコーティングの腐食速度に従って選択され、これによって物品は約５０００高周波時間（ＲＦ時間）の有用寿命を有することを保証する。言い換えれば、もしもある特定のセラミックスコーティングの腐食速度が、約０．００５ミル／時であるならば、約５０００ＲＦ時間の有用寿命のために、約２５ミルの厚さを有するセラミックスコーティングを形成することができる。
【００４３】
プラズマ溶射プロセスは、複数の溶射パスで実行することができる。選択された最適のプラズマ溶射パラメータのように、パスは、約５００ｍｍ／秒の銃又はノズルの移動速度を有することができる。各パスに対して、プラズマ溶射ノズルの角度を変更し、これによって溶射される表面に対する相対角度を維持してもよい。例えば、プラズマ溶射ノズルを回転し、これによって溶射される物品の表面と約４５度〜約９０度の角度を維持してもよい。各パスは、最大約１００μｍの厚さを堆積させることができる。プラズマ溶射プロセスは、約３０〜４５パスの間の範囲（例えば、一実施形態では３５〜４０パス）を用いて実行することができる。
【００４４】
セラミックスコーティングは、約０．５〜５％（例えば、一実施形態では約５％未満）の空孔率、約４〜８ギガパスカル（ＧＰａ）（例えば、一実施形態では、約４ＧＰａより大きい）硬度、及び約２４ＭＰａより大きな耐熱衝撃性を有することができる。また、セラミックスコーティングは、約４〜２０ＭＰａの（例えば、一実施形態では、約１４ＭＰａよりも大きい）接着強度を有することができる。接着強度は、セラミックス基板からセラミックスコーティングが剥離するまでセラミックスコーティングに（例えば、メガパスカルで測定された）力を印加することによって決定することができる。プラズマ溶射されるセラミックスコーティングの他の特性は、８ミルのこのコーティングに対して約８時間を超えるＨＣｌバブル時間と、約７００Ｖ／ミルを超える絶縁破壊電圧を含むことができる。
【表２】
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【００４５】
表２は、上述のような最適化されたプラズマパラメータ及び粉末パラメータを用いて測定されたコーティング特性を、標準的な手法（ＰＯＲ）で使用されているものと比較して示している。一実施形態では、最適化されたパラメータは、部分的に溶融した表面小塊を、ＰＯＲサンプルの３０％から約１５％へと低減している。他の改善点は、より滑らかな表面、空孔率の低減、腐食に対するより大きな耐性、及びより高い絶縁破壊電圧が含まれる。
【００４６】
表２は、表１の入力パラメータを用いて作られた異なるコーティングの特性を示す。サンプルＰＯＲ、ＣＩＰ１、ＣＩＰ２、ＣＩＰ３、ＣＩＰ４は、表１のそれぞれの入力パラメータに対応する。示された実施形態において、部分的に溶融した表面小塊の割合が、ＰＯＲの３０％からサンプルＣＩＰ４の７％へ大幅に低減している。同様に、空孔率も（例えば、約３％から約１〜１．５％へ）改善し、並びに、ＨＣｌバブル時間（腐食に対する耐性の尺度）、及び絶縁破壊電圧も改善している。
【００４７】
図５は、一対の顕微鏡写真５０２及び５０４である。顕微鏡写真５０２は、上述のように最適化された入力パラメータを用いてプラズマ溶射されたコーティング５１２の断面を示す。顕微鏡写真５０４は、ＰＯＲパラメータを用いてプラズマ溶射されたコーティング５１６の断面を示す。顕微鏡写真５０４は、部分的に溶融した小塊５０８を示す。部分的に溶融した小塊５０８は、コーティング５１６から脱離し、プラズマエッチングプロセス内で基板の表面を汚染する傾向がある点で、部分的に溶融した小塊５０８は問題が多い。
【００４８】
顕微鏡写真５０２は、逆に、コーティング５１２の表面内に完全に溶融した小塊５０６を示す。完全に溶融した小塊５０６は、コーティング５１２の表面から脱離して基板を汚染する確率がはるかに低い。
【００４９】
図６及び図７は、様々なプラズマ溶射パラメータを使用して作成されたセラミックスコーティングの断面側面図を示す。具体的には、図６及び図７は、ＰＯＲサンプルの一般的に認められたパラメータからＣＩＰ１〜４の最適化されたパラメータへと表面小塊の減少を示している。注目すべきことには、小塊６０６の頻度、小塊６０６の密度、及び小塊６０６の径は、ＰＯＲサンプルからＣＩＰ１、ＣＩＰ２、ＣＩＰ３、ＣＩＰ４サンプルへと減少している。
【００５０】
図８及び図９は、セラミックスコーティングの上面顕微鏡写真と、小塊６０６の頻度、密度、及びサイズの低減を示す。全ての小塊６０６が図１１及び図１２内で具体的に識別されているわけではないが、当業者は、小塊の頻度、サイズ、及び密度がＰＯＲサンプルとＣＩＰ１〜４のサンプル間で減少していることを認識するだろう。
【００５１】
図１０は、異なるコーティング角度と供給速度を用いたセラミックスコーティングの上面顕微鏡写真を示す。図示の角度は、物品に対するプラズマ銃の角度を指している。参考までに、図３のプラズマ銃は、物品に対して９０度の角度にある。図示のように、より低い供給速度は、より大きな表面均一性を生み出す。
【００５２】
図１１及び図１２は、表１からの入力パラメータを用いたセラミックスコーティングの断面顕微鏡写真を示す。これらの図は、表１の設定値にしたがって最適化された入力パラメータを使用することによって空孔率の低下を示している。空孔率を改善するのを助けるいくつかの要因としては、プラズマ銃の粉末の増加、及び／又は粉末の供給速度の低下が挙げられるが、これらに限定されない。これらの要素の両方を組み合わせると、空孔率を更に改善する。別の言い方をすれば、ＰＯＲ入力パラメータに対して５０％電力を増加させ、粉末の供給速度を５０％減少させることによって、コーティングの空孔率は顕著に低下する。更なる改善はまた、ＰＯＲ入力パラメータに対して、スタンドオフ距離を増加させ、プラズマ銃の速度を減少させることによって実現される。
【００５３】
前述の説明は、本開示のいくつかの実施形態の良好な理解を提供するために、具体的なシステム、構成要素、方法等の例などの多数の具体的な詳細を説明している。しかしながら、本開示の少なくともいくつかの実施形態は、これらの具体的な詳細なしに実施することができることが当業者には明らかであろう。他の例において、周知の構成要素又は方法は、本発明を不必要に不明瞭にしないために、詳細には説明しないか、単純なブロック図形式で提示されている。したがって、説明された具体的な詳細は、単なる例示である。特定の実装では、これらの例示的な詳細とは異なる場合があるが、依然として本開示の範囲内にあることが理解される。
【００５４】
本明細書全体を通して「１つの実施形態」又は「一実施形態」への参照は、その実施形態に関連して記載された特定の構成、構造、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味している。したがって、本明細書を通じて様々な場所における「１つの実施形態では」又は「一実施形態では」という語句の出現は、必ずしも全て同じ実施形態を指すものではない。また、用語「又は」は、排他的な「又は」ではなく包含的な「又は」を意味することを意図している。
【００５５】
本明細書内の本方法の操作が、特定の順序で図示され説明されているが、特定の操作を逆の順序で行うように、又は特定の操作を少なくとも部分的に他の操作と同時に実行するように、各方法の操作の順序を変更することができる。別の一実施形態では、異なる操作の命令又は副操作は、断続的及び／又は交互の方法であることができる。
【００５６】
なお、上記の説明は例示であり、限定的ではないことを意図していることが理解されるべきである。上記の説明を読み理解することにより、多くの他の実施形態が当業者にとって明らかとなるであろう。したがって、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲を、そのような特許請求の範囲が権利を与える均等物の全範囲と共に参照して決定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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