一种高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷及其制备方法和应用

本发明属于功能陶瓷领域，涉及一种高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在半导体制造过程中，随着集成电路向更小特征尺寸发展，等离子体刻蚀技术在精细化微结构加工中扮演着至关重要的角色。然而，刻蚀环境中高能离子流对加工材料的腐蚀和溅射作用，会严重影响设备内壁及关键部件的耐刻蚀性能，从而决定制造精度和良率。

2、传统的陶瓷材料，如氧化铝（al2o3）和氧化钇（y2o3），由于其优异的硬度、熔点和化学稳定性，常用于刻蚀设备中。然而，在高温烧结过程中，这些陶瓷材料需要添加烧结助剂来降低烧结温度并提高致密性。传统烧结助剂如氧化钙（cao）、氧化锂（li2o）等，在高能刻蚀环境下容易分解并释放有害反应物，这些反应物可能引入新的元素杂质，导致设备内的晶圆受到污染，从而影响半导体器件的质量和性能。

3、为了克服这一问题，近年来无污染烧结助剂的需求逐渐增多。现有研究中，氟化钇（yf3）作为烧结助剂，用于改善陶瓷的透光率和降低烧结温度，针对等离子体刻蚀环境的具体应用研究较少。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷及其制备方法和应用，采用氟化钇（yf3）和/或氟氧化钇（yof）等氟化物作为烧结助剂，具有优异的化学稳定性和热稳定性，能够在陶瓷材料表面形成保护性氟化层，显著提升陶瓷的耐刻蚀性能。此外，氟化钇（yf3）和氟氧化钇（yof）等氟化物在烧结过程中能够降低烧结温度，促进颗粒间的离子扩散，从而优化陶瓷的微观结构和致密性。利用氟化钇（yf3）和/或氟氧化钇（yof）等氟化物作为烧结助剂制备钇镁复相透明陶瓷，不仅能有效增强陶瓷的耐刻蚀性能，还能避免传统烧结助剂带来的污染问题，具有广阔的应用前景。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的第一个目的是提供一种高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、(a) 将氧化镁和氧化钇按照预定比例混合得到基材，加入含钇的氟化物（yoxf）作为烧结助剂，所述含钇的氟化物的添加质量为基材的质量的1~10 %，形成复相陶瓷坯体；

5、(b) 将复相陶瓷坯体在惰性无氧气氛中烧结，烧结温度控制在1400℃至1700℃之间，保温时间为1至4小时，得到所述高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷；

6、所述高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷的刻蚀深度为300~500nm/h。

7、进一步地，所述氧化镁、氧化钇的摩尔比为4：1

8、进一步地，所述惰性无氧气氛为惰性气体气氛（如氩气）或氮气气氛（含少量氢气的氮气）。将复相陶瓷坯体放入烧结炉中，在惰性无氧气氛中进行烧结，以避免氟化物的挥发和分解。

9、进一步地，步骤(a)中包括如下过程：

10、氧化镁和氧化钇按照预定比例混合得到基材，加入含钇的氟化物作为烧结助剂，得到混合粉末，所述含钇的氟化物的添加质量为基材的质量的1~10%，采用模压法将混合粉末压制成圆盘状坯体，模压压力为150 mpa，形成复相陶瓷坯体。

11、进一步地，所述含钇的氟化物的添加质量为基材的质量的3~5 %。

12、进一步优选地，所述含钇的氟化物的添加质量为基材的质量的5 %。

13、进一步地，所述烧结温度控制在1300℃至1700℃之间。采用适宜的烧结温度（通常为1500-1700℃），并控制升温速率和保温时间，确保最终陶瓷材料的高致密性和均匀微观结构。

14、进一步地，所述含钇的氟化物为氟化钇（yf3）、氟氧化钇（yof）中的一种或多种。

15、yf3和yof作为烧结助剂具有以下优点：

16、降低烧结温度： 在高温下，yf3和yof中的氟元素能降低基体表面能，促进颗粒之间的粘结，尤其适用于高熔点的y2o3-mgo复合材料；

17、促进离子扩散： 氟化物助剂能加速烧结过程中离子扩散，有助于提高陶瓷的致密性，优化微观结构，增强材料的力学性能。

18、进一步地，通过在y2o3和mgo基体中加入yf3和yof，不仅能抑制晶粒长大，获得细小且均匀的晶粒结构，还能生成微细的第二相颗粒，有助于提高材料的力学性能（如抗弯强度和断裂韧性），进一步提升陶瓷的耐刻蚀性。

19、进一步地，所述刻蚀深度检测条件包括：采用等离子刻蚀机，刻蚀环境为等离子体气氛sf6/ar/o2，550 w rf源功率，100 w偏置功率，11 mtorr压力；刻蚀时间120min。

20、本发明的第二个目的是提供一种高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷，所述高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷的刻蚀深度为300~500nm/h，所述高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷在刻蚀过程中的污染物释放小于0.5ppm。

21、本发明的第三个目的是提供一种高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷的应用，将所述高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷用于半导体制造中的刻蚀设备。

22、进一步地，所述陶瓷材料特别适用于半导体制造设备中的耐等离子刻蚀内衬。

23、进一步地，采用含钇的氟化物作为烧结助剂，在陶瓷表面形成稳定的保护性氟化层，提高陶瓷的耐刻蚀性，同时避免刻蚀环境下分解并引入杂质的风险。

24、与现有技术相比，本发明具有以下特点：

25、1）本发明提供的高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷，尤其适用于半导体制造中的刻蚀设备。传统陶瓷材料在等离子体刻蚀过程中易产生杂质污染，而本发明通过使用氟化钇（yf3）和/或氟氧化钇（yof）作为烧结助剂，选用氧化镁和氧化钇作为基材，解决了这一问题。本发明成功制备了具有高耐刻蚀性的钇镁复相透明陶瓷，适用于半导体制造设备中的高洁净度要求。本发明通过抑制晶粒长大并降低烧结温度，制备的陶瓷材料具有致密且均匀的微观结构，并能在等离子刻蚀过程中形成稳定的氟化保护层，显著提高了材料的耐刻蚀性能。本发明避免了使用其他烧结助剂或者不使用烧结助剂可能带来的杂质污染问题，确保了钇镁复相陶瓷材料在半导体制造过程中不释放污染物质，进一步提升了半导体设备的良率和使用寿命。

26、2）本发明通过采用氟化钇（yf3）和/或氟氧化钇（yof）作为烧结助剂，不仅能在钇镁复相陶瓷表面形成稳定的保护性氟化层，显著提高陶瓷的耐刻蚀性，还能够避免传统烧结助剂在极端条件下分解并引入杂质的风险。此外，氟化钇（yf3）和/或氟氧化钇（yof）能够有效降低烧结温度，促进离子扩散，优化陶瓷的微观结构，进而提升陶瓷的致密性和均匀性。

27、3）本发明提供的高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷，传统耐刻蚀陶瓷材料在高温烧结过程中需要添加烧结助剂以降低烧结温度并提高致密性。然而，传统的烧结助剂（如氧化钙、氧化锂等）在等离子刻蚀环境中易分解，释放的反应物可能引入新的元素杂质，从而导致设备污染，影响半导体制造过程中的晶圆质量和器件性能，本发明旨在提供一种新的高耐刻蚀性钇镁复相透明陶瓷，通过避免传统助剂带来的污染风险，不仅能够确保钇镁复相透明陶瓷在高温烧结过程中具有优良的致密性和耐刻蚀性能，还能够有效避免在刻蚀过程中产生污染物质。