用于处理腔室的腔室部件和制造制品的方法与流程
本发明的实施例大体上涉及具有薄膜式抗等离子体的保护层的腔室工艺环。
背景技术：
在半导体工业中，通过许多制造工艺来制造器件，所述工艺制造不断减小的尺寸的结构。一些制造工艺(诸如，等离子体蚀刻和等离子体清洁工艺)使基板暴露于高速的等离子体流以蚀刻或清洁所述基板。等离子体可能是高度侵蚀性的，并可能侵蚀处理腔室以及暴露于所述等离子体的其他表面。
目前的工艺套件环由于高腐蚀速率和等离子体化学交互作用而具有性能问题。通常用于导体蚀刻的插入环和单环由石英制成，而用于电介质蚀刻的插入环和单环由si制成。这些环坐落在晶片周围以使等离子体密度均匀，从而进行均匀的蚀刻。然而，石英和si在各种蚀刻化学物质和偏置功率下具有极高的腐蚀速率。这些环受到的严重的腐蚀可能导致晶片上的粒子缺陷、工艺偏移、腐蚀副产物在其他腔室部件上的沉积以及腔室良率的减小。
技术实现要素：
本发明提供了一种用于处理腔室的腔室部件。所述腔室部件包括：环形主体，所述环形主体包括氧化物基陶瓷、氮化物基陶瓷或碳化物基陶瓷中的至少一者，其中所述环形主体是包括顶部区域、环内侧和环外侧的烧结陶瓷体；以及保护层，所述保护层在所述环形主体的至少所述顶部区域、所述环内侧和所述环外侧上，其中：所述保护层是包含y2o3和zro2的共形层；所述保护层具有小于1％的孔隙度；所述保护层具有小于6微英寸的平均表面粗糙度；以及所述保护层在所述顶部区域上具有小于300μm的第一厚度并且在所述环内侧上具有第二厚度，其中所述第二厚度是所述第一厚度的45-70％。
本发明还提供了一种制造制品的方法。该方法包括：将环形主体装载到沉积腔室中，其中所述环形主体是包括顶部区域、环内侧和环外侧的烧结陶瓷体；执行离子辅助沉积以在所述环形主体的至少所述顶部区域、所述环内侧和所述环外侧上沉积保护层，其中所述保护层包含y2o3和zro2，所述保护层在所述顶部区域上具有小于300μm的第一厚度并且在所述环内侧的竖直壁上具有第二厚度，其中所述第二厚度是所述第一厚度的45-70％，并且其中所述保护层是具有小于1％的孔隙度的共形层；以及将所述环形主体上的所述保护层火焰抛光至低于6微英寸的平均表面粗糙度。
附图说明
在所附附图的图中以示例方式，而非限制方式来说明本发明，在所附附图中，相同的元件符号指示类似的元件。应注意的是，本公开中对“一”或“一个”实施例的不同的引用不一定是指同一个实施例，并且此类引用意味着有至少一个。
图1描绘了处理腔室的一个实施例的剖面图。
图2a描绘了适用于利用高能粒子的各种沉积技术(诸如，离子辅助沉积(iad))的沉积机制。
图2b描绘了iad沉积设备的示意图。
图3-4示出由一个或更多个薄膜保护层覆盖的制品的横截面侧视图。
图5示出根据一个实施例的、具有稀土氧化物抗等离子体的层的工艺环的立体图。
图6示出用于在环上形成一个或更多个保护层的工艺的一个实施例。
图7示出暴露于电介质蚀刻ch4化学物质下的腐蚀速率，包括根据本文所述的实施例而生成的多种不同的iad涂层的腐蚀速率。
图8-9示出根据本发明的实施例而形成的薄膜保护层的腐蚀速率。
图10-11示出根据本发明实施例而形成的薄膜保护层的粗糙度概况。
图12示出在低偏置下，暴露于cf4-chf3沟槽蚀刻化学物质下的腐蚀速率。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种制品(诸如，环)，所述制品具有抗腐蚀的薄膜保护层以增强所述环的使用寿命并减少晶片上缺陷，并且不影响等离子体均匀度。所述保护层可具有高达约300微米的厚度，并且可提供抗等离子体腐蚀性以用于保护所述环。可使用离子辅助沉积(iad)(例如，使用电子束iad(eb-iad)在环上形成所述保护层。所述薄膜保护层可以是y3al5o12(yag)、y4al2o9(yam)、er2o3、gd2o3、er3al5o12(eag)、gd3al5o12(gag)、包含y4al2o9与y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物(ceramiccompound)或另一稀土氧化物。由薄膜保护层提供的改善的抗腐蚀性可改善所述环的使用寿命，同时降低维护与制造成本。此外，可施加足够厚的iad涂层以为所述环提供更长的寿命。能以低成本施加iad涂层并且在稍后重新磨光所述iad涂层。
图1是半导体处理腔室100的剖面图，所述处理腔室100具有以根据本发明的实施例的薄膜保护层来涂覆的一个或更多个腔室部件。处理腔室100可用于提供腐蚀性等离子体环境的工艺。例如，处理腔室100可以是用于等离子体蚀刻反应器(又称为等离子体蚀刻器)、等离子体清洁器等的腔室。可包括薄膜保护层的腔室部件的示例包括基板支撑组件148、静电卡盘(esc)150、环(例如，工艺套件环或单环)、腔室壁、基底、气体分配盘、喷淋头、衬层、衬垫套组、遮蔽件、等离子体罩幕(plasmascreen)、流量均衡器、冷却基底、腔室观察孔、腔室盖104、喷嘴，等等。在一个特定实施例中，保护层147施加在环146上。
薄膜保护层147(在下文中更详细地描述)是通过离子辅助沉积(iad)来沉积的稀土氧化物层。薄膜保护层147可包括y2o3和y2o3基陶瓷、y3al5o12(yag)、y4al2o9(yam)、er2o3和er2o3基陶瓷、gd2o3和gd2o3基陶瓷、er3al5o12(eag)、gd3al5o12(gag)、nd2o3和nd2o3基陶瓷、yalo3(yap)、er4al2o9(eam)、eralo3(eap)、gd4al2o9(gdam)、gdalo3(gdap)、nd3al5o12(ndag)、nd4al2o9(ndam)、ndalo3(ndap)和/或含有y4al2o9和y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物。薄膜保护层也可包括yf3、er-y组分(例如，er80重量％和y20重量％)、er-al-y组分(例如，er70重量％、al10重量％以及y20重量％)、er-y-zr组分(例如，er70重量％、y20重量％以及zr-10重量％)或er-al组分(例如，er80重量％以及al20重量％)。
薄膜保护层147也可基于前述陶瓷中的任一种形成的固溶体。对于含有y4al2o9和y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物，在一个实施例中，陶瓷化合物包含62.93摩尔百分比(摩尔％)的y2o3、23.23摩尔％的zro2和13.94摩尔％的al2o3。在另一实施例中，陶瓷化合物可包含在50～75摩尔％的范围内的y2o3、在10～30摩尔％的范围内的zro2以及在10～30摩尔％的范围内的al2o3。在另一实施例中，陶瓷化合物可包含在40～100摩尔％的范围内的y2o3、在0～60摩尔％的范围内的zro2以及在0～10摩尔％的范围内的al2o3。在另一实施例中，陶瓷化合物可包含在40～60摩尔％的范围内的y2o3、在30～50摩尔％的范围内的zro2以及在10～20摩尔％的范围内的al2o3。在另一实施例中，陶瓷化合物可包含在40～50摩尔％的范围内的y2o3、在20～40摩尔％的范围内的zro2以及在20～40摩尔％的范围内的al2o3。在另一实施例中，陶瓷化合物可包含在70～90摩尔％的范围内的y2o3、在0～20摩尔％的范围内的zro2以及在10～20摩尔％的范围内的al2o3。在另一实施例中，陶瓷化合物可包含在60～80摩尔％的范围内的y2o3、在0～10摩尔％的范围内的zro2以及在20～40摩尔％的范围内的al2o3。在另一实施例中，陶瓷化合物可包含在40～60摩尔％的范围内的y2o3、在0～20摩尔％的范围内的zro2以及在30～40摩尔％的范围内的al2o3。在其他实施例中，其他分配比例也可用于陶瓷化合物。
在一个实施例中，包括y2o3、zro2、er2o3、gd2o3和sio2的组合的替代陶瓷化合物可用于保护层。在一个实施例中，替代陶瓷化合物可包含在40～45摩尔％的范围内的y2o3、在0～10摩尔％的范围内的zro2、在35～40摩尔％的范围内的er2o3、在5～10摩尔％的范围内的gd2o3以及在5～15摩尔％的范围内的sio2。在第一示例中，替代陶瓷化合物包含40摩尔％的y2o3、5摩尔％的zro2、35摩尔％的er2o3、5摩尔％的gd2o3以及15摩尔％的sio2。在第二示例中，替代陶瓷化合物包含45摩尔％的y2o3、5摩尔％的zro2、35摩尔％的er2o3、10摩尔％的gd2o3以及5摩尔％的sio2。在第三示例中，替代陶瓷化合物包含40摩尔％的y2o3、5摩尔％的zro2、40摩尔％的er2o3、7摩尔％的gd2o3以及8摩尔％的sio2。在一个实施例中，薄膜保护层147包含70～75摩尔％的y2o3以及25～30摩尔％的zro2。在进一步的实施例中，薄膜保护层147是一种称为yz20的材料，其包含73.13摩尔％的y2o3以及26.87摩尔％的zro2。
以上所述的薄膜保护层中的任何一种可包含微量的其他材料，诸如，zro2、al2o3、sio2、b2o3、er2o3、nd2o3、nb2o5、ceo2、sm2o3、yb2o3或其他氧化物。
薄膜保护层147可以是施加在不同的陶瓷上的iad涂层，所述陶瓷包括氧化物基(oxidebased)陶瓷、氮化物基(nitridebased)陶瓷或碳化物基(carbidebased)陶瓷。氧化物基陶瓷的示例包括sio2(石英)、al2o3、y2o3以及具有化学式mxoy的其他金属氧化物。碳化物基陶瓷的示例包括sic、si-sic等。氮化物基陶瓷的示例包括aln、sin等。iad涂层的靶材材料可以是经煅烧的粉末、预制块(例如，通过生坯压制、热压制等而形成的预制块)、烧结块(例如，具有50～100％密度的烧结块)或经机械加工的块体(例如，可以是陶瓷、金属或金属合金)。
如图所示，根据一个实施例，环146具有薄膜保护层133、134。然而，应当理解，其他腔室部件(诸如，上文中列举的那些腔室部件)中的任何一个都可包含薄膜保护层。
在一个实施例中，处理腔室100包括腔室体102和盖130，所述腔室体102和盖130包围内部容积106。盖130在中心处可具有孔，并且喷嘴132可插入到该孔中。腔室体102可由铝、不锈钢或其他合适的材料制成。腔室体102通常包含侧壁108和底部110。
外衬116可邻接侧壁108而设置以保护腔室体102。外衬116可用薄膜保护层制造和/或涂覆。在一个实施例中，外衬116由氧化铝制成。
排放口126可限定在腔室体102中，并且可将内部容积106耦接至泵系统128。泵系统128可包含一个或更多个泵和节流阀以用于排空和调节处理腔室100的内部容积106的压力。
盖130可支撑在腔室体102的侧壁108上。盖130可打开以允许进出处理腔室100的内部容积106，并且在被关闭时可提供对处理腔室100的密封。气体面板158可耦接至处理腔室100，以便通过喷嘴132将工艺气体和/或清洁气体提供至内部容积106。盖130可以是陶瓷，诸如，al2o3、y2o3、yag、sio2、aln、sin、sic、si-sic，或可以是含有y4al2o9与y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物。喷嘴132也可以是陶瓷，诸如，针对用于盖的上述那些陶瓷中的任何一种。
可在处理腔室100中用于处理基板的处理气体的示例包括含卤素气体(诸如，c2f6、sf6、sicl4、hbr、nf3、cf4、chf3、ch2f3、f、nf3、cl2、ccl4、bcl3及sif4，等等)和其他气体(诸如，o2或n2o)。载气的示例包括n2、he、ar以及对于工艺气体而言是惰性的其他气体(例如，非反应气体)。基板支撑组件148设置在位于盖130下方的处理腔室100的内部容积106中。基板支撑组件148在处理期间支持基板144。环146(例如，单环)可覆盖静电卡盘150的部分，并且可保护被覆盖的部分在处理期间免于暴露于等离子体。在一个实施例中，环146可以是硅或石英。环146包含薄膜保护层147。
内衬118可涂覆在基板支撑组件148的外围上。内衬118可以是抗含卤素气体的材料，诸如，参照外衬116所讨论的那些材料。在一个实施例中，内衬118可由与外衬116的材料相同的材料制成。此外，内衬118可涂有薄膜保护层。
在一个实施例中，基板支撑组件148包含装配盘162和静电卡盘150，所述装配板162支撑基座152。静电卡盘150进一步包含导热基底164和静电定位盘(electrostaticpuck)166，所述静电定位盘166通过接合剂(bond)138接合至导热基底，在一个实施例中，接合剂138可以是硅酮接合剂。装配板162耦接至腔室体102的底部110，并且包含用于将设施(例如，流体、电力线、传感器引线，等等)引导至导热基底164和静电定位盘166的通道。
导热基底164和/或静电定位盘166可包括一个或更多个任选的嵌入式加热元件176、嵌入式热隔离器174和/或导管168、170以控制支撑组件148的横向温度轮廓。导管168、170可流体地耦接至流体源172，所述流体源172使温度调节流体通过导管168、170进行循环。在一个实施例中，嵌入式隔离器174可设置在导管168与导管170之间。加热器176由加热器电源178调节。导管168、170和加热器176可用于控制导热基底164的温度，从而加热和/或冷却静电定位盘166以及正在处理的基板(例如，晶片)144。可使用多个温度传感器190、192来监测静电定位盘166和导热基底164的温度，温度传感器190、192可使用控制器195来监测。
静电定位盘166可进一步包括多个气体通道，诸如沟槽、凸台(mesa)以及其他表面特征，所述气体通道可形成在定位盘166的上表面中。气体通道可经由定位盘166中钻出的孔而流体地耦接至热传递(或背侧)气体源(诸如，he)。在操作中，能以受控的压力将背侧气体提供到气体通道中，从而增强静电定位盘166与基板144之间的热传递。
静电定位盘166包含至少一个箝夹电极(clampingelectrode)180，所述至少一个箝夹电极180由夹持电源182控制。电极180(或设置在定位盘166或基底164中的其他电极)可进一步通过匹配电路188耦接至一个或更多个rf(射频)电源184和186，以便维持在处理腔室100内由处理气体和/或其他气体形成的等离子体。电源184、186通常能产生约50khz至约3ghz的频率以及高达约10000瓦(watt)功率的rf信号。
图2a描绘了适用于利用高能粒子的各种沉积技术(诸如，离子辅助沉积(iad))的沉积机制。示例性iad方法包括合并了离子轰击以及在离子轰击存在的情况下的溅射以形成本文中所述的抗等离子体的涂层的沉积工艺，所述离子轰击诸如，蒸镀(例如，活化反应蒸镀(are))。在实施例中执行的一种特定类型的iad是电子束iad(eb-iad)。可在反应气体物质(诸如，o2、n2、卤素，等等)存在的情况下执行iad方法中的任一种方法。在沉积之前和/或期间，此类反应物质可燃耗表面有机污染物。此外，在实施例中，可由o2离子的分压来控制相对于用于金属靶材沉积的、用于陶瓷靶材沉积的iad沉积工艺。例如，可通过y金属的蒸镀和氧离子的渗出(bleeding)制成y2o3涂层，从而在部件的表面上形成钇材料的氧化物。或者，在无氧或减少的氧的情况下，可使用陶瓷靶材。
如图所示，在高能粒子203(诸如，离子)存在的情况下，通过沉积材料202的累积而在制品210上或在多个制品210a、210b上形成薄膜保护层215。沉积材料202可包括原子、离子、自由基等。在薄膜保护层215被形成时，高能粒子203可撞击薄膜保护层215并使所述薄膜保护层215致密紧实。
在一个实施例中，利用eb-iad来形成薄膜保护层215。图2b描绘了iad沉积设备的示意图。如图所示，材料源250提供沉积材料202的通量(flux)，同时高能粒子源255提供高能粒子203的通量，贯穿iad工艺过程，沉积材料202的通量与高能粒子255的通量两者都撞击在制品210、制品210a、制品210b上。高能粒子源255可以是氧或其他离子源。高能粒子源255也可提供其他类型的高能粒子，诸如，惰性自由基、中子原子以及纳米尺寸的粒子，这些粒子来自粒子生成源(例如，来自等离子体、反应气体，或来自提供沉积材料的材料源)。
用于提供沉积材料202的材料源(例如，靶材体)250可以是块状烧结陶瓷，所述块状烧结陶瓷对应于与将组成薄膜保护层215的陶瓷相同的陶瓷。例如，材料源可以是块状烧结陶瓷化合物体或块状烧结yag、er2o3、gd2o3、er3al5o12或gd3al5o12或其他提及的陶瓷。也可使用其他靶材材料，诸如，粉末、经煅烧的粉末、预制材料(例如，通过生坯压制或热压制形成的预制材料)或经机械加工的主体(例如，经熔合的材料)。在沉积期间，所有的不同类型的材料源250都熔化为熔化的材料源。然而，不同类型的起始材料需要不同的时间量来熔化。经熔合的材料和/或经机械加工的主体会最快地熔化。预制材料熔化得比经熔合的材料慢，煅烧粉末熔化得比预制材料慢，而标准粉末熔化得比经煅烧的粉末慢。
iad可利用一个或更多个等离子体或射束(例如，电子束)来提供材料源和高能离子源。在抗等离子体的涂层的沉积期间也可提供反应物质。在一个实施例中，高能粒子203包含非反应物质(例如，ar)或反应物质(例如，o)中的至少一者。在进一步的实施例中，在抗等离子体的涂层的形成期间，也可引入反应物质(诸如，co和卤素(cl、f、br，等等)以进一步增加选择性地去除最弱地接合至薄膜保护层215的所沉积的材料的趋势。
利用iad工艺，高能粒子203可由高能离子(或其他粒子)源255独立于其他沉积参数来控制。根据高能离子通量的能量(例如，速度)、密度和入射角，可操控薄膜保护层的组成、结构、晶向和晶粒尺寸。
可调整的附加参数是沉积期间的制品温度以及沉积的持续时间。在一个实施例中，在沉积之前，iad沉积腔室(以及腔室盖或腔室内的喷嘴)加热到160℃或更高的起始温度。在一个实施例中，起始温度为160℃至500℃。在一个实施例中，起始温度为200℃至270℃。在沉积期间，腔室以及盖或喷嘴的温度随后可维持在所述起始温度。在一个实施例中，iad腔室包含执行加热的加热灯。在替代实施例中，iad腔室以及盖或喷嘴不被加热。如果腔室不被加热，则作为iad工艺的结果，所述腔室将自然地升温至约160℃。沉积期间的较高的温度可增加保护层的密度，但也可能增加保护层的机械应力。可将主动式冷却添加至腔室以在涂覆期间维持低温。在一个实施例中，所述低温可维持在处于或低于160℃且降至0℃的任一温度。
可调整的附加参数是工作距离270和入射角272。工作距离270是材料源250与制品210a与制品210b之间的距离。在一个实施例中，工作距离为0.2米至2.0米，在一个特定实施例中，工作距离为1.0米。减小工作距离增加了沉积速率并增加了离子能量的有效性。然而，使工作距离减小到低于一特定点会降低保护层的均匀度。入射角是沉积材料202撞击制品210a、制品210b的角度。在一个实施例中，入射角为10度至90度，在一个特定实施例中，入射角为约30度。
iad涂层可施加于粗糙度从约0.5微英寸(μin)至约180微英寸的广泛范围的表面条件。然而，较平滑的表面有利于均匀的涂层覆盖。涂层厚度可高达约300微米(μm)。在制造时，可通过刻意在涂层叠层的底部处添加稀土氧化物基着色剂(诸如，nd2o3、sm2o3、er2o3，等等)来评估部件上的涂层厚度。也可使用椭圆测量法(ellipsometry)来准确地测量该厚度。
取决于用于形成涂层的稀土氧化物组成物，iad涂层可以是非晶的(amorphous)或结晶状。例如，eag和yag是非晶涂层，而er2o3以及含有y4al2o9和y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物通常是结晶状。非晶涂层更具共形性(conformal)且减少了因晶格失配而引起的外延裂纹(epitaxialcrack)，而结晶涂层更抗腐蚀。
涂层架构可以是双层式或多层式结构。在双层式架构中，可沉积非晶层作为缓冲层以使外延裂纹最小化，随后在顶部形成可抗腐蚀的结晶层。在多层式设计中，可使用诸层材料以产生从基板到顶层的平顺的热梯度。
使用多个电子束(e-beam)枪可实现多个靶材的共沉积，从而形成较厚的涂层以及分层的架构。例如，可同时使用具有相同的材料类型的两个靶材。每一个靶材可由不同的电子束枪轰击。这可增加保护层的沉积速率和厚度。在另一实施例中，两个靶材可以是不同的陶瓷材料。第一电子束枪可轰击第一靶材以沉积第一保护层，且随后第二电子束枪可轰击第二靶材以形成第二保护层，所述第二保护层具有与第一保护层不同的材料组成。
可使用涂覆后(postcoating)热处理来实现改善的涂层性质。例如，这可用于将非晶涂层转换为具有较高的抗腐蚀性的结晶涂层。另一示例是通过反应区域或过渡层的形成来改善涂层向基板的接合强度(bondingstrength)。
在一个实施例中，可在iad腔室中并行地处理多个环。例如，在一个实施例中，可并行地处理高达五个环。每一个环可由不同的固定装置来支撑。或者，单个固定装置可配置成支持多个环。在沉积期间，这些固定装置可移动所支撑的环。
在一个实施例中，用于支持环的固定装置可由金属部件(诸如，冷轧钢)或陶瓷(诸如，al2o3、y2o3，等等)设计而成。固定装置可用于在材料源和电子束枪的上方或下方来支撑环。固定装置可具有夹持能力以便为了更安全且更容易的操控以及在涂覆期间夹持环。此外，固定装置可具有用于定向或对准环的特征。在一个实施例中，可重新定位固定装置和/或围绕一个或更多个轴转动固定装置以改变被支撑的环相对于源材料的取向。在沉积之前和/或沉积期间，也可重新定位固定装置以改变工作距离和/或入射角度。固定装置可具有冷却通道或加热通道以在涂覆期间控制环的温度。由于iad是一种直视性工艺(lineofsightprocess)，因此重新定位或转动环的能力实现了对环的3d表面的最大涂层覆盖。
图3-4示出由一个或更多个薄膜保护层覆盖的制品(例如，环)的横截面侧视图。用于导体蚀刻和电介质蚀刻工艺的等离子体蚀刻器的单环、插入环或其他工艺套件环通常是si或sio2。然而，si或sio2在暴露于各种蚀刻化学物质时具有高腐蚀速率。其他材料也可用于环。
参考图3，制品300的主体305包含薄膜叠层306，所述薄膜叠层306具有第一薄膜保护层308和第二薄膜保护层310。或者，制品300在主体305上可仅包含单个薄膜保护层308。在一个实施例中，薄膜保护层308、310具有高达约300微米(μm)的厚度。在进一步的实施例中，薄膜保护层具有小于约20微米的厚度，并且在一个特定实施例中，薄膜保护层具有约0.5微米至约7微米之间的厚度。在一个实施例中，薄膜保护层叠层的总厚度为300微米或更小。
薄膜保护层308和薄膜保护层310是所沉积的陶瓷层，可使用电子束离子辅助沉积(eb-iad)工艺在制品300的主体305上形成所述陶瓷层。eb-iad沉积的薄膜保护层308、310可具有相对低的膜应力(例如，相比由等离子体喷涂或溅射而导致的膜应力)。相对低的膜应力可能使主体305的下表面非常平坦，并且对于具有12英寸直径的主体，整个主体上的曲率小于约50微米。iad沉积的薄膜保护层308、310可附加地具有小于1％的孔隙度，并且在一些实施例中，可具有小于约0.1％的孔隙度。因此，iad沉积的保护层是致密的结构，这对于在等离子体蚀刻反应器中所使用的环上的应用可具有性能益处。此外，iad沉积的保护层可具有低裂纹密度以及对主体305的高粘附。此外，可在不首先使主体305的上表面粗糙化或执行其他耗时的表面预备步骤的情况下来沉积iad沉积的保护层308、310。
可用于形成薄膜保护层208的陶瓷的示例包括y3al5o12、y4al2o9、er2o3、gd2o3、er3al5o12、gd3al5o12、含有y4al2o9和y2o3-zro2的固溶体(y2o3-zro2固溶体)的陶瓷化合物或先前指出的其他陶瓷材料中的任一种。其他er基和/或gd基的抗等离子体稀土氧化物也可用于形成薄膜保护层308、310。在一个实施例中，相同的陶瓷材料不用于两个相邻的薄膜保护层。然而，在另一实施例中，相邻的层可由相同的陶瓷组成。
具有iad薄膜保护层的环可在应用广泛温度范围的应用中使用。例如，
具有iad薄膜保护层的环可在具有0℃至1000℃的温度的工艺中使用。
环可在高温(例如，300℃或高于300℃)下使用，而没有由热冲击导致的开裂。
表1：iad沉积的yag、er2o3、eag以及含y4al2o9与y2o3-zro2固
溶体的陶瓷化合物的材料性质
表1示出92％al2o3(氧化铝)基板以及涂覆92％al2o3基板的各种iad沉积的薄膜保护层的材料性质。在表中，“c”表示结晶结构，而“a”表示非晶结构。如表中所示，氧化铝基板具有363伏特/密耳(v/mil)的击穿电压。相比之下，含有y4al2o9以及y2o3-zro2固溶体的、iad沉积的陶瓷化合物的5微米(μm)涂层具有427伏特的击穿电压(远大于氧化铝的363伏特/密耳的归一化值)。iad沉积的yag的5微米涂层具有1223伏特的击穿电压。iad沉积的er2o3的5微米涂层具有527伏特的击穿电压。iad沉积的eag的5微米涂层具有900伏特的击穿电压。iad沉积的y2o3的5微米涂层具有1032伏特的击穿电压。iad沉积的yz20的5微米涂层具有423伏特的击穿电压。iad沉积的yf3的5微米涂层具有522伏特的击穿电压。
室温下氧化铝的体电阻率为约0.01x1016(0.01e16)欧姆·厘米(ω·cm)。室温下陶瓷化合物薄膜保护层的体电阻率为约4.1e16欧姆·厘米，而室温下yag薄膜保护层的体电阻率为约11.3e16欧姆·厘米。
氧化铝的介电常数为约9.2，陶瓷化合物薄膜的介电常数为约9.83，yag薄膜的介电常数为约9.76，er2o3薄膜的介电常数为约9.67，而eag薄膜的介电常数为约9.54。氧化铝的损失正切为约5e-4，陶瓷化合物薄膜的损失正切为约4e-4，yag薄膜的损失正切为约4e-4，er2o3薄膜的损失正切为约4e-4，而eag薄膜的损失正切为约4e-4。氧化铝的热导率为约18瓦/米-开氏温度(w/m-k)，陶瓷化合物薄膜的热导率为约19.9瓦/米-开氏温度，yag薄膜的热导率为约20.1瓦/米-开氏温度，er2o3薄膜的热导率为约19.4瓦/米-开氏温度，eag薄膜的热导率为约19.2瓦/米-开氏温度。
在一个实施例中，氧化铝基板可具有约8微英寸至16微英寸的起始粗糙度，并且在所有这些薄膜保护层中，所述起始粗糙度可以大致不改变。在沉积之后，可抛光保护层以将表面粗糙度(例如，平均表面粗糙度)减小到8微英寸或更低。在一个实施例中，使用火焰抛光将保护层抛光至5～6微英寸或更低的平均表面粗糙度。在一个实施例中，火焰抛光将保护层抛光至2～3微英寸的平均表面粗糙度。
对于陶瓷化合物薄膜，薄膜保护层对氧化铝基板的粘附强度可高于28兆帕(mpa)，而对于yag薄膜，薄膜保护层对氧化铝基板的粘附强度可高于32mpa。通过测量用于将薄膜保护层与基板分开的力的量可确定粘附强度。厄米率(hermicity)测量使用薄膜保护层可实现的密封能力。如表中所示，使用氧化铝可实现约每秒1e-6立方厘米(cm3/s)的he漏率，使用陶瓷化合物可实现约1.2e-9的he漏率，使用yag可实现约4.4e-10的he漏率，使用er2o3可实现约5.5e-9的he漏率，使用yf3可实现约2.6e-9的he漏率，使用yz20可实现约1.6e-7的he漏率，而使用eag可实现约9.5e-10的he漏率。较低的he漏率指示了改善的密封。示例薄膜保护层中的每一个具有比典型的al2o3更低的he漏率。
y3al5o12、y4al2o9、er2o3、gd2o3、er3al5o12、gd3al5o12以及含有y4al2o9与y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物中的每一个都具有可在等离子体处理期间抗磨损的高硬度。如表中所示，氧化铝具有约12.14千兆帕(gpa)的维氏硬度(5千克力(kgf))，陶瓷化合物具有约7.825gpa的硬度，yag具有约8.5gpa的硬度，er2o3具有约5.009gpa的硬度，yz20具有约5.98gpa的硬度，yf3具有约3.411gpa的硬度，而eag具有约9.057gpa的硬度。所测得的氧化铝的磨损率为约0.2纳米/射频小时(nm/rfhr)，陶瓷化合物的磨损率约为0.14纳米/射频小时，er2o3的磨损率约为0.113纳米/射频小时，而eag的磨损率为约0.176纳米/射频小时。
请注意，在一些实施例中，可修改y3al5o12、y4al2o9、er2o3、gd2o3、er3al5o12、gd3al5o12以及陶瓷化合物，使得以上指出的材料性质和特性可变化高达30％。因此，针对这些材料性质所描述的值应理解为示例可实现值。本文中所描述的陶瓷薄膜保护层不应当解释为仅限于所提供的值。
图4示出制品的另一实施例400的横截面侧视图，所述制品400具有沉积在所述制品400的主体405上的薄膜保护层叠层406。制品400与制品300类似，区别仅在于，薄膜保护层叠层406具有四个薄膜保护层408、410、415和418。
薄膜保护层叠层(诸如，所示的那些薄膜保护层叠层)可具有任意数目的薄膜保护层。叠层中的薄膜保护层可全部具有相同的厚度，或这些薄膜保护层可具有不同的厚度。在一些实施例中，薄膜保护层中的每一层可具有小于约20微米的厚度。在一个示例中，第一层408可具有6微米的厚度，而第二层410可具有6微米的厚度。在另一示例中，第一层408可以是具有3微米厚度的yag层，第二层410可以是具有3微米厚度的化合物陶瓷层，第三层415可以是具有3微米厚度的yag层，而第四层418可以是具有3微米厚度的化合物陶瓷层。
对将使用的陶瓷层的数目和陶瓷层的组分的选择可基于期望的应用和/或所涂覆的制品的类型。由iad形成的eag薄膜保护层和yag薄膜保护层通常具有非晶结构。相比之下，iad沉积的化合物陶瓷层和er2o3层通常具有结晶结构或纳米结晶结构。结晶或纳米结晶陶瓷层通常可比非晶陶瓷层更抗腐蚀。然而，在一些实例中，具有结晶或纳米结晶结构的薄膜陶瓷层会经受偶发的竖直裂纹(大致在薄膜厚度方向且大致垂直于经涂覆的表面延伸的裂纹)。此类竖直裂纹可能由晶格失配导致，并且可能是等离子体化学物质的攻击点。每当制品被加热或冷却时，薄膜保护层与所述薄膜保护层涂覆的基板之间的热膨胀系数的失配会导致薄膜保护层上的应力。此类应力可能集中在竖直裂纹处。这可能导致薄膜保护层最终从所述薄膜保护层涂覆的基板上剥落。相比之下，如果没有竖直裂纹，则应力跨薄膜大致均匀地分布。因此，在一个实施例中，薄膜保护层叠层406中的第一层408是非晶陶瓷(诸如，yag或eag)，而薄膜保护层叠层406中的第二层410是结晶或纳米结晶陶瓷(诸如，陶瓷化合物或er2o3)。在此类实施例中，第二层410可提供比第一层408更大的抗等离子体性。通过将第二层410形成在第一层408上而非直接形成在主体405上，第一层408充当缓冲以使后续的层上的晶格失配最小化。由此，可增加第二层410的使用寿命。
在另一示例中，主体、y3al5o12(yag)、y4al2o9、er2o3、gd2o3、er3al5o12、gd3al5o12、含有y4al2o9与y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物和其他陶瓷中的每一个具有不同的热膨胀系数。两个相邻的材料之间的热膨胀系数的失配越大，那些材料中的一种最终将开裂、剥落或以其他方式失去所述材料对其他材料的接合的可能性越大。可采用使相邻的层之间(或层与主体305、主体405之间)的热膨胀系数的失配最小化的方式来形成保护层叠层306及该保护层叠层406。例如，主体405可以是氧化铝，并且eag可具有与氧化铝的热膨胀系数最接近的热膨胀系数，随后是yag的热膨胀系数，接着是化合物陶瓷的热膨胀系数。因此，在一个实施例中，第一层408可以是eag，第二层410可以是yag，而第三层415可以是化合物陶瓷。
在另一示例中，保护层叠层406中的层可以是两种不同的陶瓷的交替层。例如，第一层408和第三层415可以是yag，而第二层410和第四层418可以是化合物陶瓷。此类交替层可提供与以上在用于交替层中的一种材料是非晶结构且用于交替层中的另一种材料是结晶或纳米结晶结构的情况下所述的那些层类似的优势。
在一些实施例中，薄膜保护层叠层306和406中的层中的一个或更多个层是使用热处理而形成的过渡层。如果主体305、405是陶瓷主体，则可执行高温热处理以促进薄膜保护层与主体之间的相互扩散。此外，可执行热处理以促进相邻的多个薄膜保护层之间或厚保护层与薄膜保护层之间的相互扩散。需注意的是，过渡层可以是无孔隙层。过渡层可充当两种陶瓷之间的扩散接合(bond)，并可在相邻的陶瓷之间提供改善的粘附。这可有助于防止保护层在等离子体处理期间开裂、剥离或脱落。
热处理可以是在高达约1400℃～1600℃的温度下长达约24小时(例如，在一实施中，3小时～6小时)的持续时间的热处理。这可在第一薄膜保护层与相邻的陶瓷主体或第二薄膜保护层中的一者或更多者之间形成相互扩散层。如果陶瓷主体是al2o3，并且保护层由化合物陶瓷y4al2o9(yam)与y2-xzrxo3固溶体(y2o3-zro2固溶体)组成，则将形成y3al5o12(yag)界面层。类似地，热处理将会使eag过渡层在er2o3与al2o3之间形成。热处理还将使yag过渡层在y2o3与al2o3之间形成。热处理还将使gag在gd2o3与al2o3之间形成。对al2o3上的氧化钇稳定化的氧化锆(ysz)的热处理可形成y4al2o9(yam)与y2-xzrxo3固溶体化合物陶瓷的过渡层。其他过渡层可形成在其他相邻的陶瓷之间。
在一个实施例中，在沉积第一保护层308、408期间添加着色剂。因此，当第二保护层310、410磨损时，操作者可具有是时候重新磨光或更换盖或喷嘴的视觉队列(visualqueue)。
图5示出根据一个实施例的单环505的立体图，所述单环505具有薄膜稀土氧化物抗等离子体层510。还示出了单环505的放大图550。单环505包含环内侧552和环外侧554。单环505的面向等离子体的表面由薄膜保护层510涂覆。薄膜保护层510也可涂覆环外侧554，所述环外侧554在处理期间也可能暴露于等离子体。在环505的顶部平坦区域处的保护层510可以是均匀、致密且具共形的(conforming)，并且可能没有开裂和脱层(delamination)。致密的涂层可具有零或接近零(例如，低于0.01％)的孔隙度。在一个实施例中，薄膜保护层在顶部平坦区域515处具有约5微米的厚度。或者，薄膜保护层可以更厚。
薄膜保护层510可在环内侧552上涂覆一个或更多个阶梯(step)525。所示示例示出单个阶梯525，但是环内侧552可替代地具有两个或更多个阶梯。在环505的阶梯525处的保护层510可以是均匀、致密且共形的，并且可以没有开裂和脱层。致密的涂层可具有零或接近于零(例如，低于0.01％)的孔隙度。在一个实施例中，薄膜保护层510在阶梯525处具有约5微米的厚度。或者，薄膜保护层可以更厚。
在一些实施例中，薄膜保护层510可涂覆环内侧552上的竖直壁520。或者，薄膜保护层510可不涂覆竖直壁520。在环505的竖直壁520处的保护层510可以是均匀、致密且共形的，并且可以没有开裂和脱层。致密的涂层可具有零或接近零(例如，低于0.01％)的孔隙度。在一个实施例中，薄膜保护层510在竖直壁520处具有约3微米的厚度。或者，在竖直壁处的薄膜保护层可以更厚。在一实施例中，在竖直壁处的薄膜保护涂层的厚度是在顶部平坦区域515处以及在阶梯525处的薄膜保护层的厚度的45％～70％。在进一步的实施例中，在竖直壁处的薄膜保护涂层的厚度是在顶部平坦区域515以及在阶梯525处的薄膜保护层的厚度的55％～60％。
单环505可具有16微英寸或更高的表面粗糙度。然而，在一个实施例中，薄膜保护层510可经火焰抛光以实现约2微英寸至3微英寸的表面粗糙度。火焰抛光工艺可使该保护层熔化并在表面处再流动以实现低表面粗糙度。
图6示出工艺600的一个实施例，所述工艺600用于在环(诸如，用于等离子体蚀刻反应器的单环或插入环)主体上形成薄膜保护层。在工艺600的框605处，提供环。环可具有块状烧结陶瓷体。块状烧结陶瓷体可以是al2o3、y2o3、sio2，或包含y4al2o9与y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物。环也可以是si、sic或其他材料。
在框620处，执行离子辅助沉积(iad)工艺以将沉积稀土氧化物保护层沉积到环的至少一个表面上。在一个实施例中，执行电子束离子辅助沉积工艺(eb-iad)。iad工艺可通过熔化待沉积的材料并以离子轰击该材料来执行。
薄膜保护层可以是y3al6o12、y4al2o9、er2o3、gd2o3、er3al6o12、gd3al6o12或含有y4al2o9与y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物或本文中所述的其他稀土氧化物。在一个实施例中，薄膜保护层的沉积速率可以是约每秒0.02埃至20埃(埃/秒，
在一个实施例中，材料包含着色剂，所述着色剂将使所沉积的保护层具有特定的颜色。可用的着色剂的示例包括nd2o3、sm2o3和er2o3。也可使用其他着色剂。
在框625处，作出是否要沉积任何附加的薄膜保护层的确定。如果将沉积附加的薄膜保护层，则工艺继续到框630。在框630处，在第一薄膜保护层上形成另一薄膜保护层。所述另一薄膜保护层可由与第一薄膜保护层的陶瓷不同的陶瓷组成。或者，所述另一薄膜保护层可由用于形成第一保护层的陶瓷相同的一种或多种陶瓷组成。
在一个实施例中，所述另一薄膜保护层不含任何着色剂。因此，即便后续的保护层由与底部保护层几乎相同的陶瓷材料组成，后续的保护层也可具有与底部保护层不同的颜色。这在保护层叠层向下腐蚀至底部保护层时使环改变颜色。颜色的变化可通知操作者是更换处理腔室的环的时候了。
在沉积了后续的保护层之后，方法返回到框625。如果在框625处没有附加的薄膜保护层将被施加，则工艺继续进行至框635。在框635处，使用火焰抛光工艺来抛光保护层的表面。在一个实施例中，抛光顶部保护层的表面以实现低于8微英寸的表面粗糙度。在另一实施例中，抛光顶部保护层的表面以实现约2微英寸至3微英寸的表面。
可在新环上执行工艺600，或可在使用过的环上执行工艺600以重新磨光使用过的环。在一个实施例中，在执行工艺600之前，抛光使用过的环。例如，通过在执行工艺600之前进行抛光，可去除先前的保护层。
利用iad工艺，可由高能离子(例如，其他粒子)源独立于其他沉积参数来控制高能粒子。根据高能离子流的能量(例如，速度)、密度和入射角，可操控薄膜保护层的组成、结构、晶向和晶粒尺寸。可调整的附加参数是沉积期间的制品温度以及沉积的持续时间。离子能量可粗略地分类为低能量离子辅助和高能量离子辅助。低能量离子辅助可包括约230伏特(v)的电压和约5安培(a)的电流。高能量离子辅助可包括约270伏特的电压和约7安培的电流。用于离子辅助的低能量和高能量不限于本文中所述的值。高能量与低能量的指定可附加地取决于所使用的离子的类型和/或用于执行iad工艺的腔室的几何形状。以比低能量离子辅助更高的、高能量离子辅助的速度来投射离子。在沉积期间的基板(制品)温度可粗略地划分为低温(在作为典型的室温的实施例中，约120℃～150℃)和高温(在一实施例中，约270℃)。对于高温iad沉积工艺，在沉积之前以及在沉积期间，可加热环。
表2a：使用iad形成的示例薄膜保护层
表2b：使用iad形成的示例薄膜保护层
表2a-2b示出使用具有各种沉积参数的iad而形成的多个示例薄膜保护层。实验结果标识了基于多因子实验设计(doe)的优化的涂覆工艺，所述涂覆工艺改变离子辅助能量、沉积速率和温度来获取共形的、致密微结构。涂层可在材料性质(微结构和/或晶相)和机械性质(硬度和粘附)以及裂纹密度和真空密封能力方面来表征。iad涂覆工艺优化可产生具有高密度薄膜(厚度高达约300微米)和低残留应力的iad涂层。经最佳化的参数可用于大多数稀土氧化物基涂层材料。
针对由y4al2o9与y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物形成的薄膜保护层，示出六个不同的示例。第一示例化合物陶瓷薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用低能量离子辅助和烧结塞状靶材的iad来形成：270℃的沉积温度以及
第二示例化合物陶瓷薄膜保护层具有6微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用低能量离子辅助和烧结塞状靶材的iad来形成：270℃的沉积温度、对于最初的2微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的4微米的2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第二示例化合物陶瓷薄膜保护层具有纳米结晶结构(其中，部分是结晶的且部分是非晶的)。当用作密封件时，第二示例化合物陶瓷薄膜保护层能够维持低至每秒5e-6立方厘米(cm3/s)的真空度。对第二示例化合物陶瓷薄膜保护层的目视检查显示出良好的共形性以及相比第一示例化合物陶瓷薄膜保护层更少的竖直裂纹。
第三示例化合物陶瓷薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用低能量离子辅助和烧结塞状靶材的iad来形成：270℃的沉积温度以及1埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第三示例化合物陶瓷薄膜保护层具有纳米结晶结构。当用作密封件时，第三示例化合物陶瓷薄膜保护层能够维持低至6.3e-6立方厘米分/秒(cm3/s)的真空度。对第三示例化合物陶瓷薄膜保护层的目视检查显示出良好的共形性以及比第一示例化合物陶瓷薄膜保护层更少的竖直裂纹。
第四示例化合物陶瓷薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用高能量离子辅助和烧结塞状靶材的iad来形成：270℃的沉积温度、对于最初的1微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的4微米的2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第三示例化合物陶瓷薄膜保护层具有大致非晶的结构。当用作密封件时，第三示例化合物陶瓷薄膜保护层能够维持低至1.2e-9立方厘米/秒(cm3/s)的真空度。对第四示例化合物陶瓷薄膜保护层的目视检查显示出良好的共形性、平滑的表面以及极少的竖直裂纹。此外，第四示例化合物陶瓷薄膜保护层具有7.825gpa的硬度。
第五示例化合物薄膜保护层使用与第四示例化合物薄膜保护层相同的参数来形成，但沉积温度为在室温(约120℃～150℃)下，并且利用煅烧粉末状靶材。第五示例化合物薄膜保护层显示出与第四示例化合物保护层类似的性质。
第六示例化合物陶瓷薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用高能量离子辅助和煅烧粉末状靶材的iad来形成：270℃的沉积温度、对于最初的1微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的4微米的4埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第三示例化合物陶瓷薄膜保护层具有大致非晶的结构。当用作密封件时，第三示例化合物陶瓷薄膜保护层能够维持低至1.2e-9立方厘米/秒(cm3/s)的真空度。第四示例化合物陶瓷薄膜保护层具有7.812gpa的硬度。
第一示例yag薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用低能量离子辅助和经熔合的块状靶材的iad来形成：270℃的沉积温度以及2.5埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第一yag陶瓷薄膜保护层具有非晶结构。第一yag薄膜保护层还具有5.7gpa的硬度，并且目视检查显示出良好的共形性、最少的裂纹和平滑的表面。
第二示例yag薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用高能量离子辅助和经熔合的块状靶材的iad来形成：270℃的沉积温度、对于最初的1微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的4微米的2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第二yag薄膜保护层具有非晶结构。第二yag薄膜保护层还具有8.5gpa的硬度，并且目视检查显示出良好的共形性、相比第一yag薄膜减少的裂纹以及平滑的表面。
具有交替的化合物陶瓷层与yag层的示例薄膜保护层叠层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用低能量离子辅助的iad来形成：270℃的沉积温度以及2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，交替层(对于yag层)是非晶的以及(对于化合物陶瓷层)是结晶或纳米结晶的。目视检查显示出化合物陶瓷层的减少的竖直裂纹。
第一示例er2o3薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用低能量离子辅助和烧结块状靶材的iad来形成：270℃的沉积温度以及2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第一er2o3陶瓷薄膜保护层具有结晶结构。目视检查显示出良好的共形性和竖直裂纹。
第二示例er2o3薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用高能量离子辅助和烧结块状靶材的iad来形成：270℃的沉积温度、对于最初的1微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的4微米的2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第二er2o3陶瓷薄膜保护层具有结晶结构。目视检查显示出良好的共形性以及相比第一er2o3陶瓷薄膜保护层更少的竖直裂纹。
第一示例eag薄膜保护层具有7.5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用高能量离子辅助和煅烧粉末状靶材的iad来形成：270℃的沉积温度、对于最初的1微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的数微米的2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第一eag陶瓷薄膜保护层具有非晶结构，并且层具有8.485gpa的硬度。目视检查显示出良好的共形性和最少的裂纹。
第二示例eag薄膜保护层具有7.5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用高能量离子辅助和煅烧粉末状靶材的iad来形成：120℃～150℃的沉积温度、对于最初的1微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的数微米的2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第二eag陶瓷薄膜保护层具有非晶结构，并且层具有9.057gpa的硬度。目视检查显示出良好的共形性以及相比第一eag陶瓷薄膜保护层更少的裂纹。
第三示例eag薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用高能量离子辅助和煅烧粉末状靶材的iad来形成：对于最初的1微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的数微米的2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第三eag陶瓷薄膜保护层具有非晶结构。
示例y2o3薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用高能量离子辅助和经熔合的块状靶材的iad来形成：270℃的温度、对于最初的1微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的数微米的2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，第三eag陶瓷薄膜保护层具有结晶结构。
示例yz20薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用高能量离子辅助和粉末状靶材的iad来形成：120℃～150℃的温度、对于最初的1微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的数微米的2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，yz20陶瓷薄膜保护层具有结晶结构。当用作密封件时，该yz20陶瓷薄膜保护层能够维持低至1.6e-7立方厘米/秒的真空度。yz20陶瓷薄膜保护层具有5.98gpa的硬度。
示例yf3薄膜保护层具有5微米的厚度，并且使用具有以下条件的、利用高能量离子辅助的iad来形成：120℃～150℃的温度、对于最初的1微米的1埃/秒的沉积速率以及对于后续的数微米的2埃/秒的沉积速率。x-光衍射结果显示，yf3陶瓷薄膜保护层具有非晶结构。当用作密封件时，yf3陶瓷薄膜保护层能够维持低至2.6e-9立方厘米/秒的真空度。yf3陶瓷薄膜保护层具有3.411gpa的硬度。
表3：环的最佳涂覆工艺参数
表3示出根据一个实施例的、用于涂覆环的最佳的iad处理参数。表3附加地示出可用于一些实施例中以沉积薄膜保护层的处理参数范围。在一个实施例中，使用以下参数来执行iad工艺：150伏特(v)～270伏特的电压、5安培(a)～7安培的电流、100℃～270℃的温度、每秒
可调整由电子束施加的热的量来控制涂层沉积速率。离子辅助能量可用于使涂层致密化并且加速材料在盖或喷嘴的表面上的沉积。通过调整离子源的电压和/或电流可修改离子辅助能量。可调整电流与电压以实现高涂层密度和低的涂层密度，从而操控涂层的应力，并且也影响涂层的结晶度。在一些实施例中，可使用在50伏特至500伏特以及1安培至50安培的范围内的离子辅助能量。沉积速率可从0.01埃/秒变化至20埃/秒间。
在一个实施例中，与包含y4al2o9和y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物一起使用的高离子辅助能量形成非晶保护层，而与包含y4al2o9和y2o3-zro2固溶体的陶瓷化合物一起使用的低离子辅助能量形成结晶保护层。离子辅助能量也可用于改变保护层的化学计量。例如，可使用金属靶材，并且所述金属靶材在沉积金属材料期间通过在盖或喷嘴的表面处氧离子的并入而转化为金属氧化物。此外，使用喷氧枪，可改变并优化任何金属氧化物涂层的水平(level)以实现期望的涂层性质。例如，大多数稀土氧化物在真空腔室内失氧。通过在腔室内渗入更多氧，可补偿氧化物涂层材料的缺氧。
可通过使用加热器(例如，加热灯)以及通过控制沉积速率来控制涂层温度。较高的沉积速率通常将使盖或喷嘴的温度升高。可改变该沉积温度以控制膜应力、结晶度，等等。温度可从20℃变化至500℃。
可调整工作距离以修改均匀度、密度和沉积速率。工作距离可从10英寸变化至300英寸。沉积角或入射角可通过电子束枪或电子束炉的位置或通过改变盖或喷嘴相对于电子束枪或电子束炉的位置而改变。通过优化沉积角，可实现三维几何形状的均匀的涂层。沉积角可在0度至90度间变化，并且在一个特定的实施例中，可在10度至90度间变化。
在一个实施例中，使用约188伏特的电压并结合使用具有相关联的处理参数范围内的任一处理参数范围的其他处理参数来执行iad工艺。在一个实施例中，使用约7安培的电流并结合使用具有相关联的处理参数范围内的任一处理参数范围的其他处理参数来执行iad工艺。在一个实施例中，使用约150℃的温度并结合使用具有相关联的处理参数范围内的任一处理参数范围的其他处理参数来执行iad工艺。在一个实施例中，使用约1埃/秒的沉积速率并结合使用具有相关联处理参数范围内的任一处理参数范围的其他处理参数来执行iad工艺。在进一步的实施例中，使用2埃/秒的沉积速率，直到所沉积的薄膜达到1微米的厚度为止，在此之后，使用1埃/秒的沉积速率。在另一实施例中，最初使用0.25埃/秒至1埃/秒的沉积速率以在基板上形成共形性良好的粘附涂层。随后，可使用2埃/秒至10埃/秒的沉积速率来沉积薄膜保护层的其余部分，从而在较短的时间内实现较厚的涂层。
在一个实施例中，使用约30度的入射角度并结合使用具有相关联的处理参数范围内的任一处理参数范围的其他处理参数来执行iad工艺。在一个实施例中，使用约50英寸的工作距离并结合使用具有相关联的处理参数范围内的任一处理参数范围的其他处理参数来执行iad工艺。
图7示出暴露于电介质蚀刻的ch4化学物质的各种材料的腐蚀速率，包括根据本文中所述的实施例而生成的多种不同的iad涂层的腐蚀速率。如图所示，石英的腐蚀速率为约1.5.3微米/射频小时(μm/rfhr)，sic的腐蚀速率为约1.2微米/射频小时，si-sic的腐蚀速率为约1.2微米/射频小时，iad沉积的yag的腐蚀速率为约0.2微米/射频小时，iad沉积的eag的腐蚀速率为约0.24微米/射频小时，iad沉积的化合物陶瓷的腐蚀速率为约0.18微米/射频小时，iad沉积的y2o3的腐蚀速率为约0.18微米/射频小时，iad沉积的er2o3的腐蚀速率为约0.18微米/射频小时。一个射频小时为一个工艺处理小时。
图8-9示出根据本发明的实施例而形成的薄膜保护层的腐蚀速率。图8示出薄膜保护层在暴露于ch4/cl2等离子体化学物质下时的腐蚀速率。如图所示，iad沉积的薄膜保护层显示出相比al2o3大幅改善的抗腐蚀性。例如，具有92％纯度的氧化铝显示出约18纳米/射频小时(nm/rfhr)的腐蚀速率，而具有99.8％纯度的氧化铝显示出约56纳米/射频小时的腐蚀速率。相比之下，iad沉积的化合物陶瓷薄膜保护层显示出约3纳米/射频小时的腐蚀速率，iad沉积的yag薄膜保护层显示出约1纳米/射频小时的腐蚀速率。
图9示出薄膜保护层在暴露于h2/nf3等离子体化学物质时的腐蚀速率。如图所示，iad的沉积薄膜保护层显示出相比al2o3大幅改善的抗腐蚀性。例如，具有92％纯度的氧化铝显示出约190纳米/射频小时的腐蚀速率，具有99.8％纯度的氧化铝显示出约165纳米/射频小时的腐蚀速率。相比之下，iad沉积的yag薄膜保护层显示出约52纳米/射频小时的腐蚀速率。类似地，使用利用低能量离子的iad而沉积的化合物陶瓷薄膜保护层显示出约45纳米/射频小时的腐蚀速率，而使用利用高能量离子的iad而沉积的化合物陶瓷薄膜保护层显示出约35纳米/射频小时的腐蚀速率。使用利用高沉积温度(例如，约270℃)的iad而沉积的eag薄膜保护层显示出约95纳米/射频小时的腐蚀速率，而使用利用低沉积温度(例如，约120℃～150℃)的iad而沉积的eag薄膜保护层显示出约70纳米/射频小时的腐蚀速率。使用利用高能量离子的iad而沉积的er2o3薄膜保护层显示出约35纳米/射频小时的腐蚀速率。
图10-11示出根据本发明的实施例而形成的薄膜保护层的粗糙度概况。图10示出图8的薄膜保护层在暴露于ch4/cl2等离子体化学物质之前以及暴露于ch4/cl2等离子体化学物质达100射频小时之后的表面粗糙度概况。如图所示，iad沉积的薄膜保护层在暴露于ch4/cl2等离子体化学物质达100射频小时之后显示出最小的表面粗糙度变化。
图11示出图9的薄膜保护层在暴露于h2/nf3等离子体化学物质之前以及暴露于h2/nf3等离子体化学物质达35射频小时之后的表面粗糙度概况。如图所示，iad沉积的薄膜保护层在暴露于h2/nf3等离子体化学物质达35射频小时之后显示出最小的表面粗糙度变化。
图12示出在低偏置下暴露于cf4-chf3沟槽蚀刻化学物质的各种材料的腐蚀速率，包括根据本文中所述的实施例而生成的多种不同的iad涂层的腐蚀速率。如图所示，92％氧化铝的腐蚀速率为约0.26微米/射频小时(μm/rfhr)，iad沉积的eag的腐蚀速率为约0.18微米/射频小时，iad沉积的yag的腐蚀速率为约0.15微米/射频小时，等离子体喷涂沉积的化合物陶瓷的腐蚀速率为约0.09微米/射频小时，iad沉积的y2o3的腐蚀速率为约0.08微米/射频小时，iad沉积的陶瓷化合物的腐蚀速率为约0.07微米/射频小时，块状y2o3的腐蚀速率为约0.07微米/射频小时，块状陶瓷化合物的腐蚀速率为约0.065微米/射频小时，而iad沉积的er2o3的腐蚀速率为约0.05微米/射频小时。当在高偏置下使用cf4-chf3沟槽蚀刻化学物质来蚀刻这些材料时，类似的蚀刻结果会发生。例如，在高偏置下，92％氧化铝的蚀刻速率为约1.38微米/射频小时，iad沉的积eag的腐蚀速率为约0.27微米/射频小时，iad沉积的yag的腐蚀速率为约0.27微米/射频小时，等离子体喷涂沉积的化合物陶瓷的腐蚀速率为约0.35微米/射频小时，iad沉积的y2o3的腐蚀速率为约0.18微米/射频小时，iad沉积的陶瓷化合物的腐蚀速率为约0.19微米/射频小时，块状y2o3的腐蚀速率为约0.4微米/射频小时，块状陶瓷化合物的腐蚀速率为约0.4微米/射频小时，而iad沉积的er2o3的腐蚀速率为约0.18微米/射频小时。
在对涂覆有根据本发明的实施例的薄膜稀土氧化物抗等离子体层的环经湿法清洗之后的粒子分析已显示，对于尺寸大于或等于0.2毫米的粒子，具有每平方厘米12612个粒子(粒子/平方厘米)的粒子计数，相比之下，利用常规的环时，对于尺寸大于或等于0.2毫米的粒子，粒子计数为47400粒子/平方厘米。对于尺寸大于或等于0.3毫米的粒子，示出了3333粒子/平方厘米的粒子计数，相比的下，对于常规的环，粒子计数为12720粒子/平方厘米。对于尺寸大于或等于0.5毫米的粒子，示出了702粒子/平方厘米的粒子计数，相比之下，对于常规的环，粒子计数为3708粒子/平方厘米。对于尺寸大于或等于1.0毫米的粒子，示出了108粒子/平方厘米的粒子计数，相比之下，对于常规的环，粒子计数为1070粒子/平方厘米。对于尺寸大于或等于2.0毫米的粒子，示出了20粒子/平方厘米的粒子计数，相比之下，对于常规的环，粒子计数为320粒子/平方厘米。因此，本文中的实施例制成具有比传统环的粒子计数大致低3.75倍的粒子计数的环。此外，根据本文中的实施例制成的环中的微量金属污染物的水平低于或等于常规的环的微量金属污染物。
以上描述陈述了诸多特定细节(诸如，特定的系统、部件、方法等的示例)，从而提供对本发明的若干实施例的良好理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，可在不具有这些特定细节的情况下实施本发明的至少一些实施例。在其他实例中，不详细地描述或以简单的框图格式来呈现公知的部件或方法以避免不必要地使本发明含糊。因此，所陈述的特定细节仅是示例性的。特定的实现方案可与这些示例性细节有所不同，并且仍被构想为在本发明的范围内。
遍及本说明书提及“一个实施例”或“一实施例”意指结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，遍及本说明书的各处中出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定全部都指同一个实施例。此外，术语“或”旨在表示包括性的“或”而不是排他性的“或”。当在本文中使用术语“约(about)”或“大致(approximately)”时，旨在表示所呈现的标称值在±30％之内是精确的。
虽然以特定的顺序示出和描述了本文中的方法的诸操作，然而可改变每一种方法的操作的顺序，使得可逆序地执行某些操作，或使得可至少部分地与其他操作同时地执行某些操作。在其他实施例中，不同的操作的指令或子操作可以是间歇的和/或交替的方式。
将会理解，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。在本领域技术人员阅读并理解上述描述后，许多其他实施例对于他们将是显而易见的。因此，本发明的范围应当参照所附权利要求以及由此类权利要求赋予权利的等效方案的完整范围来确定。
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