用于工艺环上的稀土氧化物基薄膜涂层的离子辅助沉积

摘要

一种制造制品的方法包括提供用于蚀刻反应器的环。随后，执行离子辅助沉积(IAD)以在环的至少一个表面上沉积保护层，其中，保护层是抗等离子体的稀土氧化物膜，所述抗等离子体的稀土氧化物膜具有小于300微米的厚度以及小于6微英寸的平均表面粗糙度。

说明书

技术领域

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。

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M_xO_y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(bonding strength)。

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-xZr_xO₃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-xZr_xO₃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，)，且薄膜保护层的沉积速率可通过调整沉积 参数来改变。在一个实施例中，最初使用0.25埃/秒至1埃/秒的沉积速率 以在基板上实现共形良好的粘附涂层。随后，可使用2埃/秒至10埃/秒的 沉积速率以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。薄膜保护层可以是共形性很好的，厚度可以是均匀的，并可具有对 于薄膜保护层被沉积在的主体/基板的良好的粘附。

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2埃/秒的沉积速率。X-光衍射结果显示， 第一示例化合物陶瓷薄膜保护层具有结晶结构。第一示例化合物陶瓷薄膜 保护层还具有4.11GPa的硬度，并且目视检测显示出与下方的基板的良好 的共形性(conformance)以及一些竖直裂纹和一些尖刺。

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0.01埃～20 埃的沉积速率、0度～90度的入射角度以及10英寸至300英寸(in.)的 工作距离。在另一实施例中，使用以下参数来执行IAD工艺：50伏特～500 伏特的电压、1安培～50安培的电流、20℃～500℃的温度、0.01埃/秒～ 20埃/秒的沉积速率、10英寸至300英寸的工作距离以及10度～90度的入 射角。

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。