纳米粉末、纳米陶瓷材料及其制造与使用方法
技术领域
本文的实施例涉及纳米粉末、纳米陶瓷材料及其制造与使用的方法。纳米粉末含有纳米粒子，纳米粒子具有带有薄膜涂层的核心粒子。核心粒子与薄膜涂层独立地由含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物或其组合中的至少一个所形成。可使用诸如原子层沉积(ALD)的非直视性(non-line of sight)技术形成薄膜涂层。
背景技术
各种半导体制造处理使用高温、高能等离子体、腐蚀性气体的混合物、高应力、及其组合。这些极端状况将处理腔室内的部件暴露于等离子体辐照，其造成处理漂移与粒子产生。例如，用于干蚀刻与清洗处理的氟基等离子体可能致使部件表面的氟化。腔室内的部件通常含有氧化铝，其具有对于纳米尺度装置制造的严重侵蚀与粒子产生问题。
通常通过各种方法(诸如热喷涂、溅射、等离子体喷涂或蒸镀技术)将保护性涂层沉积在腔室部件上。然而，这种涂层可能具有对于半导体处理的不适当的机械性质(诸如弯曲强度与破裂韧性)。这种涂层通常具有微晶结构。
发明内容
本文的实施例中描述的是包含多个纳米粒子的纳米粉末，其中多个纳米粒子的至少一部分包含：核心粒子，核心粒子包含第一材料，第一材料选自由含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物及其组合所构成的群组；和覆盖核心粒子的薄膜涂层，薄膜涂层包含第二材料，第二材料选自由含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物及其组合所构成的群组。
本文的进一步实施例中描述的是包含执行原子层沉积以形成多个纳米粒子的方法，包含形成覆盖核心粒子的薄膜涂层，其中核心粒子包含选自由含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物及其组合所构成的群组的第一材料；并且其中薄膜涂层包含选自由含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物及其组合所构成的群组的第二材料。
本文的进一步实施例是形成纳米陶瓷部件的方法，包含：(a)以多个纳米粒子填充模具，其中多个纳米粒子的至少一部分包含：包含第一材料的核心粒子，第一材料选自由含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物及前述物的组合所构成的群组；以及覆盖核心的薄膜涂层，薄膜涂层包含第二材料，第二材料选自由含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物及前述物的组合所构成的群组；以及(b)烧结多个纳米粒子以形成纳米陶瓷部件。
附图说明
附图中的图作为示例以说明本发明，而非作为限制，在附图中的同样附图标记指示类似组件。应注意到关于在本公开中不同的“一(an)”或“一个(one)”实施例并不必然为相同实施例，且此种表示意味着至少一个。
图1描绘根据本文所述实施例的在原子层沉积处理期间形成的纳米粉末。
图2描绘根据本文所述实施例的在原子层沉积处理期间形成的纳米粉末。
图3A绘示根据本文所述实施例的使用原子层沉积制备纳米粉末的方法。
图3B绘示根据本文所述实施例的使用纳米粉末的方法。
图4描绘处理腔室的剖面视图。
具体实施方式
本文所述的实施例关于纳米粉末、纳米陶瓷材料及其制备与使用的方法，其中纳米粉末包含纳米粒子，纳米粒子的至少一部分中的每一个具有被薄膜涂布的核心粒子。核心粒子与薄膜涂层包含独立地选自由含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物或含稀土金属氟氧化物中的至少一个的不同材料。
图1是根据本文所述的实施例的包含多个纳米粒子105的纳米粉末100的图像。如图1所示，纳米粒子的至少一部分包括核心粒子110与在核心粒子上的薄膜涂层115。在某些实施例中，纳米粒子105的核心粒子110由含有第一材料的粉末形成，第一材料选自由含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物或含稀土金属氟氧化物或其组合。在某些实施例中，核心粒子110的尺寸为从约5nm至约100nm、或约10nm至约90nm、或约20nm至约80nm、或约30nm至约70nm。在一些实施例中，核心粒子的尺寸为约5nm、或约10nm、或约20nm、或约30nm、或小于约100nm。
注意到本文关于纳米粒子描述实施例。然而，应理解到实施例也可作用于具有在约1-100微米的尺度上的尺寸的微粒子。
在某些实施例中，核心粒子110上的薄膜涂层115由第二材料形成，第二材料选自由含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物或含稀土金属氟氧化物或其组合。薄膜涂层115的第二材料与核心粒子110的第一材料不同。在某些实施例中，薄膜涂层115的厚度可以是约1nm至约500nm、或约1nm至约250nm、或约1nm至约100nm、或约1nm至约50nm、或约1nm至约25nm、或约1nm至约10nm、或约1nm至约5nm、或约30nm至约40nm、或约3nm至约5nm。在一些实施例中，薄膜涂层的厚度可以是约1nm、或约3nm、或约4nm、或约5nm、或约10nm、或约25nm、或约50nm、或约100nm。在实施例中，薄膜涂层115具有约1g/cm3至约20g/cm3、或约2g/cm3至约15g/cm3、或约3g/cm3至约10g/cm3、或约4g/cm3至约7g/cm3的密度。在一些实施例中，薄膜涂层115的密度为约1g/cm3、或约2g/cm3、或约3g/cm3、或约4g/cm3、或约5g/cm3、或约6g/cm3、或约7g/cm3。根据本文所述的实施例的纳米粉末100中的纳米粒子105为从约5nm至约600nm、或约10nm至约300nm、或约25nm至约250nm、或约50nm至约100nm。
如图1所示，纳米粉末100中的纳米粒子105的至少一部分具有薄膜涂层115。在某些实施例中，纳米粒子的至少一部分被薄膜涂层120完全地涂布。在某些实施例中，纳米粒子的至少一部分可被薄膜涂层125部分地涂布。在某些实施例中，纳米粉末100中的至少约5％、或约10％、或约25％、或约50％、或约75％、或约90％、或约95％的纳米粒子105被至少部分地涂布。在某些实施例中，纳米粉末100中的至少约5％、或约10％、或约25％、或约50％、或约75％、或约90％、或约95％的纳米粒子105被薄膜涂层完全地涂布。
核心粒子110的第一材料与薄膜涂层115的第二材料独立地选自含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物及其组合。虽然第一材料与第二材料可含有共同元素，但第一材料与第二材料不同。第一材料和/或第二材料中的稀土金属可选自钇、铒、镧、镏、钪、钆、钐和/或镝。含稀土金属氧化物的示例包括但不限于氧化钇(Y2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化钪(Sc2O3)、其组合、等等。含稀土金属氟化物的示例包括但不限于氟化钇(YF3)、氟化铒(ErF3)、氟化镝(DyF3)、氟化钆(GdF3)、氟化钪(ScF3)、其组合、等等。含稀土金属氟氧化物的示例包括但不限于氟氧化钇(YxOyFz或YOF)、氟氧化铒(ErxOyFz)、氟化镝(DyF3)、氟氧化镝(DyxOyFz)、氟氧化钆(GdxOyFz)、氟氧化钪(ScxOyFz)、其组合、等等。
在某些实施例中，核心粒子110和/或薄膜涂层115可包括Y2O3、Y3Al5O12(YAG)、Y4Al2O9(YAM)、YF3、YOF、Er2O3、Er3Al5O12(EAG)、ErF3、EOF、La2O3、Lu2O3、Sc2O3、ScF3、ScOF、Gd2O3、Sm2O3或Dy2O3中的至少一个。核心粒子110和/或薄膜涂层115也可以是YAlO3(YAP)、Er4Al2O9(EAM)、ErAlO3(EAP)或镧、镏、钪、钆、钐或镝的其他三元变体。前述含稀土金属材料的任一个可包括痕量的其他材料，诸如ZrO2、Al2O3、SiO2、B2O3、Er2O3、Nd2O3、Nb2O5、CeO2、Sm2O3、Yb2O3和/或其他氧化物。
在某些实施例中，含有多个纳米粒子105的纳米粉末100含有约40mol％至约90mol％、或约50mol％至约80mol％、或约60mol％至约70mol％的氧化钇以及约10mol％至约60mol％、或约20mol％至约50mol％或约30mol％至约40mol％的氧化锆。在某些实施例中，含有多个纳米粒子105的纳米粉末100含有约60mol％至约70mol％的氧化钇及约30mol％至约40mol％的氧化锆。在某些实施例中，核心粒子110是氧化锆并且薄膜涂层115是氧化钇。在某些实施例中，核心粒子110是氧化钇并且薄膜涂层115是氧化锆。在某些实施例中，在核心中的含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物或其的组合对于薄膜涂层中的含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物或其组合的比率可以是约1:100至约100:1、或约1:75至约75:1、或约1:50至约50:1、或约1:35至约35:1、或约1:20至约20:1、或约1:15至约15:1、或约1:10至约10:1、或约1:5至约5:1、或约1:100至约35:1。
在核心粒子是由ZrO2所形成且具有约100nm的尺寸并且薄膜涂层是由Y2O3以变化的厚度所形成的某些实施例中，各成分的浓度(以摩尔％为单位)可如表1所示。类似地，表1显示各成分的浓度，其中核心粒子是由Y2O3所形成且具有约100nm的尺寸并且薄膜涂层是由ZrO2以变化的厚度所形成。
表1–根据实施例的纳米粒子的摩尔浓度
表1续：
参照表1，在某些实施例中，为了实现具有Y2O3(薄膜涂层)对于ZrO2(核心粒子)的比率为约60摩尔％至约70摩尔％的组成物，Y2O3薄膜涂层(即，“壳”)的厚度应在约30nm至约40nm的范围中。同样地，对于约100nm的Y2O3核心粒子，在某些实施例内，为了实现具有Y2O3(核心粒子)对于ZrO2(薄膜涂层)的比率为约60摩尔％至约70摩尔％的组成物，ZrO2薄膜涂层的厚度在约3nm至约5nm的范围内。
图2描绘根据本文所述的至少一个实施例的纳米粉末200中的纳米粒子205。纳米粒子205的至少一部分可具有球状外形，带有在球形的相对侧上的深凹痕210。换言之，某些纳米粒子205可具有环状外形(donut shape)215。不被任何特定理论局限，据信，在某些实施例中，由带有具有环状外形215的纳米粒子205的纳米粉末200形成的纳米涂层相较于由其他形状的纳米粒子形成的纳米涂层会具有改善的形态和孔隙度。例如，由于纳米粉末的改善的熔化、降低的粗糙度、及降低的孔隙度，由具有环状外形215的纳米粒子205形成的纳米涂层会具有较少球结(nodules)与泼溅(splats)，，这些效果提供了改善的晶片上粒子表现。
根据本文所述实施例的具有多个纳米粒子的纳米粉末可使用原子层沉积(ALD)而形成。ALD通过与基板表面(例如，核心粒子的起始材料)的化学反应允许受控的自限材料沉积。除了为共形处理之外，ALD也是均匀处理且能够形成非常薄的膜，例如，具有约1nm或更大的厚度。核心粒子的所有的暴露表面会具有相同或近似相同的沉积材料量。ALD处理的典型反应循环起始于前驱物(即，单一化学品A)涌入ALD腔室并被吸附于核心粒子的暴露表面上。在反应物(即，单一化学品R)被引入ALD腔室之前，过量的前驱物接着被排出ALD腔室，反应物在之后被排出。对于ALD，材料的最终厚度取决于反应循环执行的次数，因为每一次反应循环会生长某一厚度的一层，某一厚度可以是一原子层或原子层的部分。ALD技术可在相对低温(例如，约25℃至约350℃)下沉积薄材料层，使得其不损害起始材料。
ALD对于形成如本文所述的含稀土金属纳米粉末是特别有用的。常规的直视性沉积方法相较于通过ALD沉积会产生较厚的涂层覆盖核心粒子。甚至，此类常规方法会致使凝聚而造成微米尺寸粒子。这些粒子太大以致不能在纳米尺度装置制造中使用。因此，本文某些实施例的成果为将薄膜涂层施加至核心粒子以产生包含多个纳米粒子的纳米粉末，这些纳米粒子能抵抗处理腔室中的严苛等离子体与反应物条件。此类纳米粉末可例如用于形成用于离子辅助沉积溅射装置的靶材，作为用于等离子体喷涂处理的基底材料或用于形成纳米陶瓷部件(例如，以此纳米粉末填充用于部件的模具并烧结此纳米粉末以形成纳米陶瓷部件)。
可以利用含稀土金属前驱物与由氧和/或氟所构成的一或多种反应物或含氧和/或氟的一或多种反应物使用ALD形成本文所述的核心粒子上的薄膜涂层。形成金属氧化物层的合适的氧-反应物可以是氧气、水蒸气、臭氧、纯氧、氧自由基、或其他氧来源。形成金属氟化物层的合适氟-反应物可例如为氟化物(例如，TiF4、HF)或其他氟来源。
含稀土金属前驱物可包括但不限于钇、铒、镧、镏、钪、钆、钐或镝。合适的钇前驱物的示例包括但不限于三(N,N-双(三甲基硅烷)胺]钇(III)或丁氧化钇(III)并且对应的反应物可以是O2、H2O或O3。合适铒前驱物的示例包括但不限于三-甲基环戊二烯铒(III)(Er(MeCp)3)、硼酰胺铒(Er(BA)3)、Er(TMHD)3、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铒(III)、或三(丁基环戊二烯)铒(III)并且对应的反应物可以是O2、H2O或O3。
存在各种类型的ALD处理，且基于诸如将涂布的基板、涂层材料、表面与涂层材料之间的化学交互作用等等的数种因素可选择特定类型的ALD处理。用于各种ALD处理的一般原则包含通过把将涂布的表面重复地暴露于气态化学前驱物的脉冲而生长薄膜层，气态化学前驱物以自限方式一次一种地与表面化学反应。
在示例实施例中，用于形成含稀土金属氟氧化物薄膜涂层的第一处理可包括执行x次原子层沉积(ALD)循环以形成在核心粒子上的第一稀土氧化物层。此处理可进一步包括执行y次ALD循环以在第一稀土氧化物薄膜层上形成第一稀土氟化物薄膜层。第一稀土氧化物层与第一稀土氟化物层可包含相同的稀土金属。此处理可进一步包括以下至少一者：将来自第一稀土氟化物层的氟原位扩散进入含第一稀土金属氧化物层或将来自含第一稀土金属氧化物层的氧原位扩散进入含第一稀土金属氟化物层，以形成含第一稀土金属氟氧化物薄膜涂层。第一稀土氟氧化物薄膜涂层可具有基于x与y的氧对于氟的摩尔比率。
在示例实施例中，在核心粒子上形成稀土氟氧化物薄膜涂层的第二处理可包括执行ALD循环以形成在核心粒子的表面上的第一稀土氟氧化物层。第一稀土氟氧化物可具有氧对于氟的目标摩尔比率。ALD循环可包括通过将含稀土金属前驱物注入含有核心粒子的沉积腔室中，形成在核心粒子的表面上的稀土金属的第一吸收层。ALD循环可进一步包括通过将至少一种含氧反应物以第一剂量率并且将至少一种含氟反应物以第二剂量率共同注入沉积腔室，使至少一种含氧反应物和至少一种含氟反应物与第一吸收层反应。
在示例实施例中，用于在核心粒子上形成稀土氟氧化物薄膜涂层的第三处理可包括执行z次ALD循环以在核心粒子的表面上形成含第一稀土金属氧化物层。此处理可进一步包括将核心粒子暴露于含氟物种。此处理可进一步包括将含第一稀土金属氧化物层转变成含第一稀土金属氟氧化物薄膜涂层。此处理可进一步包括执行至少一次附加的ALD循环以形成附加的稀土氧化物层。此处理可进一步包括将核心粒子暴露于含氟物种。此处理可进一步包括将附加的含稀土金属氧化物层转变成附加的含稀土金属氟氧化物薄膜涂层。
可重复这些处理以形成进一步的稀土氟氧化物层，直到达到目标厚度。
图3A绘示根据实施例用于制备包含多个纳米粒子的纳米粉末的方法300。在框304，方法300可以由以下可选地开始：选择用于核心粒子的起始材料或通过使用反序滴定共沉积(reverse strike co-precipitation)处理形成起始材料以控制本领域普通技术人员所知的粒径分布。可由以ALD形成纳米粉末的相同实体或通过不同实体而执行选择或形成起始材料。在某些实施例中，起始材料中的核心粒子可以是纯氧化钇、纯氧化锆或在约60mol％至约70mol％的氧化钇以及在约30mol％至约40mol％的氧化锆的氧化钇和氧化锆的复合物。
在框305，含有核心粒子的起始材料被载入ALD沉积腔室中。例如，核心粒子可以是粉末的形式，通过使用本领域普通技术人员所知的各种方法而将其引入处理腔室中。
在框310，方法300包括使用ALD在核心粒子的至少一部分上沉积薄膜涂层。相继地执行表面反应(例如，半反应)，并且前驱物与反应物在实施例中不会接触。在引入前驱物或反应物之前，可以用惰性载体气体(诸如氮或空气)净化其中发生ALD处理的腔室，以移除任何未反应的前驱物和/或表面-前驱物反应副产物。ALD处理可在各种温度被执行，取决于处理的类型。用于特定ALD处理的最佳温度范围被称为“ALD温度窗”。低于ALD温度窗的温度会造成不佳的生长速率与非ALD类型沉积。高于ALD温度窗的温度会造成经由化学气相沉积(CVD)机制发生的反应。ALD温度窗的范围可以是从约100℃至约650℃。在某些实施例中，ALD温度窗是从约20℃至约200℃、或约25℃至约150℃、或约100℃至约120°C、或约20℃至125℃。
ALD处理可提供在核心粒子上具有均匀厚度的共形薄膜。前驱物对核心粒子的表面的充足暴露时间使得前驱物能够散布并与核心粒子充分反应。此外，ALD技术相较于其他常用的涂布技术是有优势的，因为ALD技术允许按要求的特定组成物或配方的原位材料合成，而不需冗长与困难地制造来源材料(诸如粉末原料与经烧结靶材)。
薄膜涂层可具有约1nm至约500nm、或约1nm至约250nm、或约1nm至约100nm、或约1nm至约50nm、或约1nm至约25nm、或约1nm至约10nm、或约1nm至约5nm的厚度。在某些实施例中，薄膜涂层的厚度可以是约1nm、或约5nm、或约25nm、或约50nm、或约100nm。在某些实施例中，在核心中的含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物或其组合对薄膜涂层中的含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物其组合的比率可以是约1:100至约100:1、或约1:75至约75:1、或约1:50至约50:1、或约1:35至约35:1、或约1:20至约20:1、或约1:15至约15:1、或约1:10至约10:1、或约1:5至约5:1、或约1:100至约35:1。在某些实施例中，纳米粉末中的至少约90％、或至少约80％、或至少约70％、或至少约60％、或至少约50％、或至少约40％、或至少约30％、或至少约20％、或至少约10％、或至少约5％、或至少约1％的核心粒子被薄膜所涂布。对于个别纳米粒子，薄膜涂层可覆盖整个核心粒子或仅核心粒子的一部分(例如，约90％、或约80％、或约70％、或约60％、或约50％、或约40％、或约30％、或约20％、或约10％、或约5％、或约1％)。
在框315，收集完成的含多个纳米粒子的纳米粉末。纳米粉末中的纳米粒子可以是约5nm至约600nm、或约10nm至约300nm、或约25nm至约250nm、或约50nm至约100nm。纳米粒子可以是球形且在所有侧边上为圆弧的，或在某些实施例中可具有如上述的环状外形。在某些实施例中，核心粒子中的含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物或其组合对薄膜涂层中含稀土金属氧化物、含稀土金属氟化物、含稀土金属氟氧化物或其组合的重量比率为约1:100至约100:1、或约1:75至约75:1、或约1:50至约50:1、或约1:35至约35:1、或约1:20至约20:1、或约1:15至约15:1、或约1:10至约10:1、或约1:5至约5:1、或约1:100至约35:1。
图3B绘示使用在方法300中形成的纳米粉末的方法301。在框315从ALD腔室收集的纳米粉末可以各种不同的方式使用。在一个示例中，在框320，纳米粉末可用于形成用于离子辅助沉积(IAD)处理的溅射靶材。纳米粉末可用以形成使用IAD处理的保护性涂层对象。材料来源可以是由纳米粉末形成的靶材，靶材提供一通量的沉积材料，同时高能粒子来源提供一通量的高能粒子(即，来自靶材的奈米粒子)，两者通过IAD处理而冲击在粒子上。用于提供沉积材料的靶材可以是由本文所述的纳米粉末形成的块体经烧结陶瓷。实施例可利用一或多种等离子体或束以提供沉积材料与高能离子来源。在保护性涂层的沉积期间也可提供反应性物种。经由IAD处理，可通过高能离子(或其他粒子)来源而无关其他沉积参数来控制高能粒子。根据高能离子通量的能量(例如，速度)、密度及入射角，可操纵物件上保护性涂层的组成、结构、结晶定向及晶粒尺寸。可被调整的额外参数为在沉积期间的物件的温度以及沉积的持续期间。离子能量可大略地分类成低能量离子辅助与高能量离子辅助。高能量离子辅助的离子相较于低电量离子辅助的离子以较高速度投射。
在另一示例中，在框325，纳米粉末可被等离子体喷涂在物件上。例如，纳米粉末可被等离子体喷涂在物件上，物件包括但不限于腔室壁、喷头、喷嘴、等离子体产生单元(例如，带有外壳的射频电极)、扩散器及气体管线。在将纳米粉末等离子体喷涂在物件上以形成涂层之前，物件可被粗糙化。例如可通过对物件珠粒喷砂(bead blasting)来执行粗糙化。粗糙化此物件提供定锚点以创造等离子体喷涂的纳米粉末与物件表面之间的机械接合用于更佳的黏附。由等离子体喷涂纳米粉末形成的完成的涂层可具有高达约200微米或更厚的经喷涂厚度，并且在某些实施例中可被研磨至约50微米的最终厚度。等离子体喷涂的纳米粉末涂层可具有约2％至约4％的孔隙度。
在另一示例中，在框330，用于部件的模具可以用纳米粉末来填充并且随后被形成为纳米陶瓷部件(例如，经由烧结)。
在框335，含多个纳米粒子的纳米粉末可被烧结以形成纳米陶瓷材料。烧结是使用热、压力和/或能量由粉末形成块体材料的方法。在某些实施例中，通过施加2730°F至约3275°F的温度和/或约25MPa至约1GPa的压力来烧结多个纳米粒子。粉末可以是具有在从纳米至微米的范围内的各种尺寸的粒子的各种材料(例如，金属、陶瓷、等等)。粉末可以是具有两种或更多种成分的单一相或更多相的复合物。
烧结技术的示例包括但不限于无压烧结、火花等离子体烧结、以及高压烧结。在实施例中，使用火花等离子体烧结处理(SPS)烧结纳米粉末。SPS是使用高温等离子体(即，火花等离子体)的压力辅助快速烧结方法，通过在直流(DC)脉冲的开关期间的放电，随时地在粉末材料之间的气体中产生高温等离子体。DC电流可产生数种效应，包括火花等离子体、火花冲击压力、焦耳加热、及电场扩散效应。通过这些效应，通过迅速加热、压力及粉末表面清洗的合并效应，SPS可迅速地将粉末巩固至近理论密度。
在其他实施例中，使用增强压力辅助烧结处理(EPAS)来烧结纳米粉末。EPAS利用压力辅助烧结方法，但结合在纳米粉末处理的所有步骤与烧结期间的严格环境控制，使得纳米粒子表面是干净的且无吸附物、添加物、或助烧结剂。干净的纳米粒子表面本身为高位能态，其中表面能量被最大化并且与致密化相关的扩散机制被增强。压力效应(增加速率的致密化，等等)以及高度活性的纳米粒子表面的耦合促进带有受控粗化的高速率致密化。这允许创造带有先前未获得过的结构、组成、和性质的材料，在次微米或纳米尺度的材料以及带有独特/稀有的组成/性能的复合材料。EPAS可用于有效地减缓粗化机制，使得维持纳米粉末的晶粒尺寸。
烧结将纳米粉末转变成纳米陶瓷材料。纳米陶瓷材料可包含例如选自Y3Al5O12(YAG)、Y4Al2O9(YAM)、YAlO3(YAP)、Y2O3-ZrO2固溶体、Er3Al5O12(EAG)、Er4Al2O9(EAM)和ErAlO3(EAP)的化合物。在实施例中，完成的纳米陶瓷材料可抵抗在半导体制造处理期间使用的氟与氢等离子体。纳米陶瓷材料可具有约1kg/cm3至约10kg/cm3、或约2kg/cm3至约8kg/cm3、或约3kg/cm3至约6kg/cm3、或约5kg/cm3至约6kg/cm3、或约3kg/cm3、或约4kg/cm3、或约5kg/cm3、或约5.25kg/cm3、或约6kg/cm3的密度。完成的纳米陶瓷材料的挠曲强度可以是约170MPA至约250MPA、或约190MPA至约230MPA、或约200MPA至约225MPA。完成的纳米陶瓷材料的弹性模量可以是约100GPA至约300GPA、或约150GPA至约275GPA、或约195GPA至约250GPA。完成的纳米陶瓷材料的维氏硬度可以是约1GPA至约50GPA、或约5GPA至约25GPA、或约9GPA至约20GPA、或约9.4GPA至约18GPA。完成的纳米陶瓷材料的破裂韧性可以是约0.1Mpam1/2至约5.0Mpam1/2、或约0.5Mpam1/2至约4.0Mpam1/2、或约1.1Mpam1/2至约3.0Mpam1/2。完成的纳米陶瓷材料的热膨胀系数(RT-800C)可以是约1.0x 106至约15x 106、或约5.0x 106至约10x106、或约8.3x 106至约9.5x 106。完成的纳米陶瓷材料的容积电阻率可以是约1.0x1016Ohm-cm至约10x 1016Ohm-cm、或约2.0x 1016Ohm-cm至约8.0x1016Ohm-cm、或约4.0x1016Ohm-cm至约6.0x 1016Ohm-cm。完成的纳米陶瓷材料在13.56MHz的介电常数可以是约5至约25、或约10至约20、或约15至约16.5。在13.56MHz的电介质损耗角正切可小于约10x104。完成的纳米陶瓷材料的热传导性可以是约1.0W/mK至约15W/mK、或约2.5W/mK至约10.0W/mK、或约3.6W/mK至约5.0W/mK。
图4为根据实施例的具有已由纳米粉末涂布或由纳米粉末形成的一种或多种腔室部件的半导体处理腔室400的剖面视图。腔室的基底材料可包括铝(Al)、钛(Ti)及不锈钢(SST)中的一个或多个。处理腔室400可用于处理，在其中提供具有等离子体处理状态的腐蚀性等离子体环境。例如，处理腔室400可以是用于等离子体蚀刻器或等离子体蚀刻反应器、等离子体清洗器、等离子体增强CVD或ALD反应器等等的腔室。可具有由本文所述的纳米陶瓷涂层的腔室部件或由本文所述的纳米粉末而模制的腔室部件的示例包括但不限于喷头、气体分配板、腔室盖和/或喷嘴。具有纳米结晶结构的纳米陶瓷材料可提供具有小于约100nm的晶粒尺寸以及本领域中先前已知的微晶材料未看见的性质的块体材料。
在一个实施例中，处理腔室400包括腔室主体402与喷头430，围住内部容积406。喷头430可包括喷头基底与喷头气体分配板。或者，在某些实施例中，喷头430可被盖及喷嘴替代，或在其他实施例中，喷头430可被多个圆饼形喷头隔室和等离子体产生单元替代。腔室主体402可由铝、不锈钢或诸如钛(Ti)的其他合适材料所制造。腔室主体402通常包括侧壁408与底部410。外衬垫416可被设置为邻接侧壁408以保护腔室主体402。
排气口426可被限定在腔室主体402中，且可将内部容积406耦接到泵系统428。泵系统428可包括一个或多个泵和节流阀，用以排空和调节处理腔室400的内部容积406的压力。
喷头430可被支撑在腔室主体402的侧壁408上。喷头430(或盖)可被开启以允许进入处理腔室400的内部容积406，并且当被关闭时可提供密封处理腔室400。气体面板458可耦接于处理腔室400以通过喷头430或盖和喷嘴将处理气体和/或清洗气体提供至内部容积406。喷头430可使用于用于介电蚀刻(介电材料的蚀刻)的处理腔室。喷头430可包括气体分配板(GDP)并且可以具有穿过GDP的多个气体输送孔432。喷头430可包括接合至铝基底或阳极化铝基底的GDP。GDP可由Si或SiC所制成，或可以是诸如Y2O3、Al2O3、Y3Al5O12(YAG)等等的陶瓷。
对于用于导体蚀刻(导电材料的蚀刻)的处理腔室，可使用盖而非喷头。盖可包括适合在此盖的中央孔中的中央喷嘴。盖可以是陶瓷(诸如Al2O3、Y2O3、YAG)、或包含Y4Al2O9与Y2O3-ZrO2的固溶体的陶瓷化合物。喷嘴也可以是诸如Y2O3、YAG的陶瓷或包含Y4Al2O9与Y2O3-ZrO2的固溶体的陶瓷化合物。
可用于处理在处理腔室400中的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和SiF4等等)，以及其他气体(诸如O2或N2O)。载体气体的示例包括N2、He、Ar以及对于处理气体为惰性的其他气体(例如，非反应性气体)。
加热器组件448被设置在喷头430或盖下方的处理腔室400的内部容积406中。加热器组件448包括在处理期间固持基板444的支撑件450。支撑件450附接至轴件452的末端，轴件452经由凸缘454耦接至腔室主体402。支撑件450、轴件452和凸缘454可由含AlN的加热器材料(例如，AlN陶瓷)所构成。支撑件450可进一步包括台面456(例如，凹坑或凸块)。支撑件可附加地包括导线，例如，钨导线(未示出)，内嵌在支撑件450的加热器材料之内。在一个实施例中，支撑件450可包括夹在AlN陶瓷层之间的金属加热器与感测层。这种组件可在高温炉中烧结以创造单块组件。层可包括加热器电路、感测组件、接地面、射频网格以及金属与陶瓷流道的组合。加热器组件448可提供在真空状态下(例如，约1毫托至约5托)高达约650℃的加热器温度。根据本文所述的实施例的纳米粉末形成的纳米陶瓷涂层460可沉积在腔室400内的支撑件450上或加热器组件448(包括支撑件450、轴件452与凸缘454)的所有表面上。
对于本领域普通技术人员而言，纳米粉末、纳米陶瓷材料及其制造与使用的方法的优点会是明显的。此外，应注意到本文所述与形成的纳米材料相较于已知的微晶粒材料可以具有改善的机械性质，诸如挠曲强度与破裂韧性。此外，本文所述与形成的块体纳米材料(例如，具有小于100nm的晶粒尺寸)相较于其微晶状对应物可以具有有利的性质。本文所述与形成的纳米材料可形成致密纳米复合材料，同时保持带有受限或无激剧晶粒生长的纳米晶体结构。
先前的说明书说明许多具体细节(诸如特定系统、部件、方法、等等的示例)以提供本文所述的数种实施例的良好理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，在没有这些明确细节下可实行本文所述的至少某些实施例。在其他例子中，熟知的部件或方法不被详细地叙述或以简单框图形式呈现，以避免不必要地混淆本发明。因此，阐明的具体细节仅为示例性的。特定实现可由这些示例性细节变化且仍被视为在本发明的范围中。
本说明书中提及“一个实施例(one embodiment)”或“实施例(anembodiment)”意指与此实施例相关地描述的特定特征、结构、或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书的各种地方出现的词语“在一个实施例中(in one embodiment)”或“在实施例中(in an embodiment)”并不必然指示相同实施例。此外，术语“或”意指包含性的“或”而非排他性的“或”。当在此使用术语“约(about)”或“大约(approximately)”时，其意指呈现出的标称值的精准度在±10％之内。当在此使用术语“至少约”时，其意指呈现出的标称值的精确度在-10％之内及其他更高的值。类似地，当在此使用术语“小于约”时，其意指呈现出的标称值的精确度在+10％之内及其他更低的值。
虽然本文中的方法的操作被释出且描述为特定顺序，但各方法的操作的顺序可变动，使得特定操作可反序执行或使得特定操作可至少部分地与其他操作同时执行。在另一个实施例中，不同操作的指示或子操作可以是间歇的和/或交替的方式。
应理解到上述说明意为示例性，而非限制性。在阅读与理解上述说明后，对于本领域技术人员而言，许多其他实施例会是显而易见的。因此，本发明的范围应参照随附权利要求及权利要求的等效物的完整范围而确定。
