Densification de dépôts de zircone yttriée projetés par plasma d'arc Ar-H2 et N2-H2 pour leur utilisation dans l'industrie des semi-conducteurs

Densification of zirconia coatings made by Ar-H2 and N2-H2 plasma sprays for their use in semiconductor industry

• Auteur / Autrice : Elise Noguès-Delbos
• Direction : Pierre Fauchais, Michel Vardelle, Pascal Granger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et procédés
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt en phase vapeur

Semiconducteurs -- Effets des plasmas

Azote

Argon

Quartz

Zircone -- Couches minces

Projection au plasma

Mots clés libres

Zircone yttriée

Densification

Fluctuations de tension

Fluctuations de température

Résumé

Dans l’industrie des semi-conducteurs, les puces électroniques, au cours de leur processus de fabrication, peuvent être revêtues d’un dépôt CVD et/ou PVD, réalisé dans des enceintes en quartz (bell jar). Après utilisation, ces dernières, recouvertes d’un dépôt « polluant », sont nettoyées dans une solution acide. Dans le but d’augmenter la durée de vie de ces enceintes et d’espacer les nettoyages, la société Edwards les protège d’un dépôt rugueux de zircone yttriée réalisé par projection plasma. Cependant, la porosité du dépôt protecteur entraîne une infiltration de la solution chimique de nettoyage jusqu’au quartz. Non seulement, le dépôt « polluant » est décapé, mais aussi le dépôt protecteur en zircone yttriée. L’objectif de cette thèse est de densifier le dépôt de zircone yttriée afin de le rendre imperméable à la solution chimique, permettant sa réutilisation en ne décapant que le dépôt « polluant ». La rugosité du dépôt doit, toutefois, rester élevée. La densification des dépôts va se faire à partir d’une optimisation des paramètres de projection - débit massique, pourcentage d’hydrogène, distance de tir,… - de la distribution granulométrique de la poudre, de la nature du gaz plasmagène (argon ou azote) et donc de la torche utilisée. Cette optimisation des conditions de tir est effectuée via l’étude des propriétés du plasma, telles que l’enthalpie et les fluctuations de tension aux bornes de la torche, et de leurs influences sur le traitement thermique des particules en vol, la formation des lamelles lors de leur écrasement et la construction des dépôts et leurs propriétés (en particulier leur porosité, rugosité et épaisseur).

In semiconductor industry, the electronic chips, during their manufacturing process, can be covered with CVD/PVD coatings, carried out inside bell jars. After use, these quartz chambers, layered with a contaminated coating, are cleaned inside an acid solution. In order to increase their time of life and the time between two cleanings, Edwards society masks the chambers with a rough yttria partially stabilized zirconia coating made by plasma spraying process. However, the chemical cleaning solution reaches the quartz substrate through the coating porosity. So, the protected coating is etched at the same time than the contaminated coating. The aim of this research work is to increase the coating density to make it cleanable, in order to remove only the contaminated layer. Nevertheless, the coating roughness must remain high. The coating densification is obtained by optimising the plasma spray parameters (mass flow rate, hydrogen percentage, stand-off distance…), the powder size distribution, the plasma gas mixture composition (argon or nitrogen) and so the plasma torch design. This optimisation of spray conditions is determined by studying plasma properties, such as its enthalpy and its voltage fluctuations, and their influences on the in-flight particle thermal treatment, the corresponding splat formation and the coating growth and properties (especially their porosity, roughness and thickness).