[发明专利]一种在石墨基材料表面生长TaC涂层的方法

说明书

本发明公开一种在石墨基材料表面生长TaC涂层的方法，涉及第三代半导体晶体生长领域：以Ta₂O₅和碳源气体为反应原料；在1900‑2200℃时将部分Ta₂O₅粉末气化形成蒸气，随Ar气沉积在石墨基材料表面并与其表面的碳元素直接原位反应生成TaC内涂层；再通入碳源气体，与Ta₂O₅蒸气反应并沉积在TaC内涂层上，形成TaC外涂层，并通过增加Ar气和碳源气体的流量进行表面致密处理。本发明通过控制碳源与Ar气的流量比例，可以得到微孔TaC内涂层‑中孔以上的TaC外涂层过渡结构，且TaC内涂层的堆积密度高于TaC外涂层，这种不同堆积密度、不同孔径的多孔过渡结构能有效减缓应力释放的速度，在应力变化时能缓解热膨胀带来的体积变化，从而使涂层更加抗微裂纹、抗侵蚀。

技术领域

本发明涉及第三代半导体晶体生长领域，具体涉及一种在石墨基材料表面生长TaC涂层的方法，可用于晶体生长中耐高温耐腐蚀场景中的热场结构件。

背景技术

晶体生长过程中往往需要高温、高纯度的生长环境。石墨材料的熔点高、纯度高、化学性质稳定、价格便宜，并且在高温下有一定的结构强度，是半导体领域常用的支撑材料。但是由于石墨材料在高温下会挥发碳原子，会增加外延产品和晶锭的缺陷，降低良品率。所以在石墨表面沉积一层耐高温、化学性质稳定、纯度高的保护性涂层尤为重要。目前常用的涂层主要包括SiC涂层和TaC涂层。SiC涂层可以在1600℃以下的环境中广泛使用，例如LED芯片产业MOCVD外延片承载石墨托盘等。随着新能源汽车快充，以及5G时代对大功率器件的需求日益增加，带动了第三代半导体SiC单晶生长市场。但是SiC单晶生长温度在2300℃左右，需要耐高温性能更加优异的石墨基涂层。TaC具有超高的熔点可在高温下保持良好的力学性能。在非氧的环境下化学性质稳定，高温下无结构相变，是一种比SiC涂层耐高温性能更加优异的涂层。

目前制备的TaC涂层主要方法有：浆料烧结法、化学气相沉积法、碳热还原法、等离子喷涂法等。但是这些方法都存在一些问题，比如浆料烧结法制备的涂层纯度不高，易出现微裂纹、碳热还原法制备的涂层有多种杂相、等离子喷涂法成本高。其中虽然化学气相沉积法制备的涂层质量好是目前主流的方法，但是化学气相沉积法常用的原料有TaCl₅、碳源、H₂等，最终产物有环境不友好气体HCl以及未参与反应的可燃气体H₂，对设备和环境可能会造成一定的影响。此外，由于石墨材料与TaC涂层之间存在热膨胀系数差异，会导致涂层可能会出现裂纹，从而导致涂层失效。因此，如何实现TaC涂层的绿色环保制备以及提高TaC涂层的抗裂纹扩展能力是亟待解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种在石墨基材料表面生长TaC涂层的方法，以解决石墨材料与TaC涂层之间热膨胀系数差异过大以及最终产物含有环境不友好气体HCl、可燃气体H₂的问题。

本发明的技术方案概述如下：

一种在石墨基材料表面生长TaC涂层的方法：以Ta₂O₅和碳源气体为反应原料；

在1900-2200℃时，部分Ta₂O₅粉末气化形成蒸气，再随着Ar气导流沉积在石墨基材料表面并与其表面的碳元素直接原位反应生成TaC内涂层；再通入碳源气体，与Ta₂O₅蒸气反应并沉积在TaC内涂层上，形成TaC外涂层。

优选的是，通过调节Ar气和碳源气体的流量以形成具有不同多孔结构的TaC外涂层。

优选的是，所述TaC内涂层厚度为5-30μm。

优选的是，所述TaC外涂层厚度为20-250μm。