TaC涂层石墨件的应用与研发难点都有哪些呢？

导语

以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代宽禁带半导体材料具有优异的光电转换和微波信号传输能力，能满足高频、高温、大功率和抗辐射电子器件的需求。因此，在新一代移动通信、新能源汽车、智能电网以及 LED 等领域具有广阔的应用前景。第三代半导体产业链的全面发展亟需关键核心技术的突破，不断推进器件的设计与创新，解决进口依赖。

以碳化硅晶圆生长为例，热场材料中的石墨材料与碳碳复合材料很难满足 2300℃的复杂气氛（Si、SiC₂、Si₂C ）工艺。不仅使用寿命较短，不同部件一至十炉一换，而且高温下石墨的渗析与挥发易导致碳包裹物等晶体缺陷产生。为了确保半导体晶体的高质量和稳定生长，并考虑工业化生产成本问题，在石墨件表面制备超高温耐腐蚀陶瓷涂层，将延长石墨组件的寿命，抑制杂质迁移而提高晶体纯度。而在碳化硅外延生长中，通常采用碳化硅涂层石墨基座承载并加热单晶衬底，其使用寿命仍有待提高，并且需要定期清洁界面上的碳化硅沉积物。相比之下，碳化钽（TaC）涂层更耐腐蚀气氛与高温，是此类 SiC 晶体“长大、长厚，长好”的核心技术。

TaC 熔点高达 3880℃，具有高机械强度、硬度、抗热震性；高温下对氨气、氢气、含硅蒸汽具有良好的化学惰性和热稳定性。涂敷 TaC 涂层的石墨（碳碳复合）材料极有望取代传统的高纯石墨、pBN 涂层、SiC 涂层部件等。此外，在航天航空领域，TaC 极有潜力成为高温抗氧化和抗烧蚀涂层使用，具有广阔的应用前景。然而，要实现在石墨表层制备致密、均匀、不剥落的 TaC 涂层并推动产业化量产，仍面临诸多挑战。在这一过程中，探索涂层的保护机制、创新生产工艺以及与国外顶尖水平的竞争，对于第三代半导体长晶与外延至关重要。

TaC涂层石墨件的应用

PVT法生长SiC、AIN单晶炉中的坩埚、籽晶托、导流环 

如图 2 所示[1]，采用物理气相运输法（PVT）制备 SiC 时，籽晶处于相对低温区，SiC 原料处于相对高温区（2400 ℃以上），原料分解产生SiXCy（主要包含 Si、SiC₂、Si₂C 等），气相物质从高温区被运送至低温区籽晶处，并形核、长大，生成单晶。此过程使用到的坩埚、导流环、籽晶托等热场材料要耐高温且不会污染 SiC 原料和 SiC 单晶。类似的，AlN 单晶生长中的加热元件需耐 Al 蒸汽、N₂腐蚀，并需具有高的共晶温度（与 AlN）以缩短晶体制备周期。

研究发现，使用 TaC 涂层石墨热场材料制备的 SiC[2-5] 、AlN[2-3]更洁净，几乎没有碳（氧、氮）等杂质，边缘缺陷少，各区域电阻率均更小，而且微孔密度以及蚀刻坑密度均明显降低（经 KOH 蚀刻后），晶体的品质得到极大提升。此外，TaC 坩埚减重率几乎为零，外观无损，可循环使用（寿命可达 200h），可提高此类单晶制备的可持续性和效率。

图 2.（a）PVT 法生长 SiC 单晶锭装置示意图

（b）顶盖 TaC 涂层籽晶托架（含 SiC 籽晶）

（c）TaC 涂层石墨导流环

MOCVD GaN 外延层生长中的加热器 

如图 3（a）所示，MOCVD GaN 生长是利用有机金属分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气相沉积技术。腔内温度精度和均匀性促使加热器成为 MOCVD 设备中最为重要的核心部件，能否快速、均匀的长时间加热衬底（反复降温下）、高温下的稳定性（耐气体腐蚀）和本身纯度将直接影响着薄膜沉积的质量、厚度一致性，以及芯片的性能。

为了改善 MOCVD GaN 生长系统中加热器的性能及循环利用率，TaC 涂层石墨加热器被成功地引入。与传统加热器（使用 pBN 涂层）生长的 GaN 外延层相比，利用 TaC 加热器生长的 GaN 外延层在晶体结构、厚度均匀性、本征缺陷、杂质掺杂和污染等数据对比上几乎相同。此外，TaC 涂层具有低电阻率和低表面发射率，能够提高加热器的效率和均匀性，从而降低电能消耗和散热损失。涂层孔隙度可以通过控制工艺参数进行调节，进一步改善加热器的辐射特性并延长其使用寿命[5]。这些优点使得 TaC 涂层石墨加热器成为 MOCVD GaN 生长系统中的一种优越选择。

图 3. (a) 用于 GaN 外延生长的 MOCVD 装置示意图

 (b) 安装在 MOCVD 设置中的成型 TaC 涂层石墨加热器，不含基座和支架（插图显示加热中的基座和支架）

（c）经过 17 次 GaN 外延生长后的 TaC 涂层石墨加热器。[6]

 外延涂层拖盘（晶圆载具） 

晶圆载具是 SiC、AlN、GaN 等第三类半导体晶圆制备和外延片生长的重要结构组件。大部分晶圆载具采用石墨制成，并涂覆 SiC 涂层，以抵御来自工艺气体的腐蚀，外延温度范围在 1100 到 1600℃之间，保护涂层的抗腐蚀能力对晶圆载具的寿命起着至关重要的作用。研究结果表明，在高温氨气中，TaC 的腐蚀速率比 SiC 慢 6 倍；在高温氢气中，腐蚀速率甚至比 SiC 慢 10 倍以上。

经实验证明，覆盖有 TaC 的托盘在蓝光 GaN MOCVD 工艺中表现出很好的兼容性，且不会引入杂质。经过有限的工艺调整，使用 TaC 载体生长的 LED 表现出与传统 SiC 载体相同的性能和均匀性。因此，TaC 涂层托盘的使用寿命是优于裸石墨与 SiC 涂层石墨托盘。

图 4. GaN 外延生长的 MOCVD 设备 (Veeco P75) 中使用后的晶圆托盘。左边的涂有 TaC 涂层，右边涂有 SiC 涂层[7]。

常见TaC涂层石墨件的制备方法

CVD（化学气相沉积）法： 

在 900-2300℃下，以 TaCl5、CnHm为钽、碳源，H₂为还原气氛，Ar₂为载气，反应沉积成膜。制备的涂层整体致密、均匀、纯度高。但存在工艺复杂，成本昂贵、气流难控，沉积效率低等问题。

浆料烧结法： 

将含有碳源、钽源、分散剂、粘结剂的浆料涂覆在石墨上，干燥后高温烧结。制备的涂层无规则取向生长，成本低，适合大规模生产。在大件石墨上做到均匀全涂敷、消除支撑缺陷、增强涂层结合力等方面仍有待探索。

等离子喷涂法： 

利用等离子电弧高温融化 TaC 粉末，高速射流将其雾化成高温液滴， 并喷射到石墨材料表面。非真空下易形成氧化层，且能耗大。

TaC涂层石墨件亟待解决的难点

 结合力： 

TaC 与碳材料之间的热膨胀系数等物理性质存在差异，涂层结合强度低，很难避免裂纹、气孔和热应力产生，在实际含腐气氛与反复升降温过程中涂层易剥落。

 纯度： 

TaC 涂层需超高纯度，以避免在高温工况下产生杂质与污染，全涂层表面与内部的游离碳单质与本征杂质有效含量标准与表征标准有待商定。

 稳定性：

2300℃以上的耐高温性与化学气氛耐受性是检验涂层是否稳定的最重要指标，针孔、裂缝、缺角、单一取向晶界处都极易引起腐蚀性气体渗入与贯穿至石墨处而导致涂层保护失效。

 抗氧化性：

TaC 在 500℃以上即开始氧化生成 Ta2O5，氧化速率随着温度与氧气浓度的增加而剧烈。表层氧化从晶界处与小晶粒处开始，逐步生成柱状晶、碎晶体，产生大量缝隙和孔洞，氧气渗入加剧直至涂层整体剥离。生成的氧化层导热性差，外观呈现多种颜色。

 均匀性与粗糙度： 

涂层表面不均匀分布可能导致局部热应力集中，增加了裂纹和剥落的风险。此外，表面粗糙度直接影响涂层与外界环境的相互作用，过高的粗糙度容易导致与晶圆摩擦增加、热场不均。

 晶粒大小：

均匀的晶粒大小有助涂层的稳定性，若晶粒较小则结合并不紧密，容易受到氧化和腐蚀，导致晶粒边缘产生大量缝隙和孔洞，降低涂层的防护性能；晶粒尺寸过大则相对粗糙，涂层容易在热应力下剥落。

结语与展望

总的来说，TaC 涂层石墨件在市场上拥有巨大需求和广泛的应用前景，目前 TaC 涂层石墨件的制造主流是依靠 CVD TaC 组件。然而，由于 CVD TaC 生产设备成本高昂且沉积效率有限，尚未完全取代传统的 SiC 涂层石墨材料。烧结法可以有效降低原材料成本，能够适应复

杂形状的石墨件，从而满足更多不同应用场景的需求。目前，AFTech、德国 CGT Carbon GmbH和 Toyo Tanso 等国外厂商在 TaC 涂层工艺方面具有成熟的经验，是国内市场主要的供应商。而国内的 TaC 涂层石墨件发展仍处于试验和产业化生产初期。为了推动行业发展，有必要优化目前使用的 TaC 涂层石墨件制备方法，探索新的高质量 TaC 涂层制备工艺，并深入验证和研究 TaC 涂层的保护机制和失效机理。此外，还需要不断拓展 TaC 涂层的应用领域，这需要国内的研究院校和企业持续创新。随着国内第三代半导体市场的不断发展，对高性能涂层的需求不断增加，因此国产替代将成为未来的行业趋势。

审核编辑：刘清