CN112374891A - 一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层及其制备方法，包括石墨基座盘基体，石墨基座盘基体的表面设有梯度TaC涂层；梯度TaC涂层包括TaC组份和C组份，TaC组份含量从内至外从0%逐渐增加到100%，且梯度分布符合y=ax线性方程规律或者符合y=ax2抛物线性规律分布。本发明利用CVD动态共沉积技术，实现涂层中TaC组分含量从0‑100%的梯度跨越，由于涂层内层为热解炭层，其与石墨基体热膨胀系数相近，随后逐渐过渡，可有效改善涂层与基体之间的热匹配差异；同时涂层中软质C组份结构和纳米孔隙可有效缓解TaC晶体的热膨胀，以降低涂层内的应力峰值。
Description
技术领域
本发明涉及半导体外延生长设备技术领域，更具体地说，本发明涉及一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层及其制备方法。
背景技术
半导体用石墨基座盘是MOCVD设备用外延生长单晶SiC、InP、GaN、AlN半导体的关键耗材，在半导体芯片产业链上起到不可替代的作用。石墨具有耐高温、高导热、高温强度高等优异特性，是作为外延单晶衬底基座盘基体的首选材料，但石墨材料易氧化、易腐蚀、耐磨损性较差，易产生石墨粉体，在真空下容易释放吸附气体，污染工艺生长环境，极大降低半导体薄膜的质量，因此不可直接用于生长半导体，必须要在石墨基座盘表面涂覆一层均匀致密的SiC陶瓷涂层。
但传统的SiC涂层所面临的主要问题是：在高温真空环境下的稳定性较差，1200～1400℃下开始缓慢分解，涂层的使用寿命短，已不能满足新一代半导体材料的制备需求。
碳化钽(TaC)是一种重要的高强度、耐腐蚀和化学稳定性好的高温结构材料，其熔点高达3985℃，是耐温最高的几种化合物之一。TaC涂层具有优异的抗热震性能、抗氧化、抗气流冲刷、低气体渗透性，与石墨材料具有良好的化学相容性及机械相容性，且在高于2000℃时仍然能够稳定存在，并对H2,HCl,NH3具有优异的耐酸碱性能。然而由于TaC陶瓷材料热膨胀系数较大(约为8.29×10-6/K)，与石墨基体具有较大的热膨胀差异，导致TaC涂层在制备及使用过程中残余应力过大，当涂层界面处的剪切应力峰值大于涂层的结合强度时，涂层就会脱落。
因此，本领域技术人员亟需提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层及其制备方法，解决涂层与基体之间的热匹配差异，从而缓解涂层与基体之间的热应力，有效避免涂层裂纹的产生，提高其使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层及其制备方法，解决涂层与基体之间的热匹配差异，从而缓解涂层与基体之间的热应力，有效避免涂层裂纹的产生，提高其使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层，包括石墨基座盘基体，所述石墨基座盘基体的表面设有梯度TaC涂层；所述梯度TaC涂层包括TaC组份和C组份，TaC组份含量从内至外从0％逐渐增加到100％，且梯度分布符合y＝a·x线性方程规律或者符合y＝a·x2抛物线性规律分布，其中，y为TaC组份含量百分比，a为大于0的正数，x为距离梯度TaC涂层与石墨基体界面处的厚度，且x小于120μm,梯度TaC涂层中除了TaC和C组分外的杂质含量小于5ppm。
优选的，所述梯度TaC涂层的厚度为50-120μm。
优选的，所述梯度TaC涂层的粗糙度低于2μm。
本发明还提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤S01、对石墨基座盘基体进行纯化处理，其石墨基材中的杂质含量小于5ppm，采用化学气相动态共沉积工艺在石墨基座盘基体的表面同时沉积热解炭和TaC涂层，形成梯度TaC涂层的梯度结构；
步骤S02、在沉积过程中，通过调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比从而来调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比；
步骤S03、当步骤S02中的甲烷和五氯化钽气体的摩尔达到1:1后，继续沉积1-2h，以确保涂层外表面为纯净的单相TaC涂层；
步骤S04、整个沉积过程压力保持稳定，随着五氯化钽气体的逐渐加入，沉积腔室的温度从900-1200℃逐渐升高至1400-1600℃，以确保甲烷和五氯化钽气体能够充分反应；
步骤S05、沉积结束后保温1-2h，以缓慢释放梯度涂层中的热应力；
步骤S06、反应腔室降温至室温，得到石墨基座盘表面梯度TaC涂层。
优选的，所述步骤S01中，采用甲烷气体为C源，以五氯化钽气体为Ta源，氢气为反应物，氩气为稀释气，沉积时间为1～20h，沉积压力500-5000Pa，形成梯度TaC涂层。
优选的，所述步骤S02中，调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比包括以下步骤：
S021、在沉积开始时，只通入甲烷、氢气和氩气三种气体，温度维持在900-1200℃，以维持初始热解炭沉积速率在1-2μm/h；
S022、随着沉积进行1-2h后，逐步加入气化后的五氯化钽气体，且五氯化钽气体含量按照预设的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，以调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比。
优选的，所述步骤S022中，五氯化钽气体按照z＝b·t或z＝b·t2的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，其中，z代表五氯化钽气体的通入量，b为大于0的正数，t代表时间。
本发明的技术效果和优点：
1、利用CVD动态共沉积技术，可实现涂层的高纯净度，且梯度TaC涂层中TaC组分含量从0-100％的梯度跨越，由于涂层内层为热解炭层，其与石墨基体热膨胀系数相近，随后逐渐过渡，可有效改善涂层与基体之间的热匹配差异；
2、涂层中软质C组份结构可有效缓解TaC晶体的热膨胀，以降低涂层内的应力峰值。
3、本发明中的梯度结构可依据涂层中的热应力梯度进行设计，并通过动态工艺调控制备，从而获得科学合理的梯度涂层结构。
附图说明
图1为本发明中具有过渡层结构的半导体石墨基座盘的结构示意图。
附图标记为：
100.石墨基座盘基体；200.梯度TaC涂层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层，包括石墨基座盘基体100，石墨基座盘基体100的表面设有梯度TaC涂层200；梯度TaC涂层200包括TaC组份和C组份，TaC组份含量从内至外从0％逐渐增加到100％，且梯度分布符合y＝a·x线性方程规律或者符合y＝a·x2抛物线性规律分布，其中，y为TaC组份含量百分比，a为大于0的正数，x为距离梯度TaC涂层与石墨基体界面处的厚度，且x小于120μm,梯度TaC涂层中除了TaC和C组分外的杂质含量小于5ppm。
具体的，梯度TaC涂层200的厚度为50μm；梯度TaC涂层200的粗糙度低于2μm。
本发明还提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤S01、对石墨基座盘基体进行纯化处理，其石墨基材中的杂质含量小于5ppm，采用化学气相动态共沉积工艺在石墨基座盘基体的表面同时沉积热解炭和TaC涂层，形成梯度TaC涂层的梯度结构。
其中，采用甲烷气体为C源，以五氯化钽气体为Ta源，氢气为反应物，氩气为稀释气，沉积时间为1h，沉积压力500Pa，形成梯度TaC涂层。
步骤S02、在沉积过程中，通过调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比从而来调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比。
具体的，调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比包括以下步骤：
S021、在沉积开始时，只通入甲烷、氢气和氩气三种气体，温度维持在900℃,以维持初始热解炭沉积速率在1μm/h；
S022、随着沉积进行1.5h后，逐步加入气化后的五氯化钽气体，且五氯化钽气体含量按照预设的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，以调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比；其中，五氯化钽气体按照z＝2t2的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，其中，z代表五氯化钽气体的通入量，t代表时间。
步骤S03、当步骤S02中的甲烷和五氯化钽气体的摩尔达到1:1后，继续沉积1.5h，以确保涂层外表面为纯净的单相TaC涂层。
步骤S04、整个沉积过程压力保持稳定，随着五氯化钽气体的逐渐加入，沉积腔室的温度从900℃逐渐升高至1400℃，以确保甲烷和五氯化钽气体能够充分反应。
步骤S05、沉积结束后保温1h，以缓慢释放梯度涂层中的热应力。
步骤S06、反应腔室降温至室温，得到石墨基座盘表面梯度TaC涂层。
实施例二
本实施例提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层，包括石墨基座盘基体100，石墨基座盘基体100的表面设有梯度TaC涂层200；梯度TaC涂层200包括TaC组份和C组份，TaC组份含量从内至外从0％逐渐增加到100％，且梯度分布符合y＝a·x线性方程规律或者符合y＝a·x2抛物线性规律分布，其中，y为TaC组份含量百分比，a为大于0的正数，x为距离梯度TaC涂层与石墨基体界面处的厚度，且x小于120μm,梯度TaC涂层中除了TaC和C组分外的杂质含量小于5ppm。
具体的，梯度TaC涂层200的厚度为100μm；梯度TaC涂层200的粗糙度为1.2μm。
本发明还提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤S01、对石墨基座盘基体进行纯化处理，其石墨基材中的杂质含量小于5ppm，采用化学气相动态共沉积工艺在石墨基座盘基体的表面同时沉积热解炭和TaC涂层，形成梯度TaC涂层的梯度结构。
其中，采用甲烷为C源，以五氯化钽为Ta源，氢气为反应物，氩气为稀释气，沉积时间为10h，沉积压力1000Pa，形成梯度TaC涂层。
步骤S02、在沉积过程中，通过调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比从而来调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比。
具体的，调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比包括以下步骤：
S021、在沉积开始时，只通入甲烷、氢气和氩气三种气体，温度维持在1000℃,以维持初始热解炭沉积速率在2μm/h；
S022、随着沉积进行1h后，逐步加入气化后的五氯化钽气体，且五氯化钽气体含量按照预设的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，以调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比；其中，五氯化钽气体按照z＝2t的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，其中，z代表五氯化钽气体的通入量，t代表时间。
步骤S03、当步骤S02中的甲烷和五氯化钽气体的摩尔达到1:1后，继续沉积1h，以确保涂层外表面为纯净的单相TaC涂层。
步骤S04、整个沉积过程压力保持稳定，随着五氯化钽气体的逐渐加入，沉积腔室的温度从1000℃逐渐升高至1600℃，以确保甲烷和五氯化钽气体能够充分反应。
步骤S05、沉积结束后保温2h，以缓慢释放梯度涂层中的热应力。
步骤S06、反应腔室降温至室温，得到石墨基座盘表面梯度TaC涂层。
实施例三
本实施例提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层，包括石墨基座盘基体100，石墨基座盘基体100的表面设有梯度TaC涂层200；梯度TaC涂层200包括TaC组份和C组份，TaC组份含量从内至外从0％逐渐增加到100％，且梯度分布符合y＝a·x线性方程规律或者符合y＝a·x2抛物线性规律分布，其中，y为TaC组份含量百分比，a为大于0的正数，x为距离梯度TaC涂层与石墨基体界面处的厚度，且x小于120μm,梯度TaC涂层中除了TaC和C组分外的杂质含量小于5ppm。
具体的，梯度TaC涂层200的厚度为120μm；梯度TaC涂层200的粗糙度为1.5μm。
本发明还提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤S01、对石墨基座盘基体进行纯化处理，其石墨基材中的杂质含量小于5ppm，采用化学气相动态共沉积工艺在石墨基座盘基体的表面同时沉积热解炭和TaC涂层，形成梯度TaC涂层的梯度结构。
其中，采用甲烷为C源，以五氯化钽为Ta源，氢气为反应物，氩气为稀释气，沉积时间为15h，沉积压力800Pa，形成梯度TaC涂层。
步骤S02、在沉积过程中，通过调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比从而来调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比。
具体的，调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比包括以下步骤：
S021、在沉积开始时，只通入甲烷、氢气和氩气三种气体，温度维持在1100℃,以维持初始热解炭沉积速率在1.5μm/h；
S022、随着沉积进行1.5h后，逐步加入气化后的五氯化钽气体，且五氯化钽气体含量按照预设的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，以调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比；其中，五氯化钽气体按照z＝t2的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，其中，z代表五氯化钽气体的通入量，t代表时间。
步骤S03、当步骤S02中的甲烷和五氯化钽气体的摩尔达到1:1后，继续沉积2h，以确保涂层外表面为纯净的单相TaC涂层。
步骤S04、整个沉积过程压力保持稳定，随着五氯化钽气体的逐渐加入，沉积腔室的温度从900℃逐渐升高至1500℃，以确保甲烷和五氯化钽气体能够充分反应。
步骤S05、沉积结束后保温2h，以缓慢释放梯度涂层中的热应力。
步骤S06、反应腔室降温至室温，得到石墨基座盘表面梯度TaC涂层。
实施例四
本实施例提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层，包括石墨基座盘基体100，石墨基座盘基体100的表面设有梯度TaC涂层200；梯度TaC涂层200包括TaC组份和C组份，TaC组份含量从内至外从0％逐渐增加到100％，且梯度分布符合y＝a·x线性方程规律或者符合y＝a·x2抛物线性规律分布，其中，y为TaC组份含量百分比，a为大于0的正数，x为距离梯度TaC涂层与石墨基体界面处的厚度，且x小于120μm,梯度TaC涂层中除了TaC和C组分外的杂质含量小于5ppm。
具体的，梯度TaC涂层200的厚度为80μm；梯度TaC涂层200的粗糙度为1.8μm。
本发明还提供一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤S01、对石墨基座盘基体进行纯化处理，其石墨基材中的杂质含量小于5ppm，采用化学气相动态共沉积工艺在石墨基座盘基体的表面同时沉积热解炭和TaC涂层，形成梯度TaC涂层的梯度结构。
其中，采用甲烷为C源，以五氯化钽为Ta源，氢气为反应物，氩气为稀释气，沉积时间为20h，沉积压力5000Pa，形成梯度TaC涂层。
步骤S02、在沉积过程中，通过调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比从而来调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比。
具体的，调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比包括以下步骤：
S021、在沉积开始时，只通入甲烷、氢气和氩气三种气体，温度维持在1200℃,以维持初始热解炭沉积速率在1.2μm/h；
S022、随着沉积进行1.5h后，逐步加入气化后的五氯化钽气体，且五氯化钽气体含量按照预设的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，以调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比；其中，五氯化钽气体按照z＝3t的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，其中，z代表五氯化钽气体的通入量，t代表时间。
步骤S03、当步骤S02中的甲烷和五氯化钽气体的摩尔达到1:1后，继续沉积1.8h，以确保涂层外表面为纯净的单相TaC涂层。
步骤S04、整个沉积过程压力保持稳定，随着五氯化钽气体的逐渐加入，沉积腔室的温度从1000℃逐渐升高至1600℃，以确保甲烷和五氯化钽气体能够充分反应。
步骤S05、沉积结束后保温2h，以缓慢释放梯度涂层中的热应力。
步骤S06、反应腔室降温至室温，得到石墨基座盘表面梯度TaC涂层。
综上所述，本发明利用CVD动态共沉积技术，实现涂层中TaC组分含量从0-100％的梯度跨越，由于涂层内层为热解炭层，其与石墨基体热膨胀系数相近，随后逐渐过渡，可有效改善涂层与基体之间的热匹配差异；同时涂层中软质C组份结构和纳米孔隙可有效缓解TaC晶体的热膨胀，以降低涂层内的应力峰值。
最后，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层，包括石墨基座盘基体，其特征在于，所述石墨基座盘基体的表面设有梯度TaC涂层；所述梯度TaC涂层包括TaC组份和C组份，TaC组份含量从内至外从0%逐渐增加到100%，且梯度分布符合y=a·x线性方程规律或者符合y=a·x2抛物线性规律分布，其中，y为TaC组份含量百分比，a为大于0的正数，x为距离梯度TaC涂层与石墨基体界面处的厚度，且x小于120μm , 梯度TaC涂层中除了TaC和C组分外的杂质含量小于5ppm。
2.根据权利要求1所述的石墨基座盘表面梯度TaC涂层，其特征在于，所述梯度TaC涂层的厚度为50-120μm。
3.根据权利要求1所述的石墨基座盘表面梯度TaC涂层，其特征在于，所述梯度TaC涂层的粗糙度低于2μm。
4.一种采用如权利要求1-3任一所述的石墨基座盘表面梯度TaC涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01、对石墨基座盘基体进行纯化处理，其石墨基材中的杂质含量小于5ppm，采用化学气相动态共沉积工艺在石墨基座盘基体的表面同时沉积热解炭和TaC涂层，形成梯度TaC涂层的梯度结构；
步骤S02、在沉积过程中，通过调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比从而来调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比；
步骤S03、当步骤S02中的甲烷和五氯化钽气体的摩尔达到1:1后，继续沉积1-2h，以确保涂层外表面为纯净的单相TaC涂层 ；
步骤S04、整个沉积过程压力保持稳定，随着五氯化钽气体的逐渐加入，沉积腔室的温度从900-1200℃逐渐升高至1400-1600℃，以确保甲烷和五氯化钽气体能够充分反应 ；
步骤S05、沉积结束后保温1-2h，以缓慢释放梯度涂层中的热应力 ；
步骤S06、反应腔室降温至室温，得到石墨基座盘表面梯度TaC涂层。
5.根据权利要求4所述的石墨基座盘表面梯度TaC涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S01中，采用甲烷气体为C源，以五氯化钽气体为Ta源，氢气为反应物，氩气为稀释气，沉积时间为1～20h，沉积压力500-5000Pa，形成梯度TaC涂层。
6.根据权利要求4所述的石墨基座盘表面梯度TaC涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S02中，调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比包括以下步骤：
S021、在沉积开始时，只通入甲烷、氢气和氩气三种气体，温度维持在900-1200℃，以维持初始热解炭沉积速率在1-2μm /h；
S022、随着沉积进行1-2h后，逐步加入气化后的五氯化钽气体，且五氯化钽气体含量按照预设的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，以调整涂层中的C组份以及TaC组份的含量比。
7.根据权利要求6所述的石墨基座盘表面梯度TaC涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S022中，五氯化钽气体按照z=b·t或z=b·t2的函数规律逐渐提高，直至甲烷和五氯化钽气体的摩尔比为1:1，其中，z代表五氯化钽气体的通入量，b为大于0的正数，t代表时间。
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