[发明专利]一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层

说明书

本发明公开了一种石墨基座盘表面梯度TaC涂层，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。

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。

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，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，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，所述梯度TaC涂层的厚度为50-120μm；

其中，石墨基座盘基体的表面设有梯度TaC涂层具体包括以下步骤：

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，制备梯度TaC涂层采用甲烷气体为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；

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；其中，调整通入的甲烷和五氯化钽气体的摩尔比包括以下步骤：