[發明專利]一種具有TaC復合涂層的石墨盤及其制備方法

在審

• 申請號: 202211437848.1
• 申請日: 2022-11-15
• 公開（公告）號: CN115725960A
• 公開（公告）日: 2023-03-03
• 發明（設計）人: 張南;羅騫
• 申請（專利權）人: 季華實驗室
• 主分類號: C23C16/458
• 分類號: C23C16/458;C23C16/02;C23C16/14;C23C16/32;C23C16/505;C23C16/52;C23C16/56;C30B25/12
• 代理公司: 佛山市海融科創知識產權代理事務所(普通合伙) 44377
• 代理人: 羅尹清

本申請涉及半導體領域，公開了一種具有TaC復合涂層的石墨盤及其制備方法，具有TaC復合涂層的石墨盤的制備方法包括以下步驟：對石墨盤表面進行圖形化預處理，使所述石墨盤表面形成規則整齊排列的凹坑陣列；在所述石墨盤表面依次形成SiC涂層、金屬涂層、TaC涂層，使所述石墨盤表面形成TaC復合涂層；在所述TaC涂層表面進行后處理使所述TaC涂層表面非晶化，在高溫惰性氣體氛圍中進行退火處理。本申請所提供的具有TaC復合涂層的石墨盤及其制備方法，通過優化改進石墨盤表面的預處理方法，增加涂層與石墨表面之間的結合強度，提升涂層的可靠性；通過優化TaC復合涂層結構，減少涂層裂紋的產生，進一步提升涂層的可靠性。

技術領域

本申請涉及半導體領域，主要涉及一種具有TaC復合涂層的石墨盤及其制備方法。

背景技術

在半導體外延片生產中，石墨盤是承載外延片的核心部件，石墨盤表面的涂層不僅能夠延長石墨盤的使用壽命，而且還能夠確保半導體工藝的穩定性，從而有效降低生產成本。SiC（碳化硅）涂層適用于SiC外延片以及其他大多數半導體外延片的生產過程，但是，對于SiC外延工藝而言，由于石墨盤上的沉積物和涂層的成分相同且均為SiC，因此沉積物與涂層之間易產生較大的結合力，導致清除石墨盤SiC涂層部件上的SiC沉積物十分困難，難以保持SiC涂層完整，甚至只能將石墨盤上的SiC涂層清除掉然后重新制備SiC涂層，這大大增加了生產成本。因此，需要發展一種新型涂層，在保證高溫穩定性、抗高溫熱沖性以及耐化學腐蝕性的同時，要求涂層與SiC沉積物之間的結合力不大。

TaC（碳化鉭）熔點高達3880℃，具有硬度高、導熱系數大、抗彎強度大等優點，并展現出優良的熱化學穩定性和優異的物理性能，TaC與石墨之間具有良好的化學相容性和力學相容性。TaC通常作為耐燒蝕和耐磨涂層，廣泛應用于航空航天超高溫熱端部件、第三代半導體單晶生長等領域。作為一種耐超高溫陶瓷材料，TaC具有比SiC更好的高溫穩定性，TaC 涂層比 SiC 涂層具有更好的抗高溫熱沖性和耐化學腐蝕性，并且SiC沉積物相對易于從TaC涂層表面剝離下來，有效降低了石墨盤清潔的難度和成本。

但是，直接采用TaC作為石墨盤的高溫涂層仍然存在一些技術難題。

第一，TaC涂層與石墨之間的結合力不夠強，這可能導致高溫下涂層發生剝落問題，進而使石墨盤無法得到有效保護。這通常需要對石墨盤表面進行預處理，使涂層牢牢釘扎在石墨盤表面。石墨盤表面預處理方法主要包括物理方法和化學方法，其中，物理方法包括砂紙打磨、Ar離子刻蝕、高壓水沖擊等方法，使得石墨盤表面形成不規則的凹凸起伏形貌，進而增強涂層與石墨之間的結合力。然而，上述物理方法存在特異性不足的問題，即經過上述物理方法處理后的石墨盤表面形成的凹坑深度有限，使得涂層與石墨之間的結合力強度不夠大，并且由于凹坑位置隨機分布，這使得涂層與石墨之間的結合力分布不均勻，容易在高溫下導致局部的涂層脫落，降低了涂層的可靠性。因此，需要發展新的石墨盤表面預處理方法以緩解上述問題。

第二，高溫環境下，TaC涂層與石墨之間的熱膨脹系數差異較大， TaC與石墨之間產生的熱應力會導致涂層從基材上分層，從而降低石墨盤的使用壽命。通常在TaC涂層與石墨之間增加緩沖層可有效降低熱失配，進而減小熱應力。SiC的平均熱膨脹系數（~4.5×10^-6K^-1）介于TaC（~6.6×10^-6 K^-1）和石墨（~1.2×10^-6 K^-1）之間，因此SiC可作為緩沖層?，F有技術中，可以通過增加梯度涂層的方式進一步降低TaC和石墨之間的熱失配。然而，考慮到SiC和TaC均為陶瓷材料并且脆性相對較大，在高溫環境下由于二者的熱膨脹系數仍存在差異，會導致涂層之間應力加劇，進而產生裂紋，降低涂層的可靠性。因此，需要發展新的涂層結構以緩解上述問題。