近年来，TaC涂层坩埚作为反应容器在碳化硅（SiC）晶体生长过程中已成为一种重要的技术方案。TaC材料因其卓越的耐化学腐蚀性能和高温稳定性，成为碳化硅晶体生长领域的关键材料。与传统的石墨坩埚相比，TaC涂层坩埚提供了一个更加稳定的生长环境，减少了石墨腐蚀的影响，延长了坩埚的使用寿命，并且有效避免了碳包裹的现象，从而减少了微管的密度。
TaC涂层坩埚的优势与实验分析
在实验过程中，通过对比使用传统石墨坩埚和带有TaC涂层的石墨坩埚生长碳化硅晶体，研究发现，使用TaC涂层的坩埚能够显著改善晶体的质量。
图2：PVT法生长的碳化硅晶锭OM图
在图2中，显示出使用传统石墨坩埚生长的碳化硅晶体呈现凹界面，而使用TaC涂层坩埚生长的晶体呈凸界面。根据图3的晶片表面观察，传统石墨坩埚生长的晶体边缘多晶现象明显，而TaC涂层坩埚则有效避免了这一问题。
从分析中可以得出结论，TaC涂层使坩埚边缘的温度较高，从而降低了边缘位置晶体的生长速率。TaC涂层有效屏蔽了石墨侧壁与晶体的接触，避免了形核现象的发生，这些因素共同作用，减少了晶体边缘的多晶几率。
图3：不同生长阶段的晶片的OM图像
另外，使用TaC涂层坩埚生长的碳化硅晶体几乎没有碳包裹现象，碳包裹是导致微管产生的主要原因之一。因此，TaC涂层坩埚所生长的晶体在微管缺陷密度上表现出显著优势，图4中的腐蚀实验结果显示，TaC涂层生长的晶体几乎没有微管缺陷。
图4：KOH腐蚀后的OM图像
晶体质量的提升与杂质控制
通过晶体的GDMS和Hall测试，研究发现，使用TaC涂层坩埚时，晶体中的Ta含量略有上升，但TaC涂层显著限制了氮（N）掺杂的进晶体。总结而言，TaC涂层坩埚能够生长出具有更高质量的碳化硅晶体，特别是在降低缺陷密度（尤其是微管和碳包裹方面）以及控制氮掺杂浓度方面具有明显优势。
表1：GDMS测试结果
表2：hall测试结果
TaC涂层坩埚的市场前景
由于TaC涂层在碳化硅长晶过程中的优越表现，TaC涂层的市场前景也在不断扩展。根据调研数据，2023年全球石墨基碳化钽TaC涂层的市场销售额已达到61亿元，预计到2030年这一数字将增至84亿元。
主要制备TaC涂层的企业
多家企业在TaC涂层技术的研发和生产中占据领先地位。以下是几家重要的TaC涂层制备企业：
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迈图（Momentive）
全球最大的特种有机硅和硅烷生产商之一，专注于碳化钽（TaC）涂层技术的开发，可为半导体、汽车和工业市场提供涂层坩埚、导向环、晶圆载具和基座等产品。 -
东海碳素株式会社
成立于1918年的日本企业，专注于碳素材料的研发，涵盖了SiC外延涂层盘、UVLED外延涂层盘等高端应用领域，并拥有自主研发的TaC涂层技术。 -
Bay Carbon公司
成立于1978年的美国企业，提供高纯度石墨产品，致力于为半导体、航空航天、核能等行业提供碳化硅涂层石墨材料解决方案。 -
湖南兴晟新材料科技有限公司
专业从事高温、高纯、耐腐蚀材料研发的企业，提供TaC涂层石墨托盘、光伏行业应用的SiC涂层材料等。 -
浙江六方半导体科技有限公司
以半导体新材料研发为核心，提供高温、高纯材料和涂层技术，服务于半导体、光伏等多个行业。
TaC涂层的制备技术挑战与未来方向
尽管TaC涂层在碳化硅长晶中展示了巨大的优势，但在制备过程中依然面临一些挑战：
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热膨胀系数差异
TaC与石墨基材的热膨胀系数差异较大，容易导致热失配问题，造成涂层开裂和剥落。未来需要开发与TaC热膨胀系数匹配的石墨材料，或采用石墨基底的预处理技术来解决这一问题。 -
涂层寿命与成本问题
由于TaC涂层在高温环境下服役，涂层的使用寿命较短，且制备成本较高。为了提高涂层的耐用性和降低成本，研发更高效的涂层制备工艺是未来的方向。 -
复杂形状的涂层均匀性
对于复杂形状的石墨基材，涂层的均匀性、致密度和结合强度仍难以保证。未来可能通过改进涂层工艺，优化材料配方，以提升涂层的稳定性。
未来，TaC涂层制备技术的突破将主要集中在通过开发复合涂层（如TaZrC），利用梯度变化增强涂层与基底的结合力，或者通过引入过渡层来改善结合强度，从而推动TaC涂层技术在高温、高腐蚀环境中的应用。
原文始发于微信公众号（半导体信息）：TaC涂层坩埚在碳化硅长晶中的作用与影响