中國粉體網(wǎng)訊  近日，恒普科技在官微推出一種全新的SiC晶體生長熱場材料——多孔碳化鉭，據(jù)介紹該材料有利于晶體生長過程中對缺陷的控制。

碳化鉭是一種怎樣的材料？

碳化鉭（TaC）是一種超高溫陶瓷材料，所謂超高溫陶瓷（UHTCs）通常指熔點超過3000℃，并在2000℃以上的高溫及腐蝕環(huán)境中（如氧原子環(huán)境）使用的一類陶瓷材料，如ZrC、HfC、TaC、HfB₂、ZrB₂、HfN等。

TaC性質(zhì)

碳化鉭熔點高達3880℃，具有高硬度（莫氏硬度9～10）、較大的導(dǎo)熱系數(shù)（22W·m^-1·K^-1）、較大的抗彎強度（340～400MPa），以及較小的熱膨脹系數(shù)（6.6×10^-6K^-1），并展現(xiàn)出優(yōu)良的熱化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理性能，與石墨及C/C復(fù)合材料具有良好的化學(xué)相容性和力學(xué)相容性，因此TaC涂層被廣泛應(yīng)用于航空航天熱防護、單晶生長、能源電子，以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備

目前，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求的戰(zhàn)略性行業(yè)。同時碳化硅半導(dǎo)體又是一個工藝復(fù)雜、對設(shè)備要求極高的行業(yè)，其中，碳化硅單晶制備是整個產(chǎn)業(yè)鏈最基礎(chǔ)也是最重要環(huán)節(jié)。

目前SiC晶體生長最常用的方法是物理氣相傳輸法（PVT法），PVT法通過感應(yīng)加熱的方式在密閉生長腔室內(nèi)在2300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si₂C、SiC₂等不同氣相組分的反應(yīng)氣體，通過固-氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源，在生長腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶（種子），輸運至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅(qū)動下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。

該過程生長周期長、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷。對于缺陷的控制，爐內(nèi)熱場微小的調(diào)整或漂移，都會帶來晶體的變化或缺陷的增加。后期更要面臨“長快、長厚、長大”的挑戰(zhàn)，除了理論和工程的提高外，還需要更先進的熱場材料作為支撐。

熱場中坩堝的材料主要有石墨、多孔石墨，但是，石墨在高溫下遇氧易被氧化，而且會被熔融金屬等腐蝕。TaC具有優(yōu)良的熱化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理性能，且與石墨具有良好的化學(xué)相容性和力學(xué)相容性，在石墨表面制備TaC涂層，可以有效增強其抗氧化、抗腐蝕、耐磨及力學(xué)性能等。尤其適用于MOCVD設(shè)備生長GaN或AlN單晶和PVT設(shè)備生長SiC單晶，所生長的單晶質(zhì)量得到明顯提高。

圖片圖片來源：恒普科技

此外，碳化硅單晶制備過程中，通過固-氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源后，Si/C化學(xué)計量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計的熱場和溫梯進行分布和傳輸，多孔石墨的透氣率不夠，需要額外開孔來增加透氣率，而透氣率大的多孔石墨，面臨加工、掉粉、蝕刻等挑戰(zhàn)。多孔碳化鉭陶瓷可更好的實現(xiàn)氣相組元過濾，調(diào)整局部溫度梯度，引導(dǎo)物質(zhì)流方向，控制泄漏等。

圖片來源：恒普科技

由于TaC涂層對H₂，HCl，NH₃具有優(yōu)異的耐酸堿性，在碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，TaC還可在MOCVD等外延處理過程中完全保護石墨基體材料，凈化生長環(huán)境。

在航空航天中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代飛行器如航空航天器、火箭、導(dǎo)彈向著高速、高推力、高空的方向發(fā)展，對其表面材料在極端條件下的耐高溫性和抗氧化性要求也越來越高。飛行器進入大氣層時面臨著熱流密度高、駐點壓力大和氣流沖刷速度快等極端環(huán)境，同時面臨著與氧氣、水蒸氣和二氧化碳反應(yīng)而產(chǎn)生的化學(xué)燒蝕。在飛行器飛出和飛入大氣層時，其頭錐和機翼周圍的空氣會受到劇烈壓縮而與飛行器表面產(chǎn)生較大的摩擦，導(dǎo)致其表面受氣流流動加熱。飛行器表面除了在飛行過程中受氣動加熱外，還會在飛行過程中受到太陽輻射、環(huán)境輻射等的影響，使飛行器的表面溫度不斷升高，這一變化會嚴(yán)重影響飛行器的服役狀況。

TaC是耐超高溫陶瓷家族的一員，高的熔點和出色的熱力學(xué)穩(wěn)定性使TaC廣泛應(yīng)用于飛行器熱端部位，例如可以對火箭發(fā)動機噴管的表面涂層起到保護作用。

其他應(yīng)用

TaC還在切削工具、研磨材料、電子材料以及催化劑等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。例如，將TaC添加在硬質(zhì)合金中可以阻止硬質(zhì)合金的晶粒生長，提高硬質(zhì)合金的硬度，改善其使用壽命；TaC具有良好的導(dǎo)電性，并且可以組成非化學(xué)計量化合物，導(dǎo)電性隨組分不同而產(chǎn)生變化，這種特性使TaC在電子材料領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景；在TaC的催化脫氫方面，有研究者對TiC、TaC的催化性能研究表明，在較低溫度下，TaC基本沒有催化活性，但在高于1000℃時，其催化活性明顯升高。對于CO的催化性能方面的研究發(fā)現(xiàn)，300℃時TaC的催化產(chǎn)物有甲烷、水以及少量的烯烴。

參考來源：

[1]劉興亮等.基于碳化鉭涂層改性碳基材料的研究進展

[2]張麗等.高溫化學(xué)氣相沉積法制備致密碳化鉭涂層

[3]爨炳辰等.碳化鉭陶瓷材料制備方法的研究進展

[4]劉丹丹等.超高溫陶瓷涂層的研究進展

[5]天岳先進招股說明書

[6]恒普科技

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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