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2023-07-19 16:43

碳化钽陶瓷——半导体设备、航空航天领域的关键材料

来源：世展网分类：粉体工业行业资讯 2023-05-09 16:02 阅读：12462

2025年上海国际粉体材料及加工装备展览会CPB

2025-06-05-06-07

距离20天

近日，恒普科技在官微推出一种全新的SiC晶体生长热场材料——多孔碳化钽，据介绍该材料有利于晶体生长过程中对缺陷的控制。

碳化钽是一种怎样的材料？

碳化钽（TaC）是一种超高温陶瓷材料，所谓超高温陶瓷（UHTCs）通常指熔点超过3000℃，并在2000℃以上的高温及腐蚀环境中（如氧原子环境）使用的一类陶瓷材料，如ZrC、HfC、TaC、HfB₂、ZrB₂、HfN等。TaC性质

碳化钽熔点高达3880℃，具有高硬度（莫氏硬度9～10）、较大的导热系数（22W·m^-¹·K^-¹）、较大的抗弯强度（340～400MPa），以及较小的热膨胀系数（6.6×10^-⁶K^-¹），并展现出优良的热化学稳定性和优异的物理性能，与石墨及C/C复合材料具有良好的化学相容性和力学相容性，因此TaC涂层被广泛应用于航空航天热防护、单晶生长、能源电子，以及医疗器械等领域。

应用于半导体设备

目前，以碳化硅为代表的宽禁带半导体是面向经济主战场、面向国家重大需求的战略性行业。同时碳化硅半导体又是一个工艺复杂、对设备要求极高的行业，其中，碳化硅单晶制备是整个产业链最基础也是最重要环节。

目前SiC晶体生长最常用的方法是物理气相传输法（PVT法），PVT法通过感应加热的方式在密闭生长腔室内在2300°C以上高温、接近真空的低压下加热碳化硅粉料，使其升华产生包含Si、Si₂C、SiC₂等不同气相组分的反应气体，通过固-气反应产生碳化硅单晶反应源，在生长腔室顶部设置碳化硅籽晶（种子），输运至籽晶处的气相组分在气相组分过饱和度的驱动下在籽晶表面原子沉积，生长为碳化硅单晶。该过程生长周期长、控制难度大，易产生微管、包裹物等缺陷。对于缺陷的控制，炉内热场微小的调整或漂移，都会带来晶体的变化或缺陷的增加。后期更要面临“长快、长厚、长大”的挑战，除了理论和工程的提高外，还需要更先进的热场材料作为支撑。热场中坩埚的材料主要有石墨、多孔石墨，但是，石墨在高温下遇氧易被氧化，而且会被熔融金属等腐蚀。TaC具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能，且与石墨具有良好的化学相容性和力学相容性，在石墨表面制备TaC涂层，可以有效增强其抗氧化、抗腐蚀、耐磨及力学性能等。尤其适用于MOCVD设备生长GaN或AlN单晶和PVT设备生长SiC单晶，所生长的单晶质量得到明显提高。

图片来源：恒普科技

此外，碳化硅单晶制备过程中，通过固-气反应产生碳化硅单晶反应源后，Si/C化学计量比随热场分布存在差异，需要使气相组分按照设计的热场和温梯进行分布和传输，多孔石墨的透气率不够，需要额外开孔来增加透气率，而透气率大的多孔石墨，面临加工、掉粉、蚀刻等挑战。多孔碳化钽陶瓷可更好的实现气相组元过滤，调整局部温度梯度，引导物质流方向，控制泄漏等。

图片来源：恒普科技由于TaC涂层对H₂，HCl，NH₃具有优异的耐酸碱性，在碳化硅半导体产业链中，TaC还可在MOCVD等外延处理过程中完全保护石墨基体材料，净化生长环境。

在航空航天中的应用

随着现代飞行器如航空航天器、火箭、导弹向着高速、高推力、高空的方向发展，对其表面材料在极端条件下的耐高温性和抗氧化性要求也越来越高。飞行器进入大气层时面临着热流密度高、驻点压力大和气流冲刷速度快等极端环境，同时面临着与氧气、水蒸气和二氧化碳反应而产生的化学烧蚀。在飞行器飞出和飞入大气层时，其头锥和机翼周围的空气会受到剧烈压缩而与飞行器表面产生较大的摩擦，导致其表面受气流流动加热。飞行器表面除了在飞行过程中受气动加热外，还会在飞行过程中受到太阳辐射、环境辐射等的影响，使飞行器的表面温度不断升高，这一变化会严重影响飞行器的服役状况。TaC是耐超高温陶瓷家族的一员，高的熔点和出色的热力学稳定性使TaC广泛应用于飞行器热端部位，例如可以对火箭发动机喷管的表面涂层起到保护作用。

其他应用

TaC还在切削工具、研磨材料、电子材料以及催化剂等领域具有广泛应用前景。例如，将TaC添加在硬质合金中可以阻止硬质合金的晶粒生长，提高硬质合金的硬度，改善其使用寿命；TaC具有良好的导电性，并且可以组成非化学计量化合物，导电性随组分不同而产生变化，这种特性使TaC在电子材料领域具有诱人的应用前景；在TaC的催化脱氢方面，有研究者对TiC、TaC的催化性能研究表明，在较低温度下，TaC基本没有催化活性，但在高于1000℃时，其催化活性明显升高。对于CO的催化性能方面的研究发现，300℃时TaC的催化产物有甲烷、水以及少量的烯烃。

参考来源：

[1]刘兴亮等.基于碳化钽涂层改性碳基材料的研究进展

[2]张丽等.高温化学气相沉积法制备致密碳化钽涂层

[3]爨炳辰等.碳化钽陶瓷材料制备方法的研究进展

[4]刘丹丹等.超高温陶瓷涂层的研究进展

[5]天岳先进招股说明书

[6]恒普科技

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第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会

在半导体芯片设备中，精密陶瓷零部件的成本约占10％左右，当前市场基本被美国、日本等发达国家垄断。如何实现光刻机等半导体设备中先进陶瓷部件的国产化，解决当前芯片行业“卡脖子”问题的重要一环，也是国内先进陶瓷企业面临的巨大机遇与挑战。同时，随着新能源汽车、5G、人工智能、物联网等行业的蓬勃发展，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料产业规模不断扩大，先进陶瓷在半导体行业将迎来更大的应用市场。在此背景下，第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会将在江苏苏州举办，旨在为半导体和先进陶瓷行业搭建沟通平台，交流先进技术，互通行业信息，促进产业链合作，推动国产替代进程。会议热诚欢迎行业专家、学者、技术人员、企业界代表出席，同时欢迎公司、企事业单位展示技术成果，洽谈产、学、研合作。

会务组

联系人：任海鑫

电话：18660985530（同微信）