石墨基体CVD TaC涂层的硅蒸气诱导腐蚀机制及其在半导体材料防护中的应用研究

本文系统研究了化学气相沉积(CVD)法制备的TaC涂层在1973 K高温硅(Si)蒸气环境中的腐蚀行为。研究发现，TaC与Si蒸气反应生成TaSi2和SiC多相结构，导致涂层表面粗糙度显著增加（最高达22.11 μm），纳米硬度和弹性模量分别下降29.8%和16.1%。该研究为半导体工业中石墨器件的防护涂层开发提供了重要理论依据。

Highlight

研究亮点

通过化学气相沉积(CVD)在1873 K下采用TaCl₅-C₃H₆-Ar前驱体体系，在石墨基体上成功制备了TaC涂层。在1973 K高温环境下，研究了不同硅蒸气流量（S1:5 g，S2:10 g，S3:20 g）作用4小时后涂层的腐蚀行为与机制。

Sample preparation

样品制备

采用密度1.8 g/cm³、热膨胀系数4.6×10^-6 K^-1的IGS-603各向同性石墨作为基体材料。通过机械抛光和溶剂清洗制备石墨试样（Φ15×5 mm），在密闭CVD反应室中使用TaCl₅、Ar和C₃H₆混合气体进行涂层沉积。

Phases and morphologies of the sample prior to corrosion

腐蚀前样品的物相与形貌

XRD分析显示沉积态TaC涂层具有明显的(200)晶面衍射峰，呈现多晶结构。SEM观察发现涂层表面均匀致密，晶粒尺寸约1-3 μm，与石墨基体结合良好。

Conclusion

结论

腐蚀过程分为三个阶段：首先游离碳被选择性消耗；随后TaC在晶界和缺陷处与Si反应主要形成TaSi₂和少量SiC；最终反应前沿向晶粒内部推进。随着Si蒸气流量增加，表面粗糙度从1.00 μm分别增至7.94 μm（S1）、11.08 μm（S2）和22.11 μm（S3），腐蚀层深度相应达到3.52 μm、6.13 μm和9.52 μm。最严重腐蚀的S3样品纳米硬度和弹性模量分别下降29.8%和16.1%。研究揭示了硅蒸气对TaC涂层石墨的损伤机制以化学反应为主，机械效应为辅。