CN107304475A - 用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座 - Google Patents

Abstract

一种用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座，包括托盘主体，呈一圆盘结构，该圆盘外侧边上具有外螺纹，所述圆盘中心具有一凹槽；外边缘部件，呈一圆环结构，所述圆环内侧边上具有与所述外螺纹配套的内螺纹，外环部件通过配套的螺纹结构旋拧在托盘主体上且可通过控制旋拧圈数改变外环部件相对于托盘主体的高度位置；以及内嵌部件，其嵌置于所述凹槽内，所述内嵌部件中间开设一用于放置样品的凹坑。组合式衬底基座采用三段式分体结构，这使得可以对托盘的结构进行细微的调整，从而精细的研究托盘结构的变化对实验的影响程度，提高实验的精确性和可靠性。

Description

用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座

技术领域

本发明涉及支承装置以及材料生长领域，进一步涉及一种组合式托盘，尤其涉及一种用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座。

背景技术

气相沉积过程中，尤其是等离子化学气相沉积过程中(例如MPCVD制备CVD单晶金刚石)，影响参数众多，放置衬底的托盘(例如钼托)结构是一个非常重要的参数，所以制备高质量的材料生长产品必然要对托盘(例如钼托)结构对材料生长的影响进行充分的研究。

应用等离子体进行材料生长的产品，例如金刚石，其集物理、化学、力学、光学、电学等各方面的优异性质于一身，特别是在电学性质方面，它具有宽的禁带宽度、高的载流子迁移率、饱和电子漂移速度、高的击穿电场、低的介电常数等。并且由于其具有已知矿物中最高的热导率，使得金刚石材料制备的半导体器件工作时产生的热量能够迅速导出去，这使得金刚石特别适用于制备在高温、高频、大功率、强辐射等恶劣条件下工作的半导体器件。正因为金刚石的这些优秀属性，使得它成为新一代半导体材料的研究焦点，未来具有广阔的应用前景。

研究托盘(例如钼托)结构的改变对材料生长(例如单晶金刚石生长)的影响就需要制备大量不同结构的托盘(例如钼托)。列举钼托为例，目前现有技术主要研究钼托外边缘的高度变化和钼托中心处圆形凹坑尺寸的变化对单晶金刚石生长的影响。需要制备大量的不同结构的钼托，制备一系列具有高度梯度的钼托外边缘钼托和一系列中心处不同尺寸圆形凹坑的钼托。由于采用的是高纯度钼托材料，价格昂贵。因此，制备大量的不同结构的钼托需要高昂的成本，并且由于钼托材料不易于加工，加工耗时长。所以制备大量不同结构的钼托需要消耗大量的材料成本，加工成本以及加工耗时。

而且材料生长过程中，生长结束后托盘上会沉积一层薄膜。生长的时间越长，膜的厚度越大。并且，膜层和托盘具有很强的附着力，例如金刚石膜与钼托附着力就特别强，而且在钼托侧壁和上表面形成的圆环处，难于将这些多晶金刚石膜清理干净而影响钼托后续的使用。另外，在实验过程中，采用中心没有小坑的钼托进行生长经常会出现由于内部气流的问题将样品吹走，特别是在升降温的过程中，微波功率、温度、气压、气流等都不稳定，采用平坦中心的钼托经常出现样品吹走的情况。一旦样品吹走，轻者打开反应室找到样品重新清洗后继续实验，严重时样品会掉入设备升降台下面，必须拆开设备才能将样品取出。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供一种用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座，包括：

托盘主体，呈一圆盘结构，该圆盘外侧边上具有外螺纹，所述圆盘中心具有一凹槽；

外边缘部件，呈一圆环结构，所述圆环内侧边上具有与所述外螺纹配套的内螺纹，外环部件通过配套的螺纹结构旋拧在托盘主体上且可通过控制旋拧圈数改变外环部件相对于托盘主体的高度位置；以及

内嵌部件，其嵌置于所述凹槽内，所述内嵌部件中间开设一用于放置样品的凹坑。

根据本发明的一具体实施方案，所述组合式衬底基座为微波等离子体化学气相沉积设备中用于制备金刚石的衬底基座。

根据本发明的一具体实施方案，所述托盘主体、外边缘部件和内嵌部件的材料为钼。

根据本发明的一具体实施方案，所述托盘主体下部还具有一外侧圆环，该外侧圆环不具有外螺纹，用于支撑所述组合式托盘以及限制所述外环部件的旋拧位置。

根据本发明的一具体实施方案，所述凹槽为圆柱形凹槽。

根据本发明的一具体实施方案，所述外边缘部件的圆环边缘具有倒圆结构。

根据本发明的一具体实施方案，所述凹坑的尺寸可依据样品的尺寸进行调整。

(三)有益效果

通过上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)由于本发明设计的用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座采用三段式分体结构，三个部件可以灵活组合成不同结构的托盘，这使得可以对托盘的结构进行细微的调整，从而精细的研究托盘结构的变化对实验的影响程度，提供更多的实验数据，提高实验的精确性和可靠性；

(2)由于该用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座可以通过自身的调整形成不同结构，因此，我们就不需要制备结构有细微差异的一系列托盘，这极大的降低了托盘制作成本和加工耗时；

(3)本发明的用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座应用于气相沉积领域，尤其是等离子体气相沉积领域，可以将托盘边缘部件和主体结构分开，从而可以更容易的清理掉沉积在其上的薄膜；

(4)在托盘中心制备一个小的圆形凹坑，防止样品由于内部气流的而吹走，还能使样品生长环境的温度梯度更均匀，制备更高质量的薄膜(例如单晶金刚石)样品；

(5)采用钼托盘时，通过组合式涉及可以充分降低钼材的损耗，减少制备各个系列尺寸的钼托盘。

附图说明

图1A和1B分别为本发明一具体实施例的用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座的组合后整体立体图和截面示意图；

图2A和2B分别为本发明一具体实施例的托盘主体的立体图和截面示意图；

图3A和3B分别为本发明一具体实施例的外环部件的立体图和截面示意图；

图4A和4B分别为本发明一具体实施例的内嵌部件的立体图和截面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

根据本发明总体上的发明构思，提供一种用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座，包括：

托盘主体，呈一圆盘结构，该圆盘外侧边上具有外螺纹，所述圆盘中心具有一凹槽；

外边缘部件，呈一圆环结构，所述圆环内侧边上具有与所述外螺纹配套的内螺纹，外环部件通过配套的螺纹结构旋拧在托盘主体上且可通过控制旋拧圈数改变外环部件相对于托盘主体的高度位置；以及

内嵌部件，其嵌置于所述凹槽内，所述内嵌部件中间开设一用于放置样品的凹坑。

对于该组合式衬底基座，优选的应用于气相沉积尤其是化学气相沉积领域，更优选的应用于等离子体化学气相沉积设备中，更优选的，应用于MPCVD制备单晶金刚石设备中。

对于用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座中各部件的材料选择，优选的为耐高温、热传导率较高的金属材料，优选的为钼、铌、钨或者钽，更优选为钼材料。

对于外边缘部件与托盘主体之间的位置，可通过旋转外边缘部件，根据托盘主体上的内螺纹与外环部件的外螺纹配套关系，通过旋转微调就可以调整外环部件的高度，以影响托盘上方例如等离子球的形状，从而改变沉积效果。

以下列举一在化学气相沉积金刚石领域的钼托盘进行详细介绍，本发明也可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

首先介绍本实施例的实现原理：由于钼托结构的差异对MPCVD设备生长金刚石具有显著的影响，因此研究钼托结构的变化对生长的影响具有重要的意义。钼托外边缘的高度能显著影响覆盖在钼托上方等离子球的形状，而钼托中心处的圆形凹坑的尺寸能显著影响衬底所处的生长环境，因此，本实施例主要通过改变这两个部分的尺寸研究钼托结构对金刚石生长的影响。然而制备一个个完整的钼托不仅需要较大的成本以及加工时间，还难于做到细微的调节钼托外边缘和中心圆形凹坑的尺寸。本实施例设计的原理是采用三段式分立钼托实现对钼托结构的灵活调整，该组合式钼托通过螺纹将分立的钼托外边缘与钼托主体相连接，只需要通过旋动钼托外边缘部件即可微调钼托外边缘的高度。分立式的放置样品的部件尺寸较小，可以制备多个不同尺寸的圆形凹坑部件从而做到调节放置样品的凹坑的深度和直径，由于该部件简单小巧，使得制作成本低，制作用时少。

参照图1A、1B、2A和2B，钼托托盘主体1上的11螺纹设计，这种螺纹设计不仅可以灵活的调节钼托边缘高度，从而形成不同的钼托结构；而且极大的节省了实验制备大量钼托的成本以及制作加工时间。另一方面，由于采用组合式设计，使得托盘主体1和外边缘部件2可以拆分出来，这使得更容易清理掉生长过程中附着在钼托表面的多晶金刚石薄膜。托盘主体1中的圆柱槽13的设计可以灵活的更换不同结构的放置衬底的内嵌部件3。使得组合式钼托具有不同尺寸的放置样品的圆形凹坑，从而达到调整凹坑尺寸的目的。内嵌部件放置样品的凹坑大小可根据需要制备不同的尺寸，包括深度和直径。

参照图1A、1B、3A和3B，钼托外边缘部件2上的21螺纹设计，如上所述，这种螺纹设计不仅可以自由灵活的调节钼托边缘高度，从而形成不同的钼托结构；而且极大的节省了实验制备大量钼托的成本以及制作加工时间。另一方面，由于采用组合式设计，使得托盘主体1和外边缘部件2可以拆分出来，这使得更容易清理掉生长过程中附着在钼托表面的多晶金刚石薄膜。

参照图1A、1B、4A和4B，内嵌部件3中的圆柱状或者方形凹坑设计，通过分立式的内嵌部件3，可以独立的制备出不同深度和直径的凹坑结构，而无需制备整个钼托。这样做的好处是，能够自由的组合出不同结构的钼托，并且大量的节省了钼托的制备成本和加工耗时。并且，在工艺过程中，采用中心没有圆形凹坑的钼托进行生长经常会出现由于内部气流的问题将样品吹走，特别是在升降温的过程中，微波功率、温度、气压、气流等都不稳定，采用平坦中心的钼托经常出现样品吹走的情况。一旦样品被吹走，轻者需要打开反应室找到样品重新清洗后继续实验，严重时样品会掉入设备升降台下面，必须拆开设备才能将样品取出。所以，防止样品由于内部气流吹走非常重要，而在钼托中心制备一个圆形或方形凹坑能非常有效的防止样品被吹走，还能使样品生长环境的温度梯度更均匀，制备出更高质量的单晶金刚石样品。

基于上述原理，提供一种运用于微波等离子体化学气相沉积中自由组合式钼托的制备方法，包括：

步骤1：采用高纯度钼材料制作钼托各个部件。对于部件1，为钼托主体构架。11为螺纹结构，通过螺纹与部件2相拧合；12为钼托支撑处，为一环形结构，目的是控制钼托的导热性；13为钼托主体构架圆柱状凹槽，用于放置部件3.

步骤2：制备部件2，部件2为一圆环结构。21为螺纹结构，通过螺纹结构与部件1相拧合；22为圆环边缘倒圆结构。

步骤3：制备部件3，部件3为一小圆柱结构，内部有一圆柱形凹坑，用于放置样品。圆柱形凹坑根据需要可设计不同的尺寸。

步骤4：将三个部件制备完成之后，再将三个部件组合起来。部件1和部件2通过螺纹的方式拧合连接，并根据实验需要调整部件1和部件2的拧合距离，达到调节钼托外边缘高度的目的。部件3直接放置在与之匹配的部件1中的中心处凹槽中。即完成整个结构的组合，此处不采用螺纹方式拧合连接是为了保证部件3的水平。

实验使用时，首先将部件1和部件2通过螺纹拧合连接起来，利用游标卡尺根据实验设置调节拧合距离，然后将部件3水平放置在部件1中对应的圆形高槽中，即完成整个钼托的组装。然后将样品放置在组装好的钼托中心凹坑中，利用钼托夹具将装有金刚石沉积的钼托水平放置在MPCVD设备的反应室内。

虽然参照上述具体实施方式详细的介绍了本发明的细节，但是本发明并不限于上述所公开描述的实施方式，可对其形式和细节进行进一步的改变。比如，部件3中可不使用圆形凹坑而改用方形凹坑。或者部件3和钼托主体构架部件1之间也可采用螺纹的方式拧合，具体方案可根据实际情况进行调整。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座，其特征在于包括：

托盘主体，呈一圆盘结构，该圆盘外侧边上具有外螺纹，所述圆盘中心具有一凹槽；

外边缘部件，呈一圆环结构，所述圆环内侧边上具有与所述外螺纹配套的内螺纹，外环部件通过配套的螺纹结构旋拧在托盘主体上且可通过控制旋拧圈数改变外环部件相对于托盘主体的高度位置；以及

内嵌部件，其嵌置于所述凹槽内，所述内嵌部件中间开设一用于放置样品的凹坑。

2.根据权利要求1所述的用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座，其特征在于，所述组合式衬底基座为微波等离子体化学气相沉积设备中用于制备金刚石的衬底基座。

3.根据权利要求1所述的用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座，其特征在于，所述托盘主体、外边缘部件和内嵌部件的材料为钼。

4.根据权利要求1所述的用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座，其特征在于，所述托盘主体下部还具有一外侧圆环，该外侧圆环不具有外螺纹，用于支撑所述组合式托盘以及限制所述外环部件的旋拧位置。

5.根据权利要求1所述的用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座，其特征在于，所述凹槽为圆柱形凹槽。

6.根据权利要求1所述的用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座，其特征在于，所述外边缘部件的圆环边缘具有倒圆结构。

7.根据权利要求1所述的用于微波等离子体化学气相沉积设备的组合式衬底基座，其特征在于，所述凹坑的尺寸依据样品的尺寸进行调整。