CN108385086A - 基片台系统及利用该系统提高金刚石膜生长均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基片台系统，包括基片台，基片台的下方在不同区域分布有尺寸不同的水冷管。一种提高金刚石膜生长均匀性的方法，具体包括如下步骤：构建基片台系统；金刚石膜的沉积：在利用微波放电产生等离子体球的腔体中，通过控制基片台不同区域的水冷散热效率，使基片台获得从中央到边缘区域由高到低的梯度散热效果，从而在基片表面建立均匀的温度分布状态，达到提高微波等离子体化学气相沉积金刚石膜的均匀性的目的；金刚石膜样品的取出。本发明的有益效果为：具有易于加工安装，高效控制基片台各区域的温度，有效增加基片台表面温度分布的均匀性，利于沉积均匀金刚石膜等优点。

Description

基片台系统及利用该系统提高金刚石膜生长均匀性的方法
技术领域
本发明涉及金刚石膜沉积技术领域，尤其涉及基片台系统及利用该系统提高金刚石膜生长均匀性的方法。
背景技术
金刚石膜优良的物理化学性能，使其受到广泛的关注[1-3]。如今化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)技术是制备金刚石膜的主要技术之一，其中微波CVD(Microwave plasma CVD,MPCVD)法因具有无极放电、能量转换效率高、等离子体纯净等优点被认为是制备高质量金刚石膜的首要方法[4]。
多年来，利用MPCVD技术制备金刚石膜需要攻克的难点之一在于如何提高金刚石膜沉积的均匀性。具有均匀性较高的金刚石膜不仅会降低后期对金刚石膜表面抛光的工艺难度，同时也将有利于金刚石膜窗口材料的发展以及掺杂金刚石膜在光电学领域的发展与应用[5-7]。为了改善MPCVD法制备金刚石膜的生长均匀性，应用较多的方法主要集中在以下两个方面：①设计合适的沉积腔体，以适应具有较低频率且功率较高的微波馈入；②设计合适的基片台结构，以使基片表面获得合适的温度分布状态。如今即便已有众多的腔体设计方案，以满足2.45GHz及915MHz这两种微波频率的微波馈入，且耦合功率也有较大幅度的提升[8,9]，但金刚石膜的生长均匀性还是无法满足众多高新技术领域的要求[10]，其主要原因与基片台系统的结构设计方面有重要关系。现在基于对基片温度均匀分布的设计大多是利用不同金属的导热系数的差异以获得较为均匀的温度分布[4,10]，但这类方法不但会在腔体中引入过多的金属杂质，也难于对基片温度的分布状态进行实时调控，满足金刚石厚膜的制备。
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发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供基片台系统及利用该系统提高金刚石膜生长均匀性的方法，以克服上述现有技术中的不足。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基片台系统，包括基片台，基片台的下方在不同区域分布有尺寸不同的水冷管，以使基片台中间区域的散热效率高于其他区域，从而在基片表面建立均匀的温度分布状态。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，布置在基片台中间区域的水冷管的直径大于布置在基片台其他区域的水冷管的直径。
进一步，布置在基片台中间区域的水冷管的直径为4mm至10mm，且水冷管之间的间距为1mm至3mm，直径大的水冷管所布置区域的占比为总区域的1/4至1/2；布置在基片台其他区域的水冷管的直径为1mm至7mm，且水冷管之间的间距为3mm至5mm，直径小的水冷管所布置区域的占比为总区域的1/2至3/4。
进一步，水冷管由金属材料制成，基片台的材料可为金属或合金材料或无机非金属材料或复合材料。
进一步，基片台下方的水冷管之间的间隙部分填充有钎焊填料。
进一步，钎焊填料为软钎料或硬钎料。
进一步，还包括基片台支架、腔体、抽气气路和进气气路，基片台支架设置在腔体内，基片台设置在基片台支架上，水冷管设置在基片台与基片台支架之间，钎焊填料填充着水冷管和基片台支架之间的间隙，并使得水冷管、基片台和基片台支架连接为一个整体，抽气气路与腔体相连通，进气气路与腔体相连通。
本发明的有益效果是：为达到提高微波等离子体法制备金刚石膜时，基片表面温度具有较高的分布均匀性的目的，在不同区域使用尺寸不同的水冷管，这样能提高梯度水冷对基片台的冷却效果，使基片台获得均匀的温度分布，另外，中间采用内直径较大的冷水管，周围采用内直径较小的冷水管，且中间冷水管的排布较为密集，周围的冷水管排布较为松散，使中间的散热效率高于其他区域，这样能更为方便的通过冷却水的水流与水压控制不同区域的散热效率；在水冷管间的空隙处完全利用钎焊填料进行填满，使基片台可获得均匀变化且有效的散热梯度以及使基片在受到等离子体加热时，可获得均匀的温度分布状态。
一种提高金刚石膜生长均匀性的方法，具体包括如下步骤：
S100、构建基片台系统；
S200、金刚石膜的沉积：在利用微波放电产生等离子体球的腔体中，通过控制基片台不同区域的水冷散热效率，使基片台获得从中央到边缘区域由高到低的梯度散热效果，从而在基片表面建立均匀的温度分布状态，达到提高微波等离子体化学气相沉积金刚石膜的均匀性的目的；
S300、金刚石膜样品的取出：金刚石膜沉积结束后，继续通入冷却水，使基片台系统在真空环境下冷却，然后调节真空腔体气压至常压，取出基片后，对真空腔体抽真空至本底真空后保存，并断开外设冷却水系统与基片台系统的连接。
进一步，步骤S200中微波的是由频率为2.45GHz或915MHz的微波源产生。
进一步，步骤S200中等离子体球由高于3kW的高功率微波源所激发。
本发明的有益效果是：
1、基片台系统减少了杂质材料的应用，可充分利用MPCVD技术的优点，在提高金刚石膜均匀性的同时，保证所制备金刚石膜的质量；
2、易于对基片不同区域的温度进行及时调控，使基片表面高效的获得均匀的温度分布状态；
3、有利于提高微波等离子体法制备大面积金刚石膜的生长均匀性，且加工工艺简单，易于操作。
附图说明
图1为实施例1所述基片台系统的结构示意图；
图2为实施例1所述基片台系统的结构示意图。
图中标号为：1、水冷管，2、钎焊填料，3、基片台支架，4、基片台，5、基片，6、观察窗，7、腔体，8、抽气气路，9、进气气路，10、均流环，11、等离子体球，12、石英环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
一种提高金刚石膜生长均匀性的方法，具体包括如下步骤：
S100、基片台系统的加工组装：
选用直径为8mm的冷水管1，以水管间距为2.5mm排布于基片台支架3与基片台4连接的正中央区域，选用直径为5mm的冷水管1，以水管间距为4mm排布于基片台支架3与基片台4连接的其他区域，8mm水冷管1所布置区域的占比为总区域(基片台4的面积)的1/4至1/2，5mm水冷管1所布置区域的占比为总区域(基片台4的面积)的1/2至3/4，使用钎焊填料2填充水冷管1与基片台支架3之间的间隙，其中，钎焊填料2为银铜钎料，并将基片台4与钎焊有水冷管1的基片台支架3焊接起来，将这种具有梯度散热功能的结构组装在MPCVD腔体7中，并与外设的冷却水系统连接，然后装设抽气气路8、进气气路9和均流环10，使得抽气气路8与腔体7相连通，均流环10设置在腔体7内，进气气路9与均流环10相连通，同时在腔体7上设置观察窗6，如图1所示；
S200、金刚石膜的沉积
将经过预处理后的基片5放置于该基片台系统的基片台4上，由抽气气路8对真空腔体7抽真空后，使220sccm(sccm：standard-state cubic centimeter per minute，标准立方厘米每分钟)的氢气由进气气路9和均流环10通入真空腔体7中使气压上升至0.2kPa，导入微波使气体放电并在基片5上形成等离子体密度高且稳定的等离子体球11，调节腔体7气压使其达到2.5kPa时使6.0sccm的甲烷由进气气路9和均流环10通入真空腔体7中，并对微波功率和真空腔体7气压进行调节，使金刚石膜在微波功率4500W，其中，微波的是由频率为2.45GHz或915MHz的微波源产生，腔体气压10kPa的等离子体放电环境下沉积到基片5上，由观察窗6观察金刚石膜的沉积情况，并通过调整基片台系统中水冷管1的水压与流速控制基片温度，在利用微波放电产生等离子体球11的腔体7中，通过控制基片台4不同区域的水冷散热效率，使基片台4获得从中央到边缘区域由高到低的梯度散热效果，从而在基片5表面建立均匀的温度分布状态，达到提高微波等离子体化学气相沉积金刚石膜的均匀性的目的；
S300、金刚石膜样品的取出：
金刚石膜沉积结束后，继续通入水冷使基片台系统在真空环境下冷却，然后调节真空腔体7气压至常压，取出基片5后，对真空腔体7抽真空至本底真空后保存，并断开外设冷却水系统与基片台系统的连接。
实施例2：
一种提高金刚石膜生长均匀性的方法，具体包括如下步骤：
S100、基片台系统的加工组装：
选用直径为10mm的冷水管1，以水管间距为1.5mm排布于基片台支架3与基片台4连接的正中央区域，选用直径为6mm的冷水管1，以水管间距为3mm排布于基片台支架3与基片台4连接的其他区域，10mm水冷管1所布置区域的占比为总区域(基片台4的面积)的1/4至1/2，6mm水冷管1所布置区域的占比为总区域(基片台4的面积)的1/2至3/4，使用钎焊填料2填充水冷管1与基片台支架3之间的间隙，其中，钎焊填料2为锡铅钎料，并将基片台4与钎焊有水冷管1的基片台支架3焊接起来，将这种具有梯度散热功能的结构组装在MPCVD腔体7中的石英环12上，并与外设的冷却水系统连接，然后装设抽气气路8和进气气路9，使得抽气气路8与腔体7相连通，进气气路9与腔体7相连通，同时在腔体7上设置观察窗6，如图2所示；
S200、金刚石膜的沉积：
将经过预处理后的基片5放置于该基片台系统的基片台4上后，通过抽气气路8对腔体7进行抽真空，使腔体7气压下降至1.0Pa以下，然后通过进气气路9和均流环10通入200sccm的氢气，2-3分钟后关闭氢气，再通过抽气气路8对腔体7抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通过进气气路9和均流环10通入500sccm的氢气，并调整腔体气压至0.2kPa，同时通入功率为1000W的微波，激发产生等离子体球11后逐渐升高微波功率和腔体7气压，使微波功率和腔体7气压分别为6500W与18.0kPa。然后由进气气路9通入15.0sccm的甲烷，并调节前提气压至20kPa，通过观察窗6观察金刚石的沉积情况，并通过调整基片台系统中冷水管1的水压与流速控制基片温度，在利用微波放电产生等离子体球11的腔体7中，通过控制基片台4不同区域的水冷散热效率，使基片台4获得从中央到边缘区域由高到低的梯度散热效果，从而在基片5表面建立均匀的温度分布状态，达到提高微波等离子体化学气相沉积金刚石膜的均匀性的目的；
S300、金刚石膜样品的取出：
金刚石膜沉积结束后，继续通入冷却水30min，使基片台系统在真空环境下冷却。然后调节真空腔体7气压至常压，取出基片5后，对真空腔体7抽真空至本底真空后保存，并断开外设冷却水系统与基片台系统的连接。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基片台系统，包括基片台(4)，其特征在于，所述基片台(4)的下方在不同区域分布有尺寸不同的水冷管(1)，以使基片台(4)中间区域的散热效率高于其他区域，从而在基片(5)表面建立均匀的温度分布状态。
2.根据权利要求1所述的一种基片台系统，其特征在于，布置在基片台(4)中间区域的水冷管(1)的直径大于布置在基片台(4)其他区域的水冷管(1)的直径。
3.根据权利要求2所述的一种基片台系统，其特征在于，布置在基片台(4)中间区域的水冷管(1)的直径为4mm至10mm，且水冷管(1)之间的间距为1mm至3mm，直径大的水冷管(1)所布置区域的占比为总区域的1/4至1/2；布置在基片台(4)其他区域的水冷管(1)的直径为1mm至7mm，且水冷管(1)之间的间距为3mm至5mm，直径小的水冷管(1)所布置区域的占比为总区域的1/2至3/4。
4.根据权利要求3所述的一种基片台系统，其特征在于，所述水冷管(1)由金属材料制成，所述基片台(4)的材料可为金属或合金材料或无机非金属材料或复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种基片台系统，其特征在于，所述基片台(4)下方的水冷管(1)之间的间隙部分填充有钎焊填料(2)。
6.根据权利要求5所述的一种基片台系统，其特征在于，所述钎焊填料(2)为软钎料或硬钎料。
7.根据权利要求6所述的一种基片台系统，其特征在于，还包括基片台支架(3)、腔体(7)、抽气气路(8)和进气气路(9)，所述基片台支架(3)设置在所述腔体(7)内，所述基片台(4)设置在所述基片台支架(3)上，所述水冷管(1)设置在所述基片台(4)与所述基片台支架(3)之间，所述钎焊填料(2)填充着所述水冷管(1)和所述基片台支架(3)之间的间隙，并使得所述水冷管(1)、所述基片台(4)和所述基片台支架(3)连接为一个整体，所述抽气气路(8)与所述腔体(7)相连通，所述进气气路(9)与所述腔体(7)相连通。
8.一种利用如权利要求7所述基片台系统来提高金刚石膜生长均匀性的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S100、构建基片台系统；
S200、金刚石膜的沉积：将经过预处理后的基片(5)置于基片台(4)上，在利用微波放电产生等离子体球(11)的腔体(7)中，通过控制基片台(4)不同区域的水冷散热效率，使基片台(4)获得从中央到边缘区域由高到低的梯度散热效果，从而在基片(5)表面建立均匀的温度分布状态，达到提高微波等离子体化学气相沉积金刚石膜的均匀性的目的；
S300、金刚石膜样品的取出：金刚石膜沉积结束后，继续通入冷却水，使基片台系统在真空环境下冷却，然后调节真空腔体(7)气压至常压，取出基片(5)后，对真空腔体(7)抽真空至本底真空后保存，并断开外设冷却水系统与基片台系统的连接。
9.根据权利要求8所述的一种提高金刚石膜生长均匀性的方法，其特征在于，所述步骤S200中微波的是由频率为2.45GHz或915MHz的微波源产生。
10.根据权利要求8所述的一种提高金刚石膜生长均匀性的方法，其特征在于，所述步骤S200中所述等离子体球(11)由高于3kW的高功率微波源所激发。
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