CN111962048B - 一种微波等离子体设备用的基片台及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微波等离子体设备中的基片台，用于承载薄片，所述基片台分上下两部分，基片台上半部分为一整体金属，其上表面为一圆环，中央中轴线处为一圆台，圆环与圆台之间有凹槽，圆台用来承载薄片，圆环高度高于圆台高度。基片台下半部为金属圆筒，里面埋有水冷凝管，有低熔点导热金属合金填充水冷凝管与金属圆筒之间，基片台上下半部分之间有一圆盘状高导热材料，该材料被下半部金属圆筒内低熔点导热金属固定在金属圆筒的上表面。由于微波激发的等离子体球是一个能量密度不均匀的球形体，导致对基片台上工件的热辐射量也是分布不均匀的，本基片台能改善微波等离子体的均匀分布性，同时减小基片台的热形变，使得所承载薄片的表面温度有良好的一致性。
Description
技术领域
本发明属于真空微电子技术领域，具体涉及一种基片台。
背景技术
等离子体是继固态，液态，气态之后的作为物质的第四态，在很多领域有着广泛的应用。而要使物质处于等离子体状态，就需要提供一定的能量。微波作为一种电磁波，比较容易的将气体激发成等离子体状态，因此微波等离子体技术在很多领域得到了广泛的应用。
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置一般包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一个自旋转基片台，以制备金刚石膜为例，微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球紧贴在成膜衬底材料表面，通过调整不同的反应气体以及调整等离子体的工艺参数，可以在基片台表面沉积金刚石薄膜。
由于微波等离子体激发的特性，在基片台上方，靠近基片台中央区域电场强度最大；靠近基片台边缘区域电场强度较弱；因此用微波激发等离子体往往呈现球形或者椭球形。传统的基片台材料由于要接触到等离子体，往往由能耐高温的材料组成，通常为不锈钢，或者是耐高温的金属材料如钨或者钼。一般将生长衬底材料放在基片台中央处，反应气体通入真空腔内，利用微波激发成等离子体状态，进行衬底材料表面薄膜的沉积和生长。衬底材料表面要获得均匀一致的薄膜的生长，就需要衬底材料表面有一致的温度分布。影响衬底表面温度均匀性主要有两方面因素：1)加热均匀性；2)散热均匀性。对于1)加热均匀性，衬底材料表面由于接触等离子体，因此受到等离子体加热。等离子体是否是均匀分布，会对衬底表面加热均匀性产生一定的影响。在微波CVD真空腔内，由于等离子体成球形或者椭球形，衬底材料表面受到一个非均匀状态的等离子体接触，使得衬底材料表面的温度会因为接触到非均匀分布的等离子体而导致产生差异；对于2)散热均匀性，衬底材料的热量一般都通过基片台中的水冷却管，通过热传导的方式进行散热。如果冷却水管在冷却基片台表面时，要通过基片台表面传热给冷却水管金属，再传递给冷却水，这种散热通过多种材料时，热量流动很容易受到散热材料的分布而产生非均匀流动的现象。当热量流动以非均匀流动的方式进行散热时，根据材料的热胀冷缩的特点，会对散热材料的几何尺寸产生形变，导致基片台表面产生微小的形变，使得衬底材料与基片台的贴合度降低，导致衬底材料的散热非均匀化，由于散热的非均匀化使得衬底材料表面的温度也很难保持一致。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种微波等离子体设备用的基片台，用于承载圆片或者方形薄片，所述基片台分成上下两个部分：上半部由单一金属材料或者相同合金材料加工而成，下半部为带水冷却的复合材料组成。
可选地，所述上半部的上表面成圆形，由围绕圆周的金属圆环和中心部位的金属圆台组成，圆环与圆台之间有一个凹槽，凹槽的宽度在1.0-5.0毫米之间。
可选地，所述上半部的圆环的高度比圆台的高度高，圆环高度比圆台高度高2.0-4.0毫米之间。
可选地，所述上半部的下端面有一个圆形凹槽，用于与所述基片台的下半部接合。
可选地，所述下半部的整体呈圆柱形，主体由金属制成。
可选地，所述下半部从上往下依次有一个圆盘状导热材料，盘式冷却水管和金属支撑主体构成，在圆盘状导热材料，盘式冷却水管和金属支撑主体之间用一种低熔点合金金属填充，以保持冷却水管与基片台下半部有良好的导热接触，同时固定圆盘状导热材料。
可选地，所述下半部靠近其上端的外圆处有一个环形凹槽，凹槽里面填充有金属网状填充物。
可选地，当所述基片台的上半部、下半部安装接合后，上部的下缘与下部的金属网状填充物接触，能避免上部与下部接缝处产生微波放电。
可选地，所述圆片为CVD金刚石圆片。
本发明还提供了一种制备金刚石单晶片的设备，包括上述基片台：还包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，其中，所述基片台设置在等离子体反应室中，工作过程中微波系统产生的微波能进入等离子体反应室，在基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球。
本发明上述技术方案具备如下技术效果：
为了保证整个基片台表面有一个比较均匀的等离子体分布和承载圆片表面有一致的温度，利用等离子体容易贴附金属表面的特点，使用高度不同的圆环和圆台使等离子体的分布尽可能均匀分布在基片台表面，同时利用基片台上半部为整体金属制成，金属的整体受热均匀，并将热量通过高导热材料传导到基片台下半部的水冷凝管处，减少了基片台表面由于冷却不均匀而导致几何形变，从而影响承载圆片的散热均匀性，能提高基片台上承载圆片表面温度的均匀性。
附图说明
图1为基片台表面的结构示意图；
图2为实施例一的结构示意图；
图3为实施例一的结果示意图；
图4为实施例二的结果示意图；
附图标记：1.等离子体 2.衬底材料 3.基片台圆台 4.基片台圆环 5.基片台上半部 6.金属丝网填充环 7.CVD金刚石圆片 8.铜制盘状水冷凝管 9.基片台下半部 10.低熔点金属合金
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
如图1所示，提供了一种基片台，该基片台分成上下两个部分，分别为基片台上半部(5)和基片台下半部(9)。用于采用微波等离子体化学气相沉积装置中，该装置包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一自旋转基片台，工作过程中微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在自旋转基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球(1)。基片台上半部表面外圆是一圆形的金属环(4)，金属环外径与基片台直径相等，基片台上半部表面中轴线处为金属圆台(3)，衬底材料(2)放置在金属圆台(3)上。基片台上半部由单一金属或者合金制成。基片台下半部(9)主体由不锈钢加工而成，其顶部有一片表面抛光平整的CVD金刚石圆片(7)，在CVD金刚石圆片下面的铜制盘式水冷凝管(8)，在CVD金刚石圆片与铜制盘式水冷凝管之间填充有熔点在300-450摄氏度的合金(10)。在基片台上半部与下半部接缝处有一个用金属丝网(6)填充的凹槽，凹槽位于基片台下半部靠近顶部的外径上，这种结构可以防止接缝处产生微波放电。
本发明实施例提供一种在微波CVD中，基片台表面有一个比较均匀的等离子体分布，同时基片台表面受热均匀，散热均匀，可以减小基片台表面的热形变，使得基片台表面的衬底材料有均匀一致的温度，对薄膜的均匀生长是十分有利的。本发明所用微波等离子体化学气相沉积装置为不锈钢水冷腔体式微波等离子体化学气相沉积装置，其自旋转基片台直径为60mm，微波最大功率为5000W。为了测试等离子体分布均匀性效果以及散热均匀效果，用15*15毫米边长的方形金刚石仔晶进行外延生长，测试籽晶表面生长的均匀性。激发等离子体用的是H2(纯度99.999％)，CH4(纯度99.9999％)。
实施例一
基片台上半部用金属钨制成，其中上表面圆环外径为60毫米，宽度为2.0毫米，高度4.0毫米；上表面中轴线处圆台直径为45毫米，高度为1.0毫米。其它主要的几何尺寸见图2所示。基片台下半部主体用不锈钢制成，外径为59毫米；CVD金刚石圆片为直径50mm，厚度2.0mm的双面平整的圆形，热导率为1800W/m.k，CVD金刚石圆片与铜制盘式冷冷却管之间用一种含锡的合金填充。圆台上放边长为8.0*8.0*0.3毫米的单晶金刚石籽晶作为衬底材料进行金刚石单晶外延的生长。生长工艺为：微波功率4000W，气压12.0kPa，气体流量H2：CH4＝200：4.0sccm(sccm:标准立方厘米每分钟)。生长时间：200小时。生长后的结果见图3所示，可以看出，金刚石单晶表面生长均匀，生长质量高。
实施例二
基片台上半部用金属钨制成，其中上表面圆环外径为60毫米，宽度为2.0毫米，高度4.0毫米；上表面中轴线处圆台直径为45毫米，高度为1.0毫米。具体的几何尺寸见图2所示。CVD金刚石圆片为直径50mm，厚度2.0mm的双面平整的圆形，热导率为1800W/m.k，CVD金刚石圆片与铜制盘式冷冷却管之间用一种含锡的合金填充。圆台上放边长为15.0*15.0*0.3毫米的单晶金刚石籽晶作为衬底材料进行金刚石单晶外延的生长。生长工艺为：微波功率4500W，气压11.5kPa，气体流量H2：CH4＝200：4.0sccm。生长时间：200小时。生长后的结果见图4所示，可以看出，金刚石单晶表面生长均匀，生长质量高。对比实施例一，尽管籽晶边长从8.0毫米提高到15.0毫米，但是生长质量没有受到影响，说明等离子体的均匀性以及基片台的散热均匀性都能满足大尺寸单晶金刚石籽晶的生长需求。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微波等离子体设备用的基片台，用于承载圆片或者方形薄片，其特征在于，所述基片台分成上下两个部分：上半部由单一金属材料或者相同合金材料加工而成，下半部为带水冷却的复合材料组成，其中，所述下半部的整体呈圆柱形，主体由金属制成，所述下半部从上往下依次有一个圆盘状导热材料，盘式冷却水管和金属支撑主体构成，在圆盘状导热材料，盘式冷却水管和金属支撑主体之间用一种低熔点合金金属填充，以保持冷却水管与基片台下半部有良好的导热接触，同时固定圆盘状导热材料。
2.根据权利要求1所述的基片台，其特征在于：所述上半部的上表面成圆形，由围绕圆周的金属圆环和中心部位的金属圆台组成，圆环与圆台之间有一个凹槽，凹槽的宽度在1.0-5.0毫米之间。
3.根据权利要求2所述的基片台，其特征在于：所述上半部的圆环的高度比圆台的高度高，圆环高度比圆台高度高2.0-4.0毫米之间。
4.根据权利要求2所述的基片台，其特征在于：所述上半部的下端面有一个圆形凹槽，用于与所述基片台的下半部接合。
5.根据权利要求1所述的基片台，其特征在于：所述下半部靠近其上端的外圆处有一个环形凹槽，凹槽里面填充有金属网状填充物。
6.根据权利要求5所述的基片台，其特征在于：当所述基片台的上半部、下半部安装接合后，上部的下缘与下部的金属网状填充物接触，能避免上部与下部接缝处产生微波放电。
7.一种制备金刚石单晶片的设备，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的基片台：还包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，其中，所述基片台设置在等离子体反应室中，工作过程中微波系统产生的微波能进入等离子体反应室，在基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，其中，所述下半部的整体呈圆柱形，主体由金属制成，所述下半部从上往下依次有一个圆盘状导热材料，盘式冷却水管和金属支撑主体构成，在圆盘状导热材料，盘式冷却水管和金属支撑主体之间用一种低熔点合金金属填充，以保持冷却水管与基片台下半部有良好的导热接触，同时固定圆盘状导热材料。
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Application publication date: 20201120 Assignee: Shanghai boshiguang Semiconductor Technology Co.,Ltd. Assignor: Shanghai Zhengshi Technology Co.,Ltd. Contract record no.: X2022310000138 Denomination of invention: A substrate stage and equipment for microwave plasma equipment Granted publication date: 20210820 License type: Common License Record date: 20220927 |
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