CN216514120U - 一种基于mpcvd法制备金刚石膜的基片台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及晶体合成技术领域，具体的涉及一种基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，包括钼托，以及放置在钼托上的沉积底片，所述钼托的上端面设置有用于放置沉积底片的生长槽，所述钼托的下端面设置有环形槽，环形槽的中心位置设置有中心凸起，中心凸起的高度与环形槽的边缘的高度相同，所述环形槽内设置有不少于一块的带有中心圆孔的环形块，环形块的中心圆孔的内径大于中心凸起的直径，环形块的外径小于环形槽的内径，环形块的高度与中心凸起的高度相同。采用底部环形槽与环形块的配合，有利于提高膜的表面温度均与性，从而提高膜的质量。

Description

一种基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台

技术领域

本实用新型涉及晶体合成技术领域，具体的涉及一种基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台。

背景技术

金刚石具有极高的硬度，并在室温下具有极高热导率、低热膨胀系数、高化学惰性等优异性能，这些优异物理化学性能，使其受到广泛的关注。它可以广泛应用于刀具、涂层、光学窗口及声学传感器、半导体和电子器件等领域。因此，对于高速、高质量、大面积均匀生长金刚石膜的制备技术的研究尤为迫切。

微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD法)是一种质量高、易操控的人工制备金刚石的方法，其基本原理是使用微波在低分子碳烃气体(比如甲烷)与氢气的混合气体中激发等离子体，在等离子体的高温环境中，碳原子沉积到放置于基片台的沉积基底上，从而实现金刚石膜的人工生长。MPCVD法制备金刚石膜使用电磁波能量来激发反应气体，具有无电极污染、等离子体集中且不易扩散等优点，用MPCVD法制备的金刚石性能优异，非常适合用来生长高质量的金刚石，是目前合成金刚石最有前景的方法之一，也被认为是制备高质量金刚石膜的首要方法。

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、冷却系统及等离子体反应室，其中等离子体反应室是MPCVD装置的关键部件，包括微波等离子体反应腔体、水冷台、基片台等组件。在MPCVD装置中，基片台放置于微波等离子体反应腔体内的水冷台上，其设计对反应腔体内的电场和等离子体分布及均匀性有重要影响，对于制备高品质的金刚石起着重要作用。

通常的基片台设计采用简单圆盘结构，沉积基底置于圆盘的平坦支撑表面。由于边缘效应的影响，沉积基底外缘的电场强于中心区域的电场，从而影响了反应腔体内等离子体的密度分布均匀性，导致生长出来的金刚石膜厚度不均匀。同时这种基片台在应用于大面积金刚石膜时候，由于等离子场的分部，导致膜的中心与边缘位置温度较高，导致整体温度分部不均匀，影响膜的质量，导致大面积膜存在较大应力，产生裂纹。提高金刚石膜的均匀性也是大面积金刚石生长的难点之一。

中国专利CN 103911596 B公开了一种带有耐高温金属圆环的基片台，该圆环位于基片台上方等离子球内部的下半部分，靠近等离子球边界处，能够改变等离子体密度分布，从而提高金刚石膜沉积均匀性。这种结构需要在基片台四周设立耐高温的非金属支架，将耐高温金属圆环通过钨丝或钽丝与非金属支架固定连接。这种基片台结构的缺点是引入了非金属支架等额外的组件，结构变得复杂；另外，为了有效提高等离子球的均匀性，需要引入定位机构以确保对支架及固定在其上的金属圆环进行准确定位，这进一步增加了结构的复杂性，在实际应用中实现起来较为困难且难以保证定位的精度。

中国专利CN106929828A公开了一种一种用于微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石膜的基片台。该基片台通过环形边缘倾斜平面或弧形来提高等离子体场的均匀性，，通过环形凹槽设计，来防止非沉积区域生成的杂志溅射至沉积的金刚石膜上。但这种设计在实际应用中，当金刚石膜较大时，由于边缘倾斜，等离子场导致金刚石膜在中心与边缘温度大于中间环形区域温度，导致金刚石产生应力。

因此，本领域技术人员亟需一种能够通过基片台本身的构造来解决钼托的受热不够均匀的问题的装置。

发明内容

针对以上存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种能够减弱微波等离子体反应器内的等离子体对钼托产生的等离子体边缘效应，提高钼托的温度的分布均匀性，提高金刚石膜品质的装置。

为了达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：一种基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，包括钼托，以及放置在钼托上的沉积底片，所述钼托的上端面设置有用于放置沉积底片的生长槽，所述钼托的下端面设置有环形槽，环形槽的中心位置设置有中心凸起，中心凸起的高度与环形槽的边缘的高度相同，所述环形槽内设置有不少于一块的带有中心圆孔的环形块，环形块的中心圆孔的内径大于中心凸起的直径，环形块的外径小于环形槽的内径，环形块的高度与中心凸起的高度相同。

上述基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，所述钼托为扁平状的圆柱形，所述中心凸起的中轴线与生长槽的中轴线重合，所述中心凸起的中轴线与钼托的中轴线重合，所述钼托的高度小于生长槽的槽边高度，所述钼托的直径小于生长槽的内径。

上述基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，所述生长槽的外径小于环形槽的外径。

上述基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，所述生长槽的外侧槽边的外边缘设置有倒圆角，生长槽槽边的宽度大于环形槽槽边的宽度。

上述基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，所述环形块为一体结构。

本实用新型一种基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台的有益效果是：采用底部环形槽与环形块的配合，有利于提高膜的表面温度均与性，从而提高膜的质量，基片台独立于微波等离子体反应器的腔体与铜水冷盘，简单易用，有利于随时调节结构和尺寸，有利于制备各种不同尺寸的金刚石膜，采用生长槽外环形外表面边缘倒圆角设计，有效的减弱了等离子体边缘效应，有效的提高了MPCVD装置内的等离子体球分部状态，提高了其分布的均匀性，同时提高了制备的金刚石膜的均匀性与品质。

附图说明

图1为本实用新型整体剖面结构示意图；

图2为本实用新型放置在水冷台上结构示意图；

图3为本在等离子体中金刚石膜温度分布示意图；

图4为本实用新型环形块结构示意图；

图5为本实用新型单环形块放置位置示意图；

图6为本实用新型双环形块放置位置示意图。

图中，基片台1、钼托2、沉积底片3、生长槽4、环形槽5、中心凸起6、环形块7、中心圆孔8、倒圆角9、水冷台10、抽气管道11、等离子体球12、中心区域13、过渡区域14、边缘区域15、环形槽槽边16、生长槽槽边17。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本技术方案，下面结合具体实施方式及附图对本实用新型的技术方案进行说明。

如图1-6所示，一种基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，包括钼托，钼托为扁平状的圆柱形，钼托的上方最外侧的外边缘设置有倒圆角，在钼托上放置有沉积底片，沉积底片同样为扁平状的圆柱形，在钼托的上端面向内挖有用于放置沉积底片的生长槽，沉积底片的高度小于或等于生长槽的槽边高度，沉积底片的直径小于生长槽的内径。

在钼托的下端面向内扣设有环形槽，环形槽的中心位置设置有中心凸起，中心凸起的高度与环形槽的槽边的高度相同，在环形槽内设置有的带有中心圆孔的环形块，环形块的中心圆孔的内径大于中心凸起的直径，环形块的外径小于环形槽的内径，环形块的高度与中心凸起的高度相同，根据不同的温度需要，环形块可以设置一块或两块或两块以上，当环形块设置两块时，环形块分为内径大的环形块和内径小的环形块，内径大的环形块的外径与环形槽的内径相切，内径小的环形块的内径与中心凸起的外径相切，两个环形块中间形成没有被环形块填充的第二环形槽区，环形块的材质与钼托的材质相同，每块环形块一体的环形结构。

中心凸起的中轴线、生长槽的中轴线、环形块的中轴线均与钼托的中轴线重合，四着的中轴线位于同一中轴线上。

在钼托上侧开设的生长槽的外径小于开设在钼托下方的环形槽的外径，生长槽槽边的宽度与环形槽槽边宽度相同。

进一步，为更好的对过渡区域的温度进行调整控制，生长槽槽边的宽度大于环形槽槽边宽度。

钼托在环形槽内放置好环形块之后，整体放在水冷台上，水冷台可以使用铜制，在进行金刚石膜生长时，在基片台上方的等离子体中，等离子体为椭圆形球体，中心区域温度最高，边缘区域由于基片台边缘圆角放电原因，温度次之，过渡区域温度最低，过渡区域温度分布，为过度区域的两边的温度高于过渡区域中间部位的温度，所以在生长大尺寸金刚石膜时，金刚石膜中心区域、边缘区域与过渡区域温差较大，各区域生长出的金刚石膜质量不一。

此时通过将基片台上的放置沉积底片的钼托的底部的过渡区域挖成环形的内凹槽，减少过渡区域与下方水冷铜台接触，从而减少水冷散热效果，调节基片台水冷散热状况，提高该区域的温度。过渡区域温度分布为两边高，中间低，为了使金刚石膜温度更加均匀，各区域温差更小，此时需要通过环形块，更加灵活调节金刚石膜温度的一致性，从而调整调节金刚石膜温度均匀性。

环形块设置的位置通常为环形槽靠近中间的位置。数量为6个，分为三组(三组的区别在于环形块的宽度)。根据基片台在等离子体中的实际温度分布状况，灵活使用不同环形块，使得温度更加均匀一致。

在金刚石膜越大，中心区域的温度越高，边缘放电现象减弱，此时钼托生长槽的外侧不需要在环形槽内添加环形块，只需要在环形槽的内侧添加环形块，调节水冷散热状况，起到调节金刚石膜温度均匀一致作用。

本实用新型中，采用环形外表面边缘倒圆角设计，有效的减弱了等离子体边缘效应，有效的提高了MPCVD装置内的等离子体球分部状态，提高了其分布的均匀性，同时提高了制备的金刚石膜的均匀性与品质。

基片台上的钼托独立于腔体与铜水冷盘，简单易用，有利于随时调节结构和尺寸，有利于制备各种不同尺寸的金刚石膜。

基片台的设计适合于各种微波频率(915MHz/2450MHz)、多种反应腔体的MPCVD装置，提高了大尺寸MPCVD装置中的电场及等离子体分布均匀性，适合于制备大面积金刚石膜，提高了所制备金刚石膜的均匀性和品质。

采用底部环形凹槽与环形块的配合，有利于提高膜的表面温度均与性，从而提高膜的质量。

本实用新型的设计巧妙，结构简单，成本低廉，适用于各种MPCVD装置中。

使用本实用新型所述的基片台，采用微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石膜的方法，包括以下步骤：

1.将沉积基底(硅片)进行表面处理，然后超声清洗；

2.打开MPCVD反应腔盖，将合适的环形块放到基片台的钼托上的环形槽内，将钼托放在铜水冷台中间位置，将处理好的沉积基底(硅片)放入钼托的生长槽内；

3.关上反应腔盖，打开机械泵，抽真空至反应腔内真空为0.01-0.4pa；

4.测量反应腔内的漏气率，保证漏气率在0.01-0.1pa/min，记录漏气率；

5.通入高纯度氢气，其质量流量为500sccm，当反应腔气压为200-3000pa时，开启微波，输入并且调节功率为1-3KW，微波频率为915MHZ/2.45GHZ，起辉开始产生等离子体球；

6.继续通入氢气，其质量流量为500sccm，调节反应腔内气压为10-13KPa，同时调节微波输入功率为6-30KW，当沉积基底温度达到800-900摄氏度时，开始通入碳氢气体，使金刚石在基底表面形核，形核时间为10-60min；

7.调节MPCVD装置的各项工艺参数进行金刚石的制备，其微波输出功率为6-30KW，反应腔气压为10-20Kpa,沉积基底温度为700-1100摄氏度；

在上述工艺参数中。金刚石膜沉积速度为1-20微米/小时，经过30-200小时生长，得到厚度为0.1-2mm的金刚石膜。

8.金刚石沉积结束，取出样品，关上反应盖，继续抽真空。

上述实施例只是为了说明本实用新型的结构构思和特点，其目的在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限定本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所做出的等效变化或修饰，都应该涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，包括钼托，以及放置在钼托上的沉积底片，所述钼托的上端面设置有用于放置沉积底片的生长槽，其特征在于：所述钼托的下端面设置有环形槽，环形槽的中心位置设置有中心凸起，中心凸起的高度与环形槽的边缘的高度相同，所述环形槽内设置有不少于一块的带有中心圆孔的环形块，环形块的中心圆孔的内径大于中心凸起的直径，环形块的外径小于环形槽的内径，环形块的高度与中心凸起的高度相同。

2.根据权利要求1所述基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，其特征是：所述沉积底片为扁平状的圆柱形，所述中心凸起的中轴线与生长槽的中轴线重合，所述中心凸起的中轴线与沉积底片的中轴线重合，所述中心凸起的中轴线与钼托的中轴线重合，所述沉积底片的高度小于生长槽的槽边高度，所述沉积底片的直径小于生长槽的内径。

3.根据权利要求1所述基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，其特征是：所述生长槽的外径小于环形槽的外径。

4.根据权利要求1所述基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，其特征是：所述生长槽的外侧槽边的外边缘设置有倒圆角，生长槽槽边的宽度大于环形槽槽边的宽度。

5.根据权利要求1所述基于MPCVD法制备金刚石膜的基片台，其特征是：所述环形块为一体结构。

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