CN113025998A - 一种金刚石薄膜微波等离子体化学气相沉积使用的基片台 - Google Patents

一种金刚石薄膜微波等离子体化学气相沉积使用的基片台 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用热管理与磁场导引等离子结合的基片台，通过在基片台中隐埋不同导热率的材料进行热管理设计达到平衡等离子不同区域的温度，减少高温等离子体轰击衬底时形成的衬底温度水平方面的温度梯度。另外就是在基片台中安装磁铁，通过磁场对等离子导引，以及隐埋软磁材料改变等离子的形状分布，进一步提高衬底温度有效区的大小以及等离子的均匀性。本发明的优点是可以显著提高金刚石微波等离子体化学气相沉积工艺的薄膜沉积的有效面积，以及改善等离子的密度分布，装置简单，便于实施。

Description

一种金刚石薄膜微波等离子体化学气相沉积使用的基片台
技术领域
本发明涉及半导体制备工艺，尤其涉及一种金刚石薄膜的微波等离子体化学气相沉积装置中的基片台。
背景技术
金刚石薄膜有着极高的电子迁徙率、空穴迁徙率、饱和速度、极高的击穿电场，最高的热导率，对从真空紫外光到远红外光波段的光线极高的光透度，良好的耐腐蚀性，较小的热膨胀系数，被认为是继硅之后的第三代MEMS/NEMS材料。由于其优异的性能，金刚石材料在电子、光学、声学、热学、机械、抗腐蚀、抗辐射等工业、军事等高科技领域有着广泛的应用前景，将会给人类生活带来巨大的影响，带来巨大的经济效益。
金刚石薄膜的制备经历了高温高压法(HPHT)、热丝化学气相沉积法(HFCVD)、 等离子体化学气相沉积法(PCVD)。微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)由于能够稳 定沉积出比较均匀、纯净和高质量的金刚石薄膜，已经成为制备金刚石的首选方法。但是， 微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石薄膜在工程化、产业化的过程中还存在一定的缺 陷，那就是沉积速率低和沉积面积小，沉积的薄膜均匀性很差。为使金刚石实现工业化用 处，如何提高金刚石薄膜的有效沉积面积与均匀性成为了研究的热点。微波等离子体化学气 相沉积法沉积金刚石薄膜的过程通常包括：甲烷的离化、氢气的离化、电子碰撞已有等离子体，即：
Figure RE-GDA0002410388900000011
其中的中性 CH3基团、C2H2基团是金刚石薄膜的主要生长基团，H基团是抑制 非金刚石相生长的主要基团。CH3基团、H基团浓度的提高对金刚石薄膜的 沉积速率和质量提高效果显著。
目前产生等离子的方法，有电容性等离子产生构架，电感激励性等离子产生构架，电子回旋共振ECR，以及微波共振谐振腔的构架。其中产生高密度的等离子的构架是电子回旋共振ECR，以及微波共振谐振腔体构架。
电子回旋共振ECR沉积腔体的典型结构，其特点是在腔体的上部由一个大于800高斯的垂直磁场与微波的电场平行，使得电子的回旋运动产生共振，这样来激励等离子，然后输送到沉积的衬底片上，电子回旋共振沉积腔体产生等离子的区域远离衬底的区域。目前，生长金刚石最常用的是MPCVD的反应腔体，它的原理是微波输入一个近似柱形的金属腔体内，柱形腔体的形状尺寸能正好与微波的RF频率产生微波共振，这样在衬底的上方产生强电场，激励生成等离子体。微波谐振腔一般使用的频率是2.45GHz，这种方法产生的等离子密度高，等离子能产生大量的热量，加热基片台。由于电场共振的电场分布是一种驻波，中心高，远离中心发生幅度滚降，在径向与轴向分布非常不均匀，造成基片台上的衬底温度在径向分布及其不均匀（如图1所示的衬底上方气体的温度在径向的分布）。 同样的原因，如图2中所示，衬底上方等离子的密度分布在径向也式急剧衰减的分布。这使得MPCVD 生长金刚石薄膜的有效区域受到极大的影响，目前尚没有文献与设计提出更好的方法来解决这个问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种结合热传导和磁场引导等离子的基片台设计，主要由水冷腔室，衬底托（7）等组成，水冷腔室由水冷腔体壁（1），盖板（2）与密封圈（3）构成，水冷腔室内安装有磁铁（17）（18），磁铁（17）（18）位于水冷腔体（1）的内部，并以水冷腔体（1）水冷腔室的中心轴为中心呈对称位置安装，磁铁（17）（18）固定于水冷腔体（1）水冷腔室空腔内部水冷腔壁（1）的上平面，与盖板（2）之间留有水流间隙，便于冷却调节盖板（6），进而冷却对衬底（8）进行冷却，盖板（2）上安装有调节盖板（6）， 调节盖板（6）与盖板（2）之间安装有不同厚度调节热量传导的材料环形导热体（11）和圆形导热体（13）， 以及调节磁场大小的材料环形导磁体（12）和圆形导磁体（14），调节盖板（6）上放置有衬底托（7），衬底托（7）内用以放置有衬底（8）。
可选地，上述环形导热体（11）和圆形导热体（13）， 以及环形导磁体（12）和圆形导磁体（14）可以成分是铜、铝、不锈钢或镍的金属材料制成，或者聚晶金刚石、碳化硅、氮化铝或蓝宝石的陶瓷材料制成。
优选地，在上述衬底托（7）底部不同半径的地方，设置有多个不同深度的圆环凹坑（9）（10），在衬底托（7）与调节盖板（6）之间形成阶梯状的空气间隙，以进一步微调衬底（8）的温度与磁场分布。
可选地，水冷腔室内设置的磁铁（17和（18）分成两块在水冷腔室内，并以位置对称、磁极相反的方式安装，在中心区域的磁场形成水平磁场，而在远离中心区域逐步变化为垂直磁场，这样牵引等离子的径向扩散。磁铁的顶端面（19）（20）可以是平面也可以是斜面或其他的形状。
可选地，不同于前述方案的，磁铁（17）（18）合成一个环装整体的磁体，从而在中心区域的磁场形成垂直磁场，可以起到约束等离子的作用，使得约束区域内，相对均匀，但是该方案存在使沉积工艺的有效面积缩小的缺点。
本发明的优点在于：通过从热传导以及磁场引导等离子两个方面的结合设计，来达到对等离子均匀性与温度均匀性的匀化目标，扩展了MPCVD沉积金刚石或者石墨烯的有效面积。同时由于对等离子分布的导引，使得等离子能更进一步包裹衬底的表面，沉积的速率也大幅提高。为金刚石的薄膜器件工艺的实用化提供了一种途径。
从计算机模拟仿真的衬底的温度分布曲线，以及电子浓度的分布曲线来看，呈现中心高，径向滚降的特征。本专利在基片台中引入调节盖板与衬底托，通过调节盖板的设计，引入导热率不同的材料，中心区域引入导热率比较高的材料，而在远离中心的区域引入导热率比较小的材料，这样在径向的不同区域，中心区域的热阻小，边缘区域的热阻大。这样对等离子对衬底加热的不均匀性得到一定的抑制。衬底通过衬底托与基片台接触，通过衬底托的底部的不同厚度的空气间隙的设计，可以进一步精细调整温度的均匀性。
附图说明
图1为现有技术典型MPCVD腔体衬底上方气体温度在径向的分布曲线。
图2为现有技术典型MPCVD腔体衬底上方等离子体在径向的分布曲线。
图3为本发明磁场布置为水平方式的MPCVD基片台结构示意图。
图4为本发明磁场布置为水平方式的MPCVD基片台磁铁布置示意图。
图5为本发明磁场布置为垂直方式的MPCVD基片台结构示意图。
图6为本发明磁场布置为垂直方式的MPCVD基片台磁铁布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
实施例一：如图3和图4所示，基片台设计为水平方式磁场的。整个基片台是由水冷腔壁1，盖板2，密封圈3构成基片台水冷腔室，水冷腔室设置有进水口4，出水口5。水冷腔室内放置有磁铁17和18，磁铁为圆环磁铁分成2半，并在水冷腔室内以位置对称、磁极相反的方式安装，这样形成水平的磁铁布置。盖板2上叠加有调节盖板6，调节盖板内根据等离子的温度实际分布，隐埋不同厚度的导热11与导磁材料12，使得衬底托7中衬底8的温度分布均匀。衬托7的底部也有空气间隙9和10的设计，来微调实际温度的分布。
实施例二：如图5和图6所示，基片台设计为垂直方式磁场。整个基片台是由水冷腔壁1，盖板2，密封圈3构成基片台水冷腔室，水冷腔设置有进水口4，出水口5。水冷腔室内放置有磁铁17和18，磁铁17和18为整个圆环，形成垂直方向的磁铁。盖板2上叠加有调节盖板6，调节盖板内根据等离子的温度实际分布，隐埋不同厚度的导热11与导磁材料12，使得衬底托7中衬底8的温度分布均匀。衬托7的底部也有空气间隙9和10的设计，来微调实际温度的分布。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金刚石薄膜微波等离子体化学气相沉积使用的基片台，主要由水冷腔室，衬底托（7）等组成，水冷腔室由水冷腔壁（1），盖板（2）与密封圈（3）构成，其特征在于水冷腔室内安装有磁铁（17）（18），并以水冷腔室的中心轴为中心呈对称位置安装，磁铁（17）（18）固定于水冷腔室内部水冷腔壁（1）的上平面，与盖板（2）之间留有水流间隙，便于冷却调节盖板（6），进而对衬底（8）进行冷却，盖板（2）上安装有调节盖板（6）， 调节盖板（6）与盖板（2）之间安装有不同厚度调节热量传导的环形导热体（11）和圆形导热体（13）， 以及调节磁场大小的环形导磁体（12）和圆形导磁体（14），调节盖板（6）上放置有衬底托（7），衬底托（7）内用以放置衬底（8）。
2.如权利要求1所述的一种金刚石薄膜微波等离子体化学气相沉积使用的基片台，其特征在于所述环形导热体（11）和圆形导热体（13），以及环形导磁体（12）和圆形导磁体（14）材料可以是成分为铜、铝、不锈钢或镍的金属材料制成，或者是成分为聚晶金刚石、碳化硅、氮化铝或蓝宝石的陶瓷材料制成。
3.如权利要求1所述的一种金刚石薄膜微波等离子体化学气相沉积使用的基片台，其特征在于所述衬底托（7）底部不同半径的地方，设置有多个不同深度的圆环凹坑（9）（10），在衬底托（7）与调节盖板（6）之间形成阶梯状的空气间隙，以进一步微调衬底（8）的温度与磁场分布。
4.如权利要求1所述的一种金刚石薄膜微波等离子体化学气相沉积使用的基片台，其特征在于所述磁铁（17）和（18）分成两块设置在水冷腔室内，并以位置对称、磁极相反的方式安装，在中心区域的磁场形成水平磁场，磁铁（17）和（18）的顶端面（19）和（20）可以是平面也可以是斜面或其他的形状。
5.如权利要求1所述的一种金刚石薄膜微波等离子体化学气相沉积使用的基片台，其特征在于磁铁（17）和（18）合成一个环装整体的磁体对称安装在水冷腔室内，在中心区域的磁场形成垂直磁场，磁铁（17）和（18）的顶端面（19）和（20）可以是平面也可以是斜面或其他的形状。
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