隔热导电偏压衬底托

摘要

本公开提供了一种隔热导电偏压衬底托，包括托体、石墨件、偏压电极、绝缘部。衬底放置于所述托体上表面；所述石墨件为石墨板或石墨杆；偏压电极与所述石墨件相连；绝缘部与所述石墨件下表面相连，所述绝缘部与腔体壁板相连。绝缘部包括第一绝缘件和第二绝缘件。本公开中隔热导电偏压衬底托在加热状态下，既能减少衬底温度波动，实现良好的保温效果，又能防止衬底将过多热量传递到偏压电极上引起偏压电极失效，节约电能，更加利于高质量的膜层外延生长。

权利要求

1.一种隔热导电偏压衬底托，其中，包括托体，衬底放置于所述托体上表面；

石墨件，所述石墨件上端与所述托体下表面相连；

偏压电极，与所述石墨件下端相连；

绝缘部，所述绝缘部与腔体壁板相连；所述绝缘部与所述石墨件下端相连，且所述绝缘部套设在所述偏压电极上。

2.根据权利要求1所述的隔热导电偏压衬底托，其中，所述石墨件为石墨板或石墨杆。

3.根据权利要求1所述的隔热导电偏压衬底托，其中，所述绝缘部包括：第一绝缘件，为帽状中空结构，所述第一绝缘件的下端伸入所述腔体壁板内，所述第一绝缘件的上端与所述腔体壁板的端部相连；

第二绝缘件，为环形片状结构，所述第二绝缘件套设在所述偏压电极上；

其中，所述第二绝缘件套设在所述偏压电极上包括：所述偏压电极贯穿于第一绝缘部的帽状中空结构中，所述第二绝缘件套设在所述第一绝缘件外。

4.根据权利要求1所述的隔热导电偏压衬底托，其中，所述托体的表面设置有粗糙区；

所述托体材料为钼。

5.根据权利要求1所述的隔热导电偏压衬底托，其中，所述偏压电极与所述石墨件螺纹连接。

6.根据权利要求3所述的隔热导电偏压衬底托，其中，所述偏压电极贯穿于所述帽状中空结构中。

7.根据权利要求3所述的隔热导电偏压衬底托，其中，所述第一绝缘件的所述帽状中空结构的上端和所述第二绝缘件的所述环形片状结构的厚度相同。

8.根据权利要求1所述的隔热导电偏压衬底托，其中，绝缘部的材料为氧化铝和/或石英。

9.根据权利要求3所述的隔热导电偏压衬底托，其中，所述第一绝缘件的下端外径小于所述第一绝缘件的上端外径。

说明书

隔热导电偏压衬底托

技术领域

[0001] 本公开涉及半导体材料制备领域，尤其涉及一种用于真空环境中膜层外延生长，特别是用于大面积金刚石膜层生长的隔热导电偏压衬底托。

背景技术

[0002] 半导体金刚石具有超宽带隙、高载流子迁移率、高载流子饱和漂移速率、高击穿场强、大激子束缚能等优异的电学和光学性质，使其在大功率微波器件、电力电子器件以及深
紫外光电子器件的研制方面具有广阔的应用前景。

[0003] 相比小面积的单晶金刚石，大面积高质量单晶金刚石有着很强的市场需求和应用潜力。在众多制备方法中，微波等离子体化学气相沉积被公认为是获得电子级单晶金刚石
材料的最佳方法。由于同质外延受到金刚石衬底大小的限制且外延成本高，故采用大面积
衬底进行异质外延，是制备大面积高质量单晶金刚石的最佳方式。异质外延仍然存在很多
问题，其中如何增强成核效率以及如何增加成核密度是目前面临的重要问题。

[0004] 通过对衬底施加偏压是一种有效增加成核密度的方法。目前，对样品施加有效偏压最常见的方法是将偏压电极和托体直接相连。但这种方法会存在以下缺点：样品的热量
极易通过偏压电极的传导而散失，导致样品热量不易维持，温度波动较大；而过多的热量通
常导致偏压电极的电阻值发生变化甚至引起偏压电极的电阻失效，最终导致作用于样品上
的偏压发生变化而不能够达到预期设定值。

[0005] 此外，在微波等离子体化学气相沉积设备中，维持衬底温度的热源一般来源于两部分，一是来源于微波转化的能量，二是来源于衬底下面的加热装置。通过加热装置获得热
源的方式价格昂贵，所以该设备通常采用微波能量转化的方式获得热源。但是，不论通过何
种方式，由于衬底托易导热产生热量损失，所以为维持衬底温度，需要输入较多电能，进而
就导致产品的生产成本加大，阻碍产业化的实现。

发明内容

[0006] (一)要解决的技术问题

[0007] 本公开提供了一种隔热导电偏压衬底托，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

[0008] (二)技术方案

[0009] 根据本公开的一个方面，提供了一种隔热导电偏压衬底托，包括：

[0010] 托体，衬底放置于所述托体上表面；

[0011] 石墨件，所述石墨件上端与所述托体下表面相连；

[0012] 偏压电极，与所述石墨件下端相连；

[0013] 绝缘部，所述绝缘部与腔体壁板相连；所述绝缘部与所述石墨件下端相连，且所述绝缘部套设在所述偏压电极上。

[0014] 作为本公开的一个实施方式，所述石墨件为石墨板或石墨杆。

[0015] 作为本公开的一个实施方式，所述绝缘部包括：

[0016] 第一绝缘件，所述第一绝缘件的下端伸入所述腔体壁板内，所述第一绝缘件的上端与所述腔体壁板的端部相连；

[0017] 第二绝缘件，所述第二绝缘件套设在所述第一绝缘件外，所述第二绝缘件套设在所述偏压电极上。

[0018] 作为本公开的一个实施方式，所述托体的表面设置有粗糙区；所述托体材料为钼。

[0019] 作为本公开的一个实施方式，所述偏压电极与所述石墨件螺纹连接。

[0020] 作为本公开的一个实施方式，所述第一绝缘件为帽状中空结构；所述第二绝缘件为环型片状结构。

[0021] 作为本公开的一个实施方式，所述偏压电极贯穿于所述帽状中空结构中。

[0022] 作为本公开的一个实施方式，所述第一绝缘件和所述第二绝缘件的高度相同。

[0023] 作为本公开的一个实施方式，绝缘部的材料为氧化铝和/或石英。

[0024] 作为本公开的一个实施方式，所述第一绝缘件的第一端外径小于所述第一绝缘件的第二端外径。

[0025] (三)有益效果

[0026] 从上述技术方案可以看出，本公开提供的一种隔热导电偏压衬底托具有以下有益效果：

[0027] 基于石墨导热性随温度升高而降低，且在极高温度下绝热的特性，所述隔热导电偏压衬底托在加热状态下，既能减少衬底温度波动，进而实现良好的保温效果，又能防止衬
底将过多热量传递到偏压电极上引起偏压电极失效，进而节约电能，最终实现高质量的膜
层外延生长。

附图说明

[0028] 图1为本公开实施例隔热导电偏压衬底托实施例一的示意图；

[0029] 图2为本公开实施例隔热导电偏压衬底托实施例一在工作过程中的热量传导图；

[0030] 图3为本公开实施例隔热导电偏压衬底托实施例二的示意图。

[0031] 符号说明

[0032] 1‑托体

[0033] 2‑石墨件

[0034] 3‑绝缘部

[0035] 31‑第一绝缘件

[0036] 32‑第二绝缘件

[0037] 4‑偏压电极

[0038] 5‑腔体壁板

[0039] 6‑衬底

[0040] 7‑石墨杆

具体实施方式

[0041] 为使本公开的目的、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，对本公开作进一步的详细说明。本公开的主要技术方案是，利用石墨导热性随温度升
高而降低，且极高温度下绝热的特性，设计了一种隔热导电偏压衬底托。

[0042] 为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

[0043] 本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释
为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

[0044] 在本公开提供了一种隔热导电偏压衬底托，托体为平板状，材质为导电且耐高温耐刻蚀的材料，如钼，所述托体底部做粗糙化处理，以增强和石墨板的摩擦力。所述托体下
面是石墨板，石墨板上开有内丝或者内槽，用于连接下面的偏压电极。所述偏压电极的顶端
开有与石墨板能够互相连接的外丝或者是杆。绝缘部的材质为耐高温绝缘材料，比较常用
的是氧化铝。绝缘部包括两个绝缘件，其中一个为帽状中空形状，另外一个为环状。两个配
件厚度均一致。所述绝缘部用于对托体进行隔热，且起到绝缘作用；另一方面使偏压电极贯
穿于第一绝缘件中，便于外接电源。所述石墨板连接偏压电极和托体，不仅能起到导电作
用，而且能够隔离衬底在反应过程中产生的热量，进而维持衬底温度，防止偏压电极承受过
多热而损坏。

[0045] 有鉴于上述的研究，本公开提供一种隔热导电偏压衬底托，具体实施例如下：

[0046] 实施例一

[0047] 图1为本公开实施例隔热导电偏压衬底托实施例一的示意图。如图1所示，隔热导电偏压衬底托自上到下包括：托体1、石墨板2、绝缘部3、偏压电极4。托体1用于放置样品，其
下面是石墨板，所述石墨板厚度优选为3mm到5mm、直径优选为50mm到200mm，石墨板用于对
衬底6进行保温，减少衬底6的温度波动，进而防止衬底6将过多热量传递至偏压电极4上引
起偏压电极4失效，所述石墨板还起到传递电流的作用。偏压电极4与所述石墨板2固连，用
于施加偏压，绝缘部3位于所述石墨板下方，用于对托体1隔热，其使用材料为耐高温绝缘材
料，比较常用的是氧化铝。绝缘部3包括第一绝缘件31和第二绝缘件32，第一绝缘件31为帽
状中空结构，第二绝缘件32为环型片状结构。第一绝缘件31和第二绝缘件32的厚度相同。绝
缘部3作用为：其一是对托体1进行隔热；其二，利用中空的绝缘配件限定偏压电极4起绝缘
作用。

[0048] 所述托体1为平板状，材质为导电且耐高温耐刻蚀的材料，如钼，所述托体1底部做粗糙化处理，以增强与石墨板的摩擦力。所述石墨板上开出有内丝或者内槽，用于连接下面
的偏压电极4。

[0049] 偏压电极4的顶端开有与石墨板能够互相连接的外丝或者是杆，通过石墨板上的内丝或内槽与石墨板相连。偏压电极4贯穿于绝缘部3的第一绝缘件31中。

[0050] 图2为本公开实施例隔热导电偏压衬底托实施例一在工作过程中的热量传导图。如图2所示，本实施例中隔热导电偏压衬底托工作时的热量传递如图2中的黑色箭头所示，
隔热导电偏压衬底托实施例一在工作状态下，衬底6产生的热量会通过托体1进行传递，当
热量传递至石墨板，由于石墨板的高温隔热特性，大部分的热量不会再传递至偏压电极4和
腔体壁板5上，由此大部分热量则保留在衬底6和托体1上。在同等微波输入的情况下，本公
开的隔热导电偏压衬底托实施例一衬底6顶面及底面形成的温度差相对较小，整体温度的
均一度及均匀度较好。在本公开的隔热导电偏压衬底托实施例一中，当微波发生波动时，基
于石墨板的隔热作用，衬底6的热量及温度波动较小，进而保证金刚石膜层高质量的生长。
由于金刚石膜层保持高质量，进而使微波负反馈不易受热量及温度波动的影响。衬底6的热
量及温度波动则在多次循环反馈中被化解，从而保持金刚指石膜层的高质量生长。同时绝
缘部3可将所述隔热导电偏压衬底托的石墨板和微波等离子化学气相沉积设备的腔体壁板
5有效隔开，进而避免当外界施加偏压时腔体壁板5出现导电现象而引起电量损失。

[0051] 本实施例通过使用微波等离子化学气相沉积设备对2英寸到6英寸范围内的硅衬底进行金刚石成核偏压处理。常用的工艺参数包括：甲烷浓度为1％到10％；微波功率为
1000W到6000W；气压为10Torr到120Torr；偏压为‑300V到+300V；偏压时间为1min到120min。

[0052] 可借助红外测温计测量衬底6表面温度。在偏压成核过程中，通过移动红外温度计测量点，测得衬底6不同位置的温度，绘制温度分布图。同理测得现有技术衬底托的衬底6不
同位置的温度分布图，将两者比较，可得出本公开的衬底托温度分布波动范围更窄，由此说
明所述隔热导电偏压衬底托能与偏压电极4有效隔热，节约电能。

[0053] 实施例二

[0054] 在本公开的实施例二中，提供了一种隔热导电偏压衬底托。图3为本公开实施例隔热导电偏压衬底托实施例二的示意图。如图3所示，与实施例一的隔热导电偏压衬底托相
比，本实施例隔热导电偏压衬底托的区别在于：将石墨件换为石墨杆7，同样能够起到隔热
导电的作用，如图3所示，本实施例中的隔热导电偏压衬底托包括：托体1、绝缘部3、偏压电
极4、石墨杆7四部分。

[0055] 衬底6放置于所述托体1上表面。石墨杆的上端与托体1相连，石墨杆的下端与偏压电极4相连。连接方式可以为螺纹连接。所述绝缘部3包括：第一绝缘件31，为帽状中空结构；
所述第一绝缘件31的第一端伸入所述腔体壁板5内，所述第一绝缘件31的第二端与所述腔
体壁板5的端部相连；第二绝缘件32，为环状结构；所述第二绝缘件32套设在所述第一绝缘
件31外，所述第二绝缘件32套设在所述偏压电极4上；所述第一绝缘件31的第一端外径小于
所述第一绝缘件31的第二端外径；第一绝缘件31和所述第二绝缘件32的高度相同。绝缘部3
材料为氧化铝、石英中的一种或多种。所述偏压电极4贯穿于绝缘部3的帽状中空件中。

[0056] 至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并
未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体
结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

[0057] 依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开隔热导电偏压衬底托有了清楚的认识。

[0058] 还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由
相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构
或构造。

[0059] 并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限
制。

[0060] 除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求
中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修
饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些
实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

[0061] 再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

[0062] 说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺
序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具
有相同命名的元件能做出清楚区分。

[0063] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施
例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保
护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面
的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，
遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身
都作为本公开的单独实施例。

[0064] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡
在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保
护范围之内。