一种衬底材料固定装置及固定方法与流程

本发明涉及薄膜外延工艺技术领域，特别涉及在红外焦平面领域使用分子束外延方法在大面积衬底上外延碲镉汞工艺过程中使用的、用于提高温度均匀性的衬底材料固定装置及固定方法。

背景技术：

随着红外焦平面探测器向着以大面阵、双多色为主要特点的三代焦平面方向发展，其在航天等领域的应用近年呈现爆发式增长；尤其在星载应用领域的气象观察等方面，对于大面阵高端器件的需求急切且多样，这对于器件的盲元率、非均匀性等性能指标提出了极高的要求，进而要求制备红外探测器的材料具有极高的均匀性。在不同材料体系的焦平面探测器中，碲镉汞材料由于其较高的量子效率(高性能)、波段在全谱段可调等诸多优点占据着绝对的市场份额。在实现碲镉汞材料的制备方法中，主流的方法为液相外延及分子束外延。由于液相外延技术无法实现多层异质外延进而无法实现双多色材料外延、其制备材料均匀性较差等无法克服的缺点，在三代红外焦平面探测器应用中，分子束外延技术成为更为重要的材料制备方法。

在使用分子束外延方法进行碲镉汞外延过程中，衬底材料的温度均匀性是其中的一个重点和难点：

1、碲镉汞材料生长过程中汞原子粘附系数对于衬底温度极为敏感，较小的温度差异即会导致较大的汞原子粘附差异，影响材料质量；

2、温度均匀性差会导致材料组分、厚度均匀性变差，进而导致最终探测器盲元率增加、非均匀性指标变差；

3、目前所使用的衬底材料的固定方法分为铟粘接和无铟固定两种方式，其中铟粘接的方式主要应用于小尺寸衬底材料，而对3英寸、4英寸以上的大尺寸衬底材料，多采用无铟固定方式，如图1所示，即在金属托101上加工出台阶201，并将衬底材料直接放置于金属托的台阶201上，依靠重力固定衬底材料；同铟粘接方式相比，无铟固定的方式由于直接依靠金属托的台阶201及重力固定，在工艺过程中不会引入应力，对于材料的单晶生长是利好，相对更容易获得高质量材料；但同时在材料外延过程中，衬底材料的旋转产生的振动、晃动容易导致衬底材料颠出台阶或与金属托不能很好接触，进而导致衬底材料各个部分受热不均匀；

4、衬底材料与金属托101之间的接触不良同样容易出现在衬底材料的参考边202附近：衬底材料的参考边202用于标记衬底晶向，如图1所示，为衬底装取方便，金属托101的尺寸通常存在一定的公差，这将导致衬底旋转时参考边202的一端与金属托台阶内侧接触，另外一端不接触，这种差异会导致0.5-1℃的温度差，进而影响外延材料均匀性。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种衬底材料固定装置及固定方法，用以解决现有技术中存在的衬底材料的受热不均匀的问题。

本发明第一实施例提供一种衬底材料固定装置，该固定装置包含金属托，所述金属托中心设置有一圆环状的第一金属台阶，所述衬底材料呈圆形，所述第一金属台阶用于放置所述衬底材料。

可选的，所述第一金属台阶外围还设置有圆环状的第二金属台阶，所述第二金属台阶用于放置金属压圈，所述金属压圈用于覆盖在所述衬底材料上，并限制所述衬底材料与所述金属托的相对位移。

可选的，所述金属压圈为圆环结构，所述金属压圈的厚度小于第二金属台阶及衬底材料之和，且所述金属压圈的宽度与所述第二金属台阶的宽度相匹配。

可选的，所述金属托、第一金属台阶和第二金属台阶的中心重合。

可选的，所述金属托和所述金属压圈均采用钼材料制成。

本发明第二实施例提供一种衬底材料固定方法，该方法包含，

将金属托及衬底材料放入手操箱中；

将衬底材料放到金属托的第一金属台阶上；

将金属压圈放到金属托的第二金属台阶上，完成衬底材料的固定。

可选的，所述将金属托及衬底材料放入手操箱中之前，该方法还包含，对金属托及衬底材料进行清洗。

可选的，所述将衬底材料放到金属托的第一金属台阶上之后，还包含，确保所述衬底材料在所述金属托上放置平稳。

可选的，所述将金属压圈放到金属托的第二金属台阶上之后，还包含，检查所述金属压圈是否放置平稳。

可选的，该方法还包含，将完成衬底材料固定后的衬底固定装置装入到分子外延设备中，通过分子外延设备对衬底材料固定后的衬底固定装置进行除气处理。

本发明第一实施例，本发明装置为避免衬底材料参考边与金属托参考边由于公差及旋转问题产生的接触情况不同进而导致的温度均匀性问题，将金属托内圈及衬底材料均设置为正圆形状，通过本装置可使得衬底材料四周受热情况相同。

本发明第二实施例，采用本发明方法在相同设备条件下、同样的工艺条件，可使得碲镉汞材料的组分、厚度标准差均提高一个数量级，在现有的应用场景下，极大的提高了碲镉汞材料的可用面积及最终红外焦平面探测器的性能，对于实际应用具有重大意义。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为现有技术中的衬底材料固定装置图；

图2为本发明实施例第一种改进后的衬底材料固定装置示意图；

图3为本发明实施例第二种改进后的衬底材料固定装置示意图；

图4为本发明实施例重金属压圈结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明所要提供的是一种衬底材料固定装置及固定方法，为避免衬底材料参考边与金属托参考边由于公差及旋转问题产生的接触情况不同进而导致的温度均匀性问题，将金属托内圈及衬底材料均设置为正圆形状，通过本装置可使得衬底材料四周受热情况相同。

本发明第一实施例提供一种衬底材料固定装置，该固定装置包含金属托，金属托中心设置有一圆环状的第一金属台阶，衬底材料呈圆形，第一金属台阶用于放置衬底材料。参见图2，包括金属托1(本实施例中使用“钼”材料，但使用类似金属材料制作的金属托均在本专利的保护范围内)，在金属托1的中心设置有一圆环形状的第一金属台阶2，在选择衬底材料的时候也选取与第一金属台阶2的形状相匹配的衬底材料(即取消参考边的衬底材料)，将衬底材料放置到第一金属台阶2上，从而取消了参考边的设计，解决了在材料外延过程中，衬底材料的旋转产生的振动、晃动容易导致衬底材料颠出台阶或与金属托不能很好接触，进而导致衬底材料各个部分受热不均匀的问题。

本发明第二实施例在前述改进结构的基础上，进一步提出另一改进结构，第一金属台阶外围还设置有圆环状的第二金属台阶，第二金属台阶用于放置金属压圈，金属压圈用于覆盖在所述衬底材料上，并限制所述衬底材料与所述金属托的相对位移。如图3所示，在前述第一金属台阶2的基础上，在第一金属台阶2的外围在设置一圆环状的第二金属台阶3，设置第二金属台阶3的目的是为了放置金属压圈，金属压圈4的形状如图4所示，呈圆环状。放置金属压圈4的目的是在衬底材料放置在第一金属台阶2上之后，将金属压圈4放置到第二金属台阶3上，从而确保在工艺过程中、衬底材料旋转震动或晃动时，衬底材料仍能和金属托形成良好接触，并且不会发生相对位置移动。

在本实施例中，金属压圈4也采用“钼”材料制成，同时金属压圈4的厚度略小于金属托的第二金属台阶3的高度及衬底材料厚度之和。金属压圈的宽度与所述第二金属台阶的宽度相匹配，金属压圈4的宽度保证金属压圈4能够放置到第二金属台阶3内，同时能够对衬底材料起到限位的作用，因此金属压圈的具体宽度视金属托的第二金属台阶3的宽度而定，本实施例中金属压圈4的圆环宽度约为1mm，。

本实施例中，金属托1、第一金属台阶2、第二金属台阶3以及金属压圈4的中心均在同一位置，保证在旋转时的平稳，进一步减小晃动或者旋转震动。

本发明的第三实施例提出一种衬底材料固定方法，该方法具体包含如下步骤：

将金属托及衬底材料放入手操箱中；

将衬底材料放到金属托的第一金属台阶上；

将金属压圈放到金属托的第二金属台阶上，完成衬底材料的固定。

具体操作为：

步骤1：将金属托及衬底材料放入手操箱中，待操作；

步骤2：将衬底材料放到金属托的第一金属台阶上，获得待封口状态的衬底固定装置；

步骤3：将金属压圈放到待封口状态的衬底固定装置的第二金属台阶上，获得封口状态的衬底固定装置，完成；

步骤4：将封口状态的衬底固定装置装入到分子外延设备中，待用。

上述步骤中，其中在执行步骤1之前，可以先对金属托及衬底材料进行清洗，然后再放入十级手操箱中，从而能够保持金属托及衬底材料的光洁度，便于之后的工序。

在步骤2具体是采用真空吸笔将衬底材料吸起，放入到金属托上，接着轻微晃动确保衬底放置平稳，通过此步骤，能够首先保证所执行的放置衬底材料到第一金属台阶上的稳定性，保证后续对晃动以及震动的耐性。

之后再执行步骤3，通过镊子将金属压圈放置在第二台阶上，检查金属压圈是否放置平稳，此时相当于为防止衬底材料震动上了二次的保险措施，从而进一步提高了衬底材料的稳定性。

最后，将放置了金属压圈的整个装置放入到分子束外延设备中，进行除气处理后待用。

依照本实施例的方法，采用优化设计后的金属托、金属压圈以及取消参考边的衬底材料，可使得在优化的碲镉汞材料的工艺条件下，材料的组分、厚度均匀性标准差指标均提高一个数量级。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保

护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。