專利名稱：超高真空離子源晶片清洗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超高真空、低損耗、晶片冷焊接技術(shù)，屬于非線性光學(xué)晶片鍵 合技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
CO2倍頻激光(5 μ m左右)中紅外波段，由于此波段激光對大氣和氣體懸物的吸 收、散射特性，在遠(yuǎn)程遙感、紅外成像、醫(yī)療、科學(xué)研究和軍事領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用。采用 已有的激光源，通過非線性頻率變換是目前產(chǎn)生中紅外激光的主要手段，高損傷閾值、高轉(zhuǎn) 換效率的紅外非線性晶體是獲得高功率中紅外激光的關(guān)鍵，因而，通過改進(jìn)工藝技術(shù)去除 倍頻晶片間菲涅耳損耗，大大減小晶體的吸收、散射損耗，提高CO2激光的倍頻轉(zhuǎn)換效率，成 為國際上激光光電子領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。高功率(X)2激光倍頻轉(zhuǎn)換效率，不僅與輸入光功率密度有關(guān)，還與晶體的光損耗有 關(guān)，損耗包括晶體內(nèi)部損耗和晶片間菲涅耳損耗。高功率CO2激光準(zhǔn)相位匹配晶體(如GaAs 晶體)，其表面極容易被氧化產(chǎn)生如A&0X、Ga2Ox等氧化物，界面處留存微量氣體和污染物， 晶片鍵合時(shí)形成鍵合層的損耗；通常的制備準(zhǔn)相位匹配晶體采用高溫、高壓的工藝，造成的 晶體內(nèi)部損耗，且當(dāng)鍵合溫度超過一定值時(shí)，GaAs晶體極易出現(xiàn)砷和鎵原子析出，進(jìn)一步加 大鍵合層的損耗。開發(fā)一套超高真空離子源清洗系統(tǒng)，可以較為徹底的去除晶片表面氧化 物，在常溫條件下進(jìn)行冷焊接，降低晶片間損耗，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。晶片高質(zhì)量的進(jìn)行冷焊接的關(guān)鍵是去除晶片表面氧化物、微量氣體和污染物，實(shí) 現(xiàn)步驟是晶片清洗。創(chuàng)造一個(gè)超高真空(<5. OX I(T8Pa)的晶片清洗環(huán)境是晶片清洗過程 中關(guān)鍵問題，是晶片冷焊接技術(shù)中關(guān)鍵因素，只有超高真空環(huán)境，才能較好的進(jìn)行晶片清洗 與鍵合過程，進(jìn)而提高鍵合成倍頻晶體對光的透過率，保證倍頻晶體轉(zhuǎn)換效率，也可以提高 CO2倍頻激光的可靠應(yīng)用程度。目前冷焊接技術(shù)存在的問題主要在于控制參數(shù)包括冷焊接過程的真空度、外加 壓力、退火溫度以及基片均勻加熱是保證界面清潔度、界面鍵合力、減小晶體界面和體損耗 的關(guān)鍵問題，將直接影響制備倍頻器件的光損耗以及倍頻效率。另外，冷焊接過程中氫離子 束能量也是要控制的參數(shù)，過高的離子束會(huì)造成晶片表面的損傷，也會(huì)直接影響光損耗。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了解決以上問題，實(shí)現(xiàn)倍頻晶體冷焊接工藝，而提供一種 超高真空離子源清洗系統(tǒng)，使用本系統(tǒng)可以有效的改善晶片鍵合質(zhì)量，提高倍頻晶體對光 透過率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的具體技術(shù)方案如下為了能夠迅速抽真空到超高真空環(huán)境，本系統(tǒng)進(jìn)樣室由機(jī)械泵和分子泵獲得真空 環(huán)境，離子束室由渦旋干泵、分子泵、離子泵和升華泵獲得工作超高真空環(huán)境。中間連接有 隔離閥門，隔離閥門打開，磁力傳送桿上的基片臺由初始進(jìn)樣室滑動(dòng)至工作真空室。整個(gè)工作過程由紅外烘烤燈進(jìn)行均勻加熱。其他裝置均為常規(guī)設(shè)置。超高真空離子源晶片清洗系統(tǒng)，其特征在于，包括進(jìn)樣真空室、離子束真空室和磁 力傳送桿(12)，兩真空室由隔離閥門(10)相連接，進(jìn)樣真空室上設(shè)有進(jìn)樣閥門(1)、機(jī)械泵 (2)、分子泵C3)和觀察玻璃窗，離子束真空室上設(shè)有觀察玻璃窗(1 、渦旋干泵(6)、分 子泵(7)、離子泵(8)、升華泵(9)、紅外烘烤燈(11)和氫離子源(13)，磁力傳送桿(12)通 過隔離閥門(10)貫穿進(jìn)樣真空室和離子束真空室，并且磁力傳送桿(12)上裝有具有貼合 功能的基片臺(5)，基片臺(5)能夠在磁力傳送桿(12)上移動(dòng)，磁力傳送桿可將基片臺(5) 從進(jìn)樣真空室傳送至離子束真空室，離子源(13)可垂直對基片臺(5)上晶片進(jìn)行清洗。本實(shí)用新型的超高真空離子源晶片清洗系統(tǒng)還可以裝有一些常規(guī)的設(shè)置或設(shè)備， 如一些真空測量儀，氮?dú)廨斎氲冉涌凇?.離子束真空室該真空室采用球形結(jié)構(gòu)，腔體尺寸φ450mm;極限真空度為3.0X 10_8Pa(真空漏率 小于2. 0 X IO-8Pa. 1/S)，整體采用不銹鋼材料，氬弧焊接，表面拋光處理，全部接口采用金屬 墊圈密封，連接其他設(shè)備(如離子源、分子泵、離子泵、升華泵等)接口為法蘭。為加快晶片 清洗和鍵合速度，本工藝過程中采用略高于室溫條件，基片臺采用紅外燈烘烤加熱，樣品表 面均勻達(dá)到所需溫度。工作真空條件由渦旋干泵、分子泵、離子泵和升華泵共同獲得。2.進(jìn)樣真空室該真空室為進(jìn)樣室，因而會(huì)經(jīng)常和空氣短時(shí)間接觸，其極限真空度為 6. 6X 10_5Pa(真空漏率小于5. OX 10_8Pa. 1/S)，系統(tǒng)短時(shí)間暴露大氣并充入干燥氮?dú)夂?，?開始抽氣，短時(shí)間可達(dá)到5. OX 10_3Pa。其腔體尺寸為Φ300πιπι ；材料和加工條件同上。其上連有與連接樣品的進(jìn)樣閥門、 機(jī)械泵、分子泵和觀察玻璃窗等結(jié)構(gòu)。磁力傳送桿傳送距離約為100mm，用于兩腔室之間晶 片的傳送。工作真空條件由機(jī)械泵和分子泵共同獲得。本系統(tǒng)在超高真空環(huán)境下，通過低能氫離子源對晶片的清洗，在常溫或略微加溫 下進(jìn)行晶片冷焊接，使多片鍵合成晶體塊，獲得低損耗的倍頻晶體。本系統(tǒng)根據(jù)非線性光學(xué)準(zhǔn)相位匹配的晶片鍵合要求，設(shè)計(jì)了滿足低損耗、高效率 倍頻晶體制作工藝要求的機(jī)構(gòu)和流程，具有抽真空速度快、超高真空度長時(shí)間保持，對晶片 均勻加熱、清洗和鍵合的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型技術(shù)特點(diǎn)1.本實(shí)用新型中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)晶片清洗、鍵合的工藝過程。2.本實(shí)用新型中，真空度、清洗離子源的離子能量和作用時(shí)間、鍵合力、溫度等參 數(shù)系統(tǒng)可控。3.在本實(shí)用新型中，由于采用進(jìn)樣、清洗分開結(jié)構(gòu)，在保證了工作室的超高真空度 環(huán)境的同時(shí)，又可以不耽誤進(jìn)樣，同時(shí)由于工作真空室不與大氣接觸，因而保證了超真空的 速度。4.本實(shí)用新型采用紅外燈烘烤加熱方式，可以保證基片臺均勻加熱到所需溫度。
圖1初始狀態(tài)示意圖[0024]圖2工作狀態(tài)示意圖其中⑴進(jìn)樣閥門、(2)機(jī)械泵、(3)分子泵1、⑷觀察玻璃窗、(5)樣品基片臺、(6)渦旋干泵、(7)分子泵2、(8)離子泵、(9)升華泵、(10)離子束室和進(jìn)樣室連接閥門、(11)紅外烘烤燈、(12)磁力傳送桿、(13)氫離子源。具體實(shí)施例超高真空離子源晶片清洗系統(tǒng)，包括進(jìn)樣真空室、離子束真空室和磁力傳送桿(12)，兩真空室由隔離閥門(10)相連接，進(jìn)樣真空室上設(shè)有進(jìn)樣閥門(1)、機(jī)械泵O)、分 子泵C3)和觀察玻璃窗G)，離子束真空室上設(shè)有觀察玻璃窗(15)、渦旋干泵(6)、分子泵(7)、離子泵(8)、升華泵(9)、紅外烘烤燈(11)和氫離子源(13)，磁力傳送桿(12)通過隔離 閥門(10)貫穿進(jìn)樣真空室和離子束真空室，并且磁力傳送桿(12)上裝有具有貼合功能的 基片臺(5)，基片臺( 能夠在磁力傳送桿(1 上移動(dòng)，磁力傳送桿可將基片臺( 從進(jìn)樣 真空室傳送至離子束真空室，離子源(13)可垂直對基片臺(5)進(jìn)行清洗。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)為兩球形真空腔室，基片臺有10X10 ；20X20 ；30X30 ;Φ30 ； Φ40五種規(guī)格，其具體操作為如圖1，打開艙門(1)將GaAs兩晶片平放于基片臺支架上， 關(guān)閉艙門。開始對進(jìn)樣室抽真空，先后打開機(jī)械泵O)、進(jìn)樣室分子泵C3)待進(jìn)樣室達(dá)到極 限真空度6. 6Χ 10_5Pa，開通連接閥門，此時(shí)用磁力傳送桿將基片臺傳送至真空室，關(guān)閉隔離 閥門(10)。當(dāng)兩室真空計(jì)顯示正常后，依次開啟渦旋干泵(6)、真空室分子泵(7)、離子泵(8)、升華泵(9)，觀察真空計(jì)，待真空室達(dá)到工作極限真空度3.OX 10-8 時(shí)，關(guān)閉所有泵。 開啟紅外烘烤燈進(jìn)行加熱，待溫度到達(dá)所需溫度時(shí)，開啟氫離子源(13)，經(jīng)10分鐘濺射式 清洗后，視為清洗完成。這時(shí)關(guān)閉氫離子源，但不關(guān)閉紅外烘烤燈，在保持極限工作真空度的環(huán)境下進(jìn)行 晶片冷焊接，控制基片臺，以一定的壓力使之輕輕貼合。然后繼續(xù)升溫達(dá)到退火溫度，持續(xù) 一段時(shí)間后，視為冷焊接完成。打開隔離閥門(10)，同上操作，將晶片傳送出來，然后馬上關(guān)閉真空室隔離閥門， 保持真空室不與大氣接觸。然后，向進(jìn)樣室通入氮?dú)?，使得?nèi)外環(huán)境等壓強(qiáng)，取出晶片，完成 一次晶片冷焊接。隨后，對晶片處理使其兩面達(dá)到非線性頻率變換一階相干長度，完成單個(gè) 晶片單元冷焊接。最后，把厚度處理過的晶片單元按照上述過程用本系統(tǒng)清洗、冷焊接在一 起成為非線性倍頻晶體堆結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，真空度高，抽真空迅速，能夠均勻加熱，對晶片表面氧化物 的清洗能力強(qiáng)，冷焊接質(zhì)量好。
權(quán)利要求1.超高真空離子源晶片清洗系統(tǒng)，其特征在于，包括進(jìn)樣真空室、離子束真空室和磁力 傳送桿(12)，兩真空室由隔離閥門(10)相連接，進(jìn)樣真空室上設(shè)有進(jìn)樣閥門(1)、機(jī)械泵 (2)、分子泵C3)和觀察玻璃窗，離子束真空室上設(shè)有觀察玻璃窗(1 、渦旋干泵(6)、分 子泵(7)、離子泵(8)、升華泵(9)、紅外烘烤燈(11)和氫離子源(13)，磁力傳送桿(12)通 過隔離閥門(10)貫穿進(jìn)樣真空室和離子束真空室，并且磁力傳送桿(12)上裝有能夠在磁 力傳送桿(1 上移動(dòng)且具有貼合功能的基片臺(5)，磁力傳送桿可將基片臺( 從進(jìn)樣真 空室傳送至離子束真空室，離子源(13)垂直于基片臺(5)。
2.權(quán)利要求1的超高真空離子源晶片清洗系統(tǒng)，其特征在于，所述的進(jìn)樣真空室和離 子束真空室分別為球形結(jié)構(gòu)。
3.權(quán)利要求2的超高真空離子源晶片清洗系統(tǒng)，其特征在于，所述的進(jìn)樣真空室腔體 尺寸為Φ 300mm，離子束真空室腔體尺寸Φ 450mm，磁力傳送桿傳送距離約為100mm。
專利摘要本本實(shí)用新型公開了超高真空離子源晶片清洗系統(tǒng)，包括進(jìn)樣真空室、離子束真空室和磁力傳送桿，兩真空室由隔離閥門相連接，進(jìn)樣真空室上設(shè)有進(jìn)樣閥門、真空泵和觀察玻璃窗，離子束真空室上設(shè)有觀察玻璃窗、真空泵、紅外烘烤燈和氫離子源，磁力傳送桿貫穿進(jìn)樣真空室和離子束真空室，并且裝有具有貼合功能的可移動(dòng)的基片臺，磁力傳送桿可將基片臺從進(jìn)樣真空室傳送至離子束真空室，離子源可垂直對基片臺上的晶片進(jìn)行清洗。本系統(tǒng)在超高真空環(huán)境下，通過低能氫離子源對晶片的清洗，在常溫或略微加溫下進(jìn)行晶片冷焊接，使多片鍵合成晶體塊，獲得低損耗的倍頻晶體。
文檔編號C30B33/12GK201826017SQ20102052749
公開日2011年5月11日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者馮馳, 姜孟華, 惠勇凌, 李強(qiáng), 雷訇 申請人:北京工業(yè)大學(xué)