超高真空離子源晶片清洗系統的製作方法

2023-04-29 15:28:21

專利名稱：超高真空離子源晶片清洗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超高真空、低損耗、晶片冷焊接技術，屬於非線性光學晶片鍵合技 術領域。
背景技術：
CO2倍頻雷射(5 μ m左右)中紅外波段，由於此波段雷射對大氣和氣體懸物的吸 收、散射特性，在遠程遙感、紅外成像、醫療、科學研究和軍事領域有非常重要的應用。採用 已有的雷射源，通過非線性頻率變換是目前產生中紅外雷射的主要手段，高損傷閾值、高轉 換效率的紅外非線性晶體是獲得高功率中紅外雷射的關鍵，因而，通過改進工藝技術去除 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雷射的倍頻轉換效率，成 為國際上雷射光電子領域的研究重點和發展方向。高功率CO2雷射倍頻轉換效率，不僅與輸入光功率密度有關，還與晶體的光損耗有 關，損耗包括晶體內部損耗和晶片間菲涅耳損耗。高功率CO2雷射準相位匹配晶體(如GaAs 晶體)，其表面極容易被氧化產生如As20x、Ga2Ox等氧化物，界面處留存微量氣體和汙染物， 晶片鍵合時形成鍵合層的損耗；通常的製備準相位匹配晶體採用高溫、高壓的工藝，造成的 晶體內部損耗，且當鍵合溫度超過一定值時，GaAs晶體極易出現砷和鎵原子析出，進一步加 大鍵合層的損耗。開發一套超高真空離子源清洗系統，可以較為徹底的去除晶片表面氧化 物，在常溫條件下進行冷焊接，降低晶片間損耗，具有很重要的現實意義。晶片高質量的進行冷焊接的關鍵是去除晶片表面氧化物、微量氣體和汙染物，實 現步驟是晶片清洗。創造一個超高真空(<5. OX I(T8Pa)的晶片清洗環境是晶片清洗過程 中關鍵問題，是晶片冷焊接技術中關鍵因素，只有超高真空環境，才能較好的進行晶片清洗 與鍵合過程，進而提高鍵合成倍頻晶體對光的透過率，保證倍頻晶體轉換效率，也可以提高 CO2倍頻雷射的可靠應用程度。目前冷焊接技術存在的問題主要在於控制參數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 的關鍵問題，將直接影響製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，過高的離子束會造成晶片表面的損傷，也會直接影響光損耗。

發明內容
本發明的目的是為了解決以上問題，實現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，使用本系統可以有效的改善晶片鍵合質量，提高倍頻晶體對光透過率。為實現上述目的，本發明所採用的具體技術方案如下為了能夠迅速抽真空到超高真空環境，本系統進樣室由機械泵和分子泵獲得真空 環境，離子束室由渦旋幹泵、分子泵、離子泵和升華泵獲得工作超高真空環境。中間連接有 隔離閥門，隔離閥門打開，磁力傳送杆上的基片臺由初始進樣室滑動至工作真空室。整個工作過程由紅外烘烤燈進行均勻加熱。其他裝置均為常規設置。超高真空離子源晶片清洗系統，其特徵在於，包括進樣真空室、離子束真空室和磁 力傳送杆(12)，兩真空室由隔離閥門(10)相連接，進樣真空室上設有進樣閥門(1)、機械泵 (2)、分子泵(3)和觀察玻璃窗(4)，離子束真空室上設有觀察玻璃窗(15)、渦旋幹泵(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)，磁力傳送杆(12)通 過隔離閥門(10)貫穿進樣真空室和離子束真空室，並且磁力傳送杆(12)上裝有具有貼合 功能的基片臺(5)，基片臺(5)能夠在磁力傳送杆(12)上移動，磁力傳送杆可將基片臺(5) 從進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)上晶片進行清洗。本發明的超高真空離子源晶片清洗系統還可以裝有一些常規的設置或設備，如一 些真空測量儀，氮氣輸入等接口。1.離子束真空室該真空室採用球形結構，腔體尺寸φ450mm;極限真空度為3. 0X10_8Pa(真空漏率 小於2. 0 X IO-8Pa. 1/S)，整體採用不鏽鋼材料，氬弧焊接，表面拋光處理，全部接口採用金屬 墊圈密封，連接其他設備(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，本工藝過程中採用略高於室溫條件，基片臺採用紅外燈烘烤加熱，樣品表 面均勻達到所需溫度。工作真空條件由渦旋幹泵、分子泵、離子泵和升華泵共同獲得。2.進樣真空室該真空室為進樣室，因而會經常和空氣短時間接觸，其極限真空度為 6. 6X 10_5Pa(真空漏率小於5. OX 10_8Pa. 1/S)，系統短時間暴露大氣並充入乾燥氮氣後，再 開始抽氣，短時間可達到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樣閥門、 機械泵、分子泵和觀察玻璃窗等結構。磁力傳送杆傳送距離約為100mm，用於兩腔室之間晶 片的傳送。工作真空條件由機械泵和分子泵共同獲得。本系統在超高真空環境下，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。本系統根據非線性光學準相位匹配的晶片鍵合要求，設計了滿足低損耗、高效率 倍頻晶體製作工藝要求的機構和流程，具有抽真空速度快、超高真空度長時間保持，對晶片 均勻加熱、清洗和鍵合的優點。本發明技術特點1.本發明中，系統結構的設計，可實現晶片清洗、鍵合的工藝過程。2.本發明中，真空度、清洗離子源的離子能量和作用時間、鍵合力、溫度等參數系 統可控。3.在本發明中，由於採用進樣、清洗分開結構，在保證了工作室的超高真空度環 境的同時，又可以不耽誤進樣，同時由於工作真空室不與大氣接觸，因而保證了超真空的速度。4.本發明採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初始狀態示意圖
圖2工作狀態示意圖其中⑴進樣閥門、(2)機械泵、(3)分子泵1、⑷觀察玻璃窗、(5)樣品基片臺、
(6)渦旋幹泵、(7)分子泵2、(8)離子泵、(9)升華泵、(10)離子束室和進樣室連接閥門、
(11)紅外烘烤燈、(12)磁力傳送杆、(13)氫離子源。
具體實施例超高真空離子源晶片清洗系統，包括進樣真空室、離子束真空室和磁力傳送杆
(12)，兩真空室由隔離閥門(10)相連接，進樣真空室上設有進樣閥門(1)、機械泵(2)、分 子泵(3)和觀察玻璃窗(4)，離子束真空室上設有觀察玻璃窗(15)、渦旋幹泵(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)，磁力傳送杆(12)通過隔離 閥門(10)貫穿進樣真空室和離子束真空室，並且磁力傳送杆(12)上裝有具有貼合功能的 基片臺(5)，基片臺(5)能夠在磁力傳送杆(12)上移動，磁力傳送杆可將基片臺(5)從進樣 真空室傳送至離子束真空室，離子源(13)可垂直對基片臺(5)進行清洗。本發明設計為兩球形真空腔室，基片臺有10X10 ；20X20 ；30X30 ；Φ30 ;Φ40五 種規格，其具體操作為如圖1，打開艙門(1)將GaAs兩晶片平放於基片臺支架上，關閉艙 門。開始對進樣室抽真空，先後打開機械泵(2)、進樣室分子泵(3)待進樣室達到極限真空 度6. 6Χ 10_5Pa，開通連接閥門，此時用磁力傳送杆將基片臺傳送至真空室，關閉隔離閥門 (10)。當兩室真空計顯示正常後，依次開啟渦旋幹泵(6)、真空室分子泵(7)、離子泵(8)、升 華泵(9)，觀察真空計，待真空室達到工作極限真空度3.0X10_8Pa時，關閉所有泵。開啟紅 外烘烤燈進行加熱，待溫度到達所需溫度時，開啟氫離子源(13)，經10分鐘濺射式清洗後， 視為清洗完成。這時關閉氫離子源，但不關閉紅外烘烤燈，在保持極限工作真空度的環境下進行 晶片冷焊接，控制基片臺，以一定的壓力使之輕輕貼合。然後繼續升溫達到退火溫度，持續 一段時間後，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，然後馬上關閉真空室隔離閥門， 保持真空室不與大氣接觸。然後，向進樣室通入氮氣，使得內外環境等壓強，取出晶片，完成 一次晶片冷焊接。隨後，對晶片處理使其兩面達到非線性頻率變換一階相干長度，完成單個 晶片單元冷焊接。最後，把厚度處理過的晶片單元按照上述過程用本系統清洗、冷焊接在一 起成為非線性倍頻晶體堆結構。本發明結構簡單，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，冷焊接質量好。
權利要求
超高真空離子源晶片清洗系統，其特徵在於，包括進樣真空室、離子束真空室和磁力傳送杆(12)，兩真空室由隔離閥門(10)相連接，進樣真空室上設有進樣閥門(1)、機械泵(2)、分子泵(3)和觀察玻璃窗(4)，離子束真空室上設有觀察玻璃窗(15)、渦旋幹泵(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)，磁力傳送杆(12)通過隔離閥門(10)貫穿進樣真空室和離子束真空室，並且磁力傳送杆(12)上裝有能夠在磁力傳送杆(12)上移動且具有貼合功能的基片臺(5)，磁力傳送杆可將基片臺(5)從進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)上的晶片進行清洗。
2.權利要求1的超高真空離子源晶片清洗系統，其特徵在於，所述的進樣真空室和離 子束真空室分別為球形結構。
3.權利要求2的超高真空離子源晶片清洗系統，其特徵在於，所述的進樣真空室腔體 尺寸為Φ 300mm，離子束真空室腔體尺寸Φ 450mm，磁力傳送杆傳送距離約為100mm。
4.權利要求1-3任一超高真空離子源晶片清洗系統，其特徵在於，進樣真空室和離子 束真空室整體採用不鏽鋼材料，氬弧焊接，表面拋光處理。
全文摘要
本發明公開了超高真空離子源晶片清洗系統，包括進樣真空室、離子束真空室和磁力傳送杆，兩真空室由隔離閥門相連接，進樣真空室上設有進樣閥門、真空泵和觀察玻璃窗，離子束真空室上設有觀察玻璃窗、真空泵、紅外烘烤燈和氫離子源，磁力傳送杆貫穿進樣真空室和離子束真空室，並且裝有具有貼合功能的可移動的基片臺，磁力傳送杆可將基片臺從進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行清洗。本系統在超高真空環境下，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C30B33/06GK101935883SQ20101027937
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月10日 優先權日2010年9月10日
發明者馮馳, 姜孟華, 惠勇凌, 李強, 雷訇 申請人:北京工業大學