专利名称：超高真空离子源晶片清洗系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超高真空、低损耗、晶片冷焊接技术，属于非线性光学晶片键合技 术领域。
背景技术：
CO2倍频激光(5 μ m左右)中红外波段，由于此波段激光对大气和气体悬物的吸 收、散射特性，在远程遥感、红外成像、医疗、科学研究和军事领域有非常重要的应用。采用 已有的激光源，通过非线性频率变换是目前产生中红外激光的主要手段，高损伤阈值、高转 换效率的红外非线性晶体是获得高功率中红外激光的关键，因而，通过改进工艺技术去除 倍频晶片间菲涅耳损耗，大大减小晶体的吸收、散射损耗，提高CO2激光的倍频转换效率，成 为国际上激光光电子领域的研究重点和发展方向。高功率CO2激光倍频转换效率，不仅与输入光功率密度有关，还与晶体的光损耗有 关，损耗包括晶体内部损耗和晶片间菲涅耳损耗。高功率CO2激光准相位匹配晶体(如GaAs 晶体)，其表面极容易被氧化产生如As20x、Ga2Ox等氧化物，界面处留存微量气体和污染物， 晶片键合时形成键合层的损耗；通常的制备准相位匹配晶体采用高温、高压的工艺，造成的 晶体内部损耗，且当键合温度超过一定值时，GaAs晶体极易出现砷和镓原子析出，进一步加 大键合层的损耗。开发一套超高真空离子源清洗系统，可以较为彻底的去除晶片表面氧化 物，在常温条件下进行冷焊接，降低晶片间损耗，具有很重要的现实意义。晶片高质量的进行冷焊接的关键是去除晶片表面氧化物、微量气体和污染物，实 现步骤是晶片清洗。创造一个超高真空(<5. OX I(T8Pa)的晶片清洗环境是晶片清洗过程 中关键问题，是晶片冷焊接技术中关键因素，只有超高真空环境，才能较好的进行晶片清洗 与键合过程，进而提高键合成倍频晶体对光的透过率，保证倍频晶体转换效率，也可以提高 CO2倍频激光的可靠应用程度。目前冷焊接技术存在的问题主要在于控制参数包括冷焊接过程的真空度、外加 压力、退火温度以及基片均勻加热是保证界面清洁度、界面键合力、减小晶体界面和体损耗 的关键问题，将直接影响制备倍频器件的光损耗以及倍频效率。另外，冷焊接过程中氢离子 束能量也是要控制的参数，过高的离子束会造成晶片表面的损伤，也会直接影响光损耗。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上问题，实现倍频晶体冷焊接工艺，而提供一种超高 真空离子源清洗系统，使用本系统可以有效的改善晶片键合质量，提高倍频晶体对光透过率。为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下为了能够迅速抽真空到超高真空环境，本系统进样室由机械泵和分子泵获得真空 环境，离子束室由涡旋干泵、分子泵、离子泵和升华泵获得工作超高真空环境。中间连接有 隔离阀门，隔离阀门打开，磁力传送杆上的基片台由初始进样室滑动至工作真空室。整个工作过程由红外烘烤灯进行均勻加热。其他装置均为常规设置。超高真空离子源晶片清洗系统，其特征在于，包括进样真空室、离子束真空室和磁 力传送杆(12)，两真空室由隔离阀门(10)相连接，进样真空室上设有进样阀门(1)、机械泵 (2)、分子泵(3)和观察玻璃窗(4)，离子束真空室上设有观察玻璃窗(15)、涡旋干泵(6)、分 子泵(7)、离子泵(8)、升华泵(9)、红外烘烤灯(11)和氢离子源(13)，磁力传送杆(12)通 过隔离阀门(10)贯穿进样真空室和离子束真空室，并且磁力传送杆(12)上装有具有贴合 功能的基片台(5)，基片台(5)能够在磁力传送杆(12)上移动，磁力传送杆可将基片台(5) 从进样真空室传送至离子束真空室，离子源(13)可垂直对基片台(5)上晶片进行清洗。本发明的超高真空离子源晶片清洗系统还可以装有一些常规的设置或设备，如一 些真空测量仪，氮气输入等接口。1.离子束真空室该真空室采用球形结构，腔体尺寸φ450mm;极限真空度为3. 0X10_8Pa(真空漏率 小于2. 0 X IO-8Pa. 1/S)，整体采用不锈钢材料，氩弧焊接，表面抛光处理，全部接口采用金属 垫圈密封，连接其他设备(如离子源、分子泵、离子泵、升华泵等)接口为法兰。为加快晶片 清洗和键合速度，本工艺过程中采用略高于室温条件，基片台采用红外灯烘烤加热，样品表 面均勻达到所需温度。工作真空条件由涡旋干泵、分子泵、离子泵和升华泵共同获得。2.进样真空室该真空室为进样室，因而会经常和空气短时间接触，其极限真空度为 6. 6X 10_5Pa(真空漏率小于5. OX 10_8Pa. 1/S)，系统短时间暴露大气并充入干燥氮气后，再 开始抽气，短时间可达到5. OX 10_3Pa。其腔体尺寸为Φ300πιπι ；材料和加工条件同上。其上连有与连接样品的进样阀门、 机械泵、分子泵和观察玻璃窗等结构。磁力传送杆传送距离约为100mm，用于两腔室之间晶 片的传送。工作真空条件由机械泵和分子泵共同获得。本系统在超高真空环境下，通过低能氢离子源对晶片的清洗，在常温或略微加温 下进行晶片冷焊接，使多片键合成晶体块，获得低损耗的倍频晶体。本系统根据非线性光学准相位匹配的晶片键合要求，设计了满足低损耗、高效率 倍频晶体制作工艺要求的机构和流程，具有抽真空速度快、超高真空度长时间保持，对晶片 均勻加热、清洗和键合的优点。本发明技术特点1.本发明中，系统结构的设计，可实现晶片清洗、键合的工艺过程。2.本发明中，真空度、清洗离子源的离子能量和作用时间、键合力、温度等参数系 统可控。3.在本发明中，由于采用进样、清洗分开结构，在保证了工作室的超高真空度环 境的同时，又可以不耽误进样，同时由于工作真空室不与大气接触，因而保证了超真空的速度。4.本发明采用红外灯烘烤加热方式，可以保证基片台均勻加热到所需温度。
图1初始状态示意图
图2工作状态示意图其中⑴进样阀门、(2)机械泵、(3)分子泵1、⑷观察玻璃窗、(5)样品基片台、
(6)涡旋干泵、(7)分子泵2、(8)离子泵、(9)升华泵、(10)离子束室和进样室连接阀门、
(11)红外烘烤灯、(12)磁力传送杆、(13)氢离子源。
具体实施例超高真空离子源晶片清洗系统，包括进样真空室、离子束真空室和磁力传送杆
(12)，两真空室由隔离阀门(10)相连接，进样真空室上设有进样阀门(1)、机械泵(2)、分 子泵(3)和观察玻璃窗(4)，离子束真空室上设有观察玻璃窗(15)、涡旋干泵(6)、分子泵
(7)、离子泵(8)、升华泵(9)、红外烘烤灯(11)和氢离子源(13)，磁力传送杆(12)通过隔离 阀门(10)贯穿进样真空室和离子束真空室，并且磁力传送杆(12)上装有具有贴合功能的 基片台(5)，基片台(5)能够在磁力传送杆(12)上移动，磁力传送杆可将基片台(5)从进样 真空室传送至离子束真空室，离子源(13)可垂直对基片台(5)进行清洗。本发明设计为两球形真空腔室，基片台有10X10 ；20X20 ；30X30 ；Φ30 ;Φ40五 种规格，其具体操作为如图1，打开舱门(1)将GaAs两晶片平放于基片台支架上，关闭舱 门。开始对进样室抽真空，先后打开机械泵(2)、进样室分子泵(3)待进样室达到极限真空 度6. 6Χ 10_5Pa，开通连接阀门，此时用磁力传送杆将基片台传送至真空室，关闭隔离阀门 (10)。当两室真空计显示正常后，依次开启涡旋干泵(6)、真空室分子泵(7)、离子泵(8)、升 华泵(9)，观察真空计，待真空室达到工作极限真空度3.0X10_8Pa时，关闭所有泵。开启红 外烘烤灯进行加热，待温度到达所需温度时，开启氢离子源(13)，经10分钟溅射式清洗后， 视为清洗完成。这时关闭氢离子源，但不关闭红外烘烤灯，在保持极限工作真空度的环境下进行 晶片冷焊接，控制基片台，以一定的压力使之轻轻贴合。然后继续升温达到退火温度，持续 一段时间后，视为冷焊接完成。打开隔离阀门(10)，同上操作，将晶片传送出来，然后马上关闭真空室隔离阀门， 保持真空室不与大气接触。然后，向进样室通入氮气，使得内外环境等压强，取出晶片，完成 一次晶片冷焊接。随后，对晶片处理使其两面达到非线性频率变换一阶相干长度，完成单个 晶片单元冷焊接。最后，把厚度处理过的晶片单元按照上述过程用本系统清洗、冷焊接在一 起成为非线性倍频晶体堆结构。本发明结构简单，真空度高，抽真空迅速，能够均勻加热，对晶片表面氧化物的清 洗能力强，冷焊接质量好。
权利要求
超高真空离子源晶片清洗系统，其特征在于，包括进样真空室、离子束真空室和磁力传送杆(12)，两真空室由隔离阀门(10)相连接，进样真空室上设有进样阀门(1)、机械泵(2)、分子泵(3)和观察玻璃窗(4)，离子束真空室上设有观察玻璃窗(15)、涡旋干泵(6)、分子泵(7)、离子泵(8)、升华泵(9)、红外烘烤灯(11)和氢离子源(13)，磁力传送杆(12)通过隔离阀门(10)贯穿进样真空室和离子束真空室，并且磁力传送杆(12)上装有能够在磁力传送杆(12)上移动且具有贴合功能的基片台(5)，磁力传送杆可将基片台(5)从进样真空室传送至离子束真空室，离子源(13)可垂直对基片台(5)上的晶片进行清洗。
2.权利要求1的超高真空离子源晶片清洗系统，其特征在于，所述的进样真空室和离 子束真空室分别为球形结构。
3.权利要求2的超高真空离子源晶片清洗系统，其特征在于，所述的进样真空室腔体 尺寸为Φ 300mm，离子束真空室腔体尺寸Φ 450mm，磁力传送杆传送距离约为100mm。
4.权利要求1-3任一超高真空离子源晶片清洗系统，其特征在于，进样真空室和离子 束真空室整体采用不锈钢材料，氩弧焊接，表面抛光处理。
全文摘要
本发明公开了超高真空离子源晶片清洗系统，包括进样真空室、离子束真空室和磁力传送杆，两真空室由隔离阀门相连接，进样真空室上设有进样阀门、真空泵和观察玻璃窗，离子束真空室上设有观察玻璃窗、真空泵、红外烘烤灯和氢离子源，磁力传送杆贯穿进样真空室和离子束真空室，并且装有具有贴合功能的可移动的基片台，磁力传送杆可将基片台从进样真空室传送至离子束真空室，离子源可垂直对基片台上的晶片进行清洗。本系统在超高真空环境下，通过低能氢离子源对晶片的清洗，在常温或略微加温下进行晶片冷焊接，使多片键合成晶体块，获得低损耗的倍频晶体。
文档编号C30B33/06GK101935883SQ20101027937
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者冯驰, 姜孟华, 惠勇凌, 李强, 雷訇 申请人:北京工业大学