[实用新型]超高真空离子源晶片清洗系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种超高真空、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(5μm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As₂O_x、Ga₂O_x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(＜5.0×10^-8Pa)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匀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

本实用新型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，本实用新型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匀加热。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。

本实用新型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3.0×10^-8Pa(真空漏率小于2.0×10^-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，样品表面均匀达到所需温度。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