专利名称：用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置的制作方法
技术领域：
用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置技术领域[0001]本实用新型涉及材料的干法表面处理技术，更具体地说，涉及一种集紫外光化学与化学气相表面清洗与改性的真空设备。
背景技术：
[0002]紫外光化学表面处理技术能够有效清除大多数金属、半导体和绝缘材料的有机污染物，并实现金属、半导体和碳族元素等材料的改性，在材料生长、表面改性和器件制备等基础科研和产业应用领域发挥着重要的作用。这项技术起源于二十世纪七十年代，它最初为紫外光照射空气或氧气，并逐步发展为真空紫外清洗技术以进一步降低空气中水汽、二氧化氮等气体对光化学反应的影响；在规模上也从最初的小功率基片清洗设备向大功率自动传输清洗设备发展。这种紫外光照清洗设备主要是基于低压汞灯能发射出主要波长位于184.9nm和253.7nm的紫外光,氧气在这两种紫外光的照射下生成氧原子和臭氧,并与处于激发态的有机分子发生光化学反应，生成水和二氧化碳等物质，达到表面清洗的目的。[0003]紫外光化学表面处理对基底具有清洗效应。但是，这种表面清洗仅仅是针对于表面几十纳米的有机污染物。当样品基底表面存在较厚层的有机污染物时，我们通常首先采用有机化学试剂湿法去除基底表面的有机污染物，然后再采用干法表面处理来去除表面残留的痕量有机污染物。以石墨烯材料以及纳米光电子器件为例，我们知道无论是利用胶带剥离的方法还是利用光刻胶转移到一定基底上的石墨烯，其制备过程中都不可避免的带来有机污染物。对于这些有机物的清除，我们通常是采用化学气相反应技术，即将样品放入约300摄氏度的退火炉中，同时通入一定流量的气体，如Ar和H2,并维持两个小时以上的反应时间。这种化学气相热处理由于反应很弱，它基本上是依靠气流将挥发的有机物带走，因而持续时间长，花费高，而且对环境造成很大污染。令人遗憾的是，这种方法处理的石墨烯表面依然会存在大量的污染物，西班牙加泰罗尼亚纳米技术研究所Joel Moser博士等人为解决这一问题，提出了通过对电子元件施加瞬时大电流产生焦耳热来清洗元件，得到了广泛的应用。但是，这种对电子元件施加瞬间大电流产生焦耳热来进行纳米电子器件的清洗也有诸多局限性:1.这种电流焦耳热的清洗方法仅仅适用于电子元件，而不适用于电子元件之外的其它材料和纳米器件。2.这种电流焦耳热的清洗方法仅仅是针对某一特定的石墨烯纳米电子器件进行清洗，而并非整块基底。[0004]我们知道，紫外光化学反应不仅具有清洗效应，氧原子的强氧化性还能够进一步将一些金属材料(譬如银、铝等)氧化或者对碳族材料(如石墨烯、碳纳米管等)进行载流子掺杂以及刻蚀效应，实现材料改性。有效控制紫外光化学反应的进程，即将反应控制在氧原子与残留有机污染物的反应层面上对于样品的清洗以及改性至关重要。将这种光化学反应与化学气相反应两种技术结合起来，我们可以降低化学气相反应技术持续时间长、清洗效果较差等不利因素，达到有效清除材料和纳米光电子器件表面污染物目的，并可以节约成本，降低对周围环境的污染。[0005]我们在之前申请的专利(名称:集紫外光/臭氧表面处理与电学性质原位测试的真空设备)中提出了紫外光化学反应的双腔室结构真空设备，从而有效控制光化学反应的进程。本实用新型在此设计的基础上，将紫外光化学反应与化学气相反应两种技术结合起来，精确控制样品干法清洗以及表面改性的进程。为此，本实用新型需满足更高或者更为特殊的要求，即必须考虑紫外光化学表面处理与化学气相表面处理两种技术的兼容。实用新型内容[0006]本实用新型针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置，克服已有干法表面改性技术中存在的问题，实现一种集紫外光化学和化学气相清洗于一体的真空设备，其可以准确控制光化学和化学气相反应进程，有效实现材料和器件在同一设备中的原位、干法清洗，本实用新型在材料和纳米光电子器件的表面处理领域具有重要价值。[0007]根据本实用新型的一个方面，提供一种用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置，主要由真空腔室、紫外光源系统、真空泵系统和真空控制系统组成，其中，所述紫外光源系统包括相连接的紫外灯控制电源和紫外灯管，所述真空腔室包括外腔室和内腔室，所述外腔室内安装有所述紫外灯管，所述内腔室内设置有所述样品台、加热装置和水冷装置，所述内腔室还设置有气体输入端口、气体输出端口，所述气体输入端口连接有氧气存储装置、氮气存储装置、氩气存储装置、氢气存储装置，能够实现化学气相表面处理，所述紫外灯管发射的光通过所述内腔室的石英窗口，照射到所述样品台上，所述内腔室充有一定压强的氧气；所述真空泵系统和真空控制系统用于产生并控制真空腔室内的真空度。[0008]优选地，所述紫外灯管功率为100W、主要发射波长为184.9nm和253.7nm的紫外光。[0009]优选地，所述内腔室上部主要由石英材料制成，下部主要为不锈钢材料制成，所述内腔室顶部具有在波长184.9nm和253.1xm处高透过率的石英窗口，所述石英窗口的尺寸不小于所述内腔室的内部孔径，所述气体输入端口、气体输出端口设置在所述内腔室下部不锈钢部分。[0010]优选地，所述样品台由石英材料制作，其高度通过控制杆在一定范围内可调节，以实现和有效控制紫外光化学表面处理，所述控制杆由两部分组成，即与所述样品台连接且位于所述内腔室内的石英杆以及与所述石英杆相连通往真空腔室外部的不锈钢杆。[0011]优选地，所述真空泵系统由两级组成泵，即机械泵和分子泵。[0012]优选地，所述真空控制系统主要包括:气体流量计、真空计、温度控制系统和水冷系统。[0013]与已有技术相比，本实用新型具有以下有益效果:[0014]本实用新型所提供的技术方案集紫外光化学与化学气相干法表面处理技术于一体，它能够实现对材料和器件的有效清洗以及精确改性，在材料、纳米器件领域具有重要的应用。[0015]本实用新型采用双腔室的真空系统，即将紫外灯管和样品台分别置于外腔室和内腔室中，并通过加热和水冷系统对内腔室温度给予有效控制，从而能更好地控制紫外光化学与化学气相反应的进程。
[0016]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显:[0017]图1表不本实用新型的真空设备结构不意图。[0018]图中:1为外腔室盖,2为紫外灯管,3为石英窗口，4为外腔室,5为内腔室,6为样品台，7为控制杆。
具体实施方式
[0019]
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。[0020]根据本实用新型所提供的真空设备的结构如图1所示，所述真空设备主要由真空腔室、紫外光源系统、真空泵系统和真空设备控制系统组成。如下对这四个组成部分进行描述。[0021]具体地，紫外光源系统包括紫外灯控制电源和紫外灯管，其中:[0022]紫外灯控制电源能够控制紫外灯管的开启和熄灭、辐射强度、辐射时间等。紫外灯管为低压汞灯，将其首先固定于铝制反光板上，然后再将反光板固定于外腔室顶端，光源能够发射主要为184.9nm和253.7nm的紫外光。[0023]更为具体地，真空腔室包括外腔室和内腔室，其中:[0024]外腔室由不锈钢材料制作，其上端面固定紫外灯管。紫外灯管开启后，外腔室的真空环境可以有效降低气体分子对紫外光的吸收，避免不必要的臭氧产生以及可能对周围环境的影响。[0025]内腔室分为石英腔室和不锈钢腔室两部分，上部的石英腔室主要由石英材料制成，下部的不锈钢腔室主要为不锈钢材料。内腔室顶端安置高纯度石英窗口，内置可升降样品台以及气体输入端口、气体输出端口等。[0026]石英窗口透光尺寸不小于内腔室内径，固定于不锈钢法兰上，能透过波长为184.9nm和253.7nm紫外光，降低内腔室臭氧产生的不均匀性。[0027]内腔室内的样品台主要由石英材料制作，距石英窗口下端面最近距离为10mm。样品台通过控制杆与设备外部环境连接，能够在60mm范围内升降，样品台的上部(即位于石英腔室的部分)由石英材料制作，样品台的其它部分由不锈钢材料制作。[0028]内腔室的不锈钢腔室部分具有气体输入端口、气体输出端口。[0029]进一步地，真空泵系统主要由两级泵，即机械泵和分子泵组成，本底真空度可以达到 2* I(T4Pa。[0030]更进一步地，真空设备控制系统主要包括气体流量计、真空计、温度控制系统和水冷系统。[0031]当内腔室充入一定气体时，气体流量计可以控制流入气体的流量，内腔室的真空度可以由高、低真空计检测。[0032]对于上述集紫外光化学与化学气相干法表面处理技术于一体的设备，下面以Si/SiO2基底上的石墨烯纳米电子元件为例，具体说明对其清洗的主要步骤:[0033]I)依次打开主电源、真空计和氮气阀门，真空腔室内的气压超过Iatm后关闭氮气阀门，依次打开真空设备的外腔室和内腔室。[0034]2)将石墨烯电子元件置于内腔室石英样品台上，依次关闭内、外腔室盖。[0035]3)依次开启内腔室水冷系统和机械泵电源，当真空度高于IPa后，开启分子泵。[0036]4)内腔室本底真空度达到2*10_4Pa后，关闭分子泵和内腔室气体输出阀门，打开氧气气体流量计。内腔室达到Iatm压强后，关闭气体输入阀门，开启紫外灯管主电源，设置光照时间，启动紫外光源的电源控制开关。[0037]5)紫外灯管照射结束后，关闭紫外灯管主电源，打开内腔室气体输出阀门，待真空度达到IPa后开启分子泵，再等待真空度达到2*10_4Pa后，依次关闭分子泵和机械泵。[0038]6)打开Ar和H2气体流量计，如Ar和H2气体流量分别为200sccm和lOOsccm。待压强达到一个大气压后，开启内腔室加热控制设备，控制温度在30min内升至310摄氏度，并在此条件下保温两个小时后降温，控制降温速度为一个小时降温至80摄氏度。[0039]7)开启机械泵，待真空度达到IPa后关闭机械泵。[0040]8)打开氮气输入阀门，腔室内气压大于Iatm后依次打开外腔室和内腔室，取出样品O[0041]9)依次打开机械泵和分子泵，保持腔室真空状态。[0042]10)关闭真空腔室阀门，然后再依次关闭分子泵电源、机械泵电源、气压计、温度计、水冷系统和主电源。[0043]本实用新型中外腔室及紫外灯管设计和制作过程具体如下:[0044]外腔室为圆筒状结构，由不锈钢材料制成，上有密封盖。其总高度为400mm,内径为300mm,壁和上盖厚度均为6_。[0045]紫外灯管功率为100W，灯管直径为18mm，形状为hairpin结构，弯曲成120mm*120mm辐射面积。紫外灯管首先固定于铝制反射板上，然后再将铝制反射板固定于外腔室密封盖内部顶端。[0046]紫外灯管的紫外灯控制电源部分包括主开关、紫外灯开启开关、时间调节按钮。为避免紫外灯照射对人体造成损伤，当开启真空腔室时，紫外灯管自动断电。[0047]本实用新型中内腔室、石英窗口、加热和水冷系统的设计和制作过程如下:[0048]内腔室主要由石英材料制作，为圆筒状结构，总高度为130mm，内径为80mm，腔壁厚度为8_。内腔室顶部紫外透射窗口采用高质量的石英材料，外径为100_，其透光直径为80mm，厚度为10mm，密封嵌于不锈钢法兰内。法兰上置有固定孔和密封圈。内腔室外置加热线圈和水冷装置。[0049]内腔室石英窗口上表面距离灯管最下端10mm。[0050]本实用新型中内腔室控制杆和样品台的设计与加工过程具体如下:[0051]样品台直径为60_，其与控制杆连接，可以从真空设备底端进入内腔室，并由控制杆操纵样品台在60mm范围内升降。[0052]控制杆长度为350mm,其中石英杆长为130mm,不锈钢杆长为220mm,其外径均为12_，不锈钢杆侧端面有与中空轴对应的螺纹和卡点，可以在60_范围内升降。[0053]最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置，其特征在于，主要由真空腔室、紫外光源系统、真空泵系统和真空控制系统组成，其中，所述紫外光源系统包括相连接的紫外灯控制电源和紫外灯管，所述真空腔室包括外腔室和内腔室，所述外腔室内安装有所述紫外灯管，所述内腔室内设置有所述样品台、加热装置和水冷装置，所述内腔室还设置有气体输入端口、气体输出端口，所述气体输入端口连接有氧气存储装置、氮气存储装置、氩气存储装置、氢气存储装置，能够实现化学气相表面处理，所述紫外灯管发射的光通过所述内腔室的石英窗口，照射到所述样品台上，所述内腔室充有一定压强的氧气；所述真空泵系统和真空控制系统用于产生并控制真空腔室内的真空度。
2.根据权利要求1所述的用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置，其特征在于，所述紫外灯管功率为100W、主要发射波长为184.9nm和253.1xm的紫外光。
3.根据权利要求1所述的用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置，其特征在于，所述内腔室上部主要由石英材料制成，下部主要为不锈钢材料制成，所述内腔室顶部具有在波长184.9nm和253.1xm处高透过率的石英窗口，所述石英窗口的尺寸不小于所述内腔室的内部孔径，所述气体输入端口、气体输出端口设置在所述内腔室下部不锈钢部分。
4.根据权利要求1所述的用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置，其特征在于，所述样品台由石英材料制作，其高度通过控制杆在一定范围内可调节，以实现和有效控制紫外光化学表面处理，所述控制杆由两部分组成，即与所述样品台连接且位于所述内腔室内的石英杆以及与所述石英杆相连通往真空腔室外部的不锈钢杆。
5.根据权利要求1所述的用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置，其特征在于，所述真空泵系统由两级组成泵，即机械泵和分子泵。
6.根据权利要求1所述的用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置，其特征在于，所述真空控制系统主要包括:气体流量计、真空计、温度控制系统和水冷系统。
专利摘要本实用新型公开了一种用于化学气相和紫外光化学干法表面清洗改性的真空装置，主要由真空腔室、紫外光源系统、真空泵系统和真空设备控制系统组成，真空腔室由高真空内腔室和低真空外腔室组成外腔室顶端固定紫外灯光源；内腔室具有高度可调节的样品台，其外置加热和水冷系统。本实用新型能够准确控制紫外光化学和化学气相干法反应的过程，实现材料和器件的有效清洗和改性，它在材料和纳米光电子器件领域具有重要的应用价值。
文档编号C23C16/48GK203002359SQ20122060530
公开日2013年6月19日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者陶海华, 张双喜, 蒋为桥, 王庆康 申请人:上海交通大学