CN109610005A - 一种质子交换炉及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光波导芯片制造技术领域，公开了一种质子交换炉及其使用方法，质子交换炉包括炉体、石英管、石英夹具、机械手、废液回收系统，石英管放置在炉体中，石英管内设置有质子交换反应溶液，石英夹具装载有晶圆，晶圆浸入质子交换反应溶液中，石英夹具与机械手连接，废液回收系统与石英管连通；进行质子交换工艺时，石英管放置在炉体中进行加热，通过机械手控制石英夹具在质子交换反应溶液中进行上下往复运动和左右旋转运动；质子交换工艺完成后，通过废液回收系统将石英管中的质子交换反应溶液抽出。本发明解决了现有技术中质子交换的一致性、可生产性较差的问题。

Description

一种质子交换炉及其使用方法
技术领域
本发明涉及光波导芯片制造技术领域，尤其涉及一种质子交换炉及其使用方法。
背景技术
由于铌酸锂晶体具有优异的电光、声光、光弹、非线性、光折变等性能，其在光通讯领域应用非常广泛，是光波导器件中最常使用的晶体材料。通过改变铌酸锂光波导和电极的形状，能够在铌酸锂晶体上制作出适合应用于各种光控制和传输器件，如相位调制器、相位延迟器、光学隔离器、可变衰减器等。
质子交换炉是铌酸锂光波导芯片制作中最重要的工艺设备之一，它的主要用途是对铌酸锂晶圆进行掺杂，在高温条件下将铌酸锂晶圆浸入熔融的酸液中，使得氢离子进入铌酸锂晶格内。质子交换后的铌酸锂的寻常光折射率减小，非寻常光的折射率变大，形成一种偏振消光比很高的光波导。
现有的质子交换工艺通常选择使用苯甲酸作为质子源，并且在接近苯甲酸沸点的温度进行工艺，由于光通信和半导体制造技术的不断发展，对铌酸锂芯片工艺尤其是质子交换工艺在工艺一致性、均匀性以及可生产性方面提出更高要求。目前质子交换炉在传统的立式扩散炉基础上添加质子交换容器旋转装置，提高了质子交换工艺的片内均匀性，但是旋转的容器会导致炉体内的气流扰动，导致质子交换炉温度不稳定影响质子交换工艺的一致性。此外，质子交换后高温的酸液难以处理，若放置到冷却之后酸液会凝固并附着在石英管壁上无法清洗(苯甲酸熔点为122.13℃)。目前的普遍处理方法是人工将石英管内的高温苯甲酸溶液直接倒出，这样不仅在倒出过程中会有烫伤风险，而且酸液会大量挥发污染整个洁净间环境，导致必须与其他芯片生产设备隔离开，严重影响铌酸锂芯片的可生产性。
发明内容
本申请实施例通过提供一种质子交换炉及其使用方法，解决了现有技术中质子交换的一致性、可生产性较差的问题。
本申请实施例提供一种质子交换炉，包括：炉体、石英管、石英夹具、机械手、废液回收系统；
所述石英管放置在所述炉体中，所述石英管内设置有质子交换反应溶液，所述石英夹具装载有晶圆，所述晶圆浸入所述质子交换反应溶液中，所述石英夹具与所述机械手连接，所述废液回收系统与所述石英管连通。
优选的，所述机械手包括伸缩气缸、旋转轴、机身；所述伸缩气缸、所述旋转轴分别连接在所述机身的两端，所述旋转轴与所述石英夹具连接。
优选的，所述废液回收系统包括连接管、废液桶、真空泵；所述连接管的一端与所述石英管连通，所述连接管的另一端与所述废液桶连通，所述真空泵与所述废液桶相连。
优选的，所述炉体包括加热炉丝、陶瓷套管；所述加热炉丝均匀地缠绕在所述陶瓷套管的周围，所述陶瓷套管的底部密封。
优选的，所述石英管包括抽液管、石英管身；所述质子交换反应溶液位于所述石英管身的底部，所述石英管通过所述抽液管与所述废液回收系统连通。
优选的，所述石英夹具包括固定杆、石英栅格；所述石英夹具通过所述固定杆与所述机械手连接，所述石英栅格与所述固定杆连接，所述晶圆装载在所述石英栅格内，所述石英栅格浸入所述质子交换反应溶液中。
优选的，所述晶圆为铌酸锂晶圆。
优选的，所述质子交换反应溶液为苯甲酸溶液。
另一发明，本申请实施例提供一种质子交换炉的使用方法，进行质子交换工艺时，石英管内设置有质子交换反应溶液，石英管放置在炉体中进行加热，石英夹具装载有晶圆，晶圆浸入质子交换反应溶液中，通过机械手控制石英夹具在质子交换反应溶液中进行上下往复运动和左右旋转运动；质子交换工艺完成后，通过废液回收系统将石英管中的质子交换反应溶液抽出。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，进行质子交换工艺时，石英管放置在炉体中进行加热，石英夹具装载有晶圆并浸入石英管内的质子交换反应溶液中，通过机械手控制石英夹具在质子交换反应溶液中进行上下往复运动和左右旋转运动，保证质子交换反应溶液中的各区域的离子浓度均匀，提高工艺均匀性。质子交换工艺完成后，通过废液回收系统将石英管中的质子交换反应溶液抽出，废液处理过程均在密封环境中进行，能够减小对洁净室环境的影响，提高工艺安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种质子交换炉的结构示意图。
其中，1-炉体、2-石英管、3-石英夹具、4-机械手、5-废液回收系统；
11-加热炉丝、12-陶瓷套管；
21-抽液管、22-石英管身；
31-固定杆、32-石英栅格；
41-伸缩气缸、42-旋转轴、43-机身；
51-连接管、52-废液桶、53-真空泵。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种质子交换炉，如图1所示，包括：炉体1、石英管2、石英夹具3、机械手4、废液回收系统5；所述石英管2放置在所述炉体1中，所述石英管2内设置有质子交换反应溶液，所述石英夹具3装载有晶圆，所述晶圆浸入所述质子交换反应溶液中，所述石英夹具3与所述机械手4连接，所述废液回收系统5与所述石英管2连通。
其中，所述炉体1包括加热炉丝11、陶瓷套管12；所述加热炉丝11均匀地缠绕在所述陶瓷套管12的周围，即所述加热炉丝11均匀地缠绕在所述陶瓷套管12的外壁上，使得热量能够均匀的传递到所述陶瓷套管12内，以获得较长的恒温区；所述陶瓷套管12的底部密封，以减小底部环境温度以及气流变化对炉体内温度的影响。所述陶瓷套管12的材料为刚玉、碳化硅或其他耐高温高比热陶瓷，陶瓷相比空气导热性更好，能使炉体内温区更加均匀，同时所述陶瓷套管12的比热容大，可减小环境温度变化对炉体内温度的影响，提高温度稳定性。
所述石英管2包括抽液管21、石英管身22；所述质子交换反应溶液位于所述石英管身22的底部，所述石英管2通过所述抽液管21与所述废液回收系统5连通。具体的，所述质子交换反应溶液为苯甲酸溶液，所述石英管2内盛放苯甲酸溶液，并置于所述炉体1的所述陶瓷套管12内加热保温。
所述石英夹具3包括固定杆31、石英栅格32；所述石英夹具3通过所述固定杆31与所述机械手4连接，所述石英栅格32与所述固定杆31连接，所述晶圆装载在所述石英栅格32内，所述石英栅格32浸入所述质子交换反应溶液中。具体的，所述晶圆为铌酸锂晶圆，所述石英栅格32固定于所述固定杆31的末端，铌酸锂晶圆装载在所述石英栅格32内，并浸没于苯甲酸溶液内进行质子交换工艺。
所述机械手4包括伸缩气缸41、旋转轴42、机身43；所述伸缩气缸41、所述旋转轴42分别连接在所述机身43的两端，所述旋转轴42与所述石英夹具3连接。具体的，所述旋转轴42与所述石英夹具3的所述固定杆31的顶端连接，所述机械手4在带动所述石英夹具3上下往复运动的同时能左右旋转运动，加速苯甲酸溶液内的离子运动，保证苯甲酸溶液中的各区域的离子浓度均匀，提高工艺均匀性。
所述废液回收系统5包括连接管51、废液桶52、真空泵53；所述连接管51的一端与所述石英管2连通，所述连接管51的另一端与所述废液桶52连通，所述真空泵53与所述废液桶52相连。利用所述真空泵53在所述废液桶52中形成的负压，能够将所述石英管2中的苯甲酸废液抽出，使得废液处理过程均在密封环境中进行，减小对洁净室环境的影响并提高工艺安全性。
相应的，本发明还提供上述质子交换炉的使用方法，主要涉及以下两个过程：
(1)进行质子交换工艺时，石英管内设置有质子交换反应溶液，石英管放置在炉体中进行加热，石英夹具装载有晶圆，晶圆浸入质子交换反应溶液中，通过机械手控制石英夹具在质子交换反应溶液中进行上下往复运动和左右旋转运动。
(2)质子交换工艺完成后，通过废液回收系统将石英管中的质子交换反应溶液抽出。
整个质子交换工艺的具体步骤主要包括：
1、将装有苯甲酸的石英管放置于炉体中加热至指定温度；
2、将装有铌酸锂晶圆的石英夹具放入石英管内，石英栅格浸入苯甲酸溶液，固定杆与旋转轴对接；
3、伸缩气缸和旋转轴带动石英夹具同时进行上下往复运动和左右旋转运动；
4、真空泵使废液桶形成负压，将苯甲酸溶液从石英管中抽出至废液桶中，完成全部工艺。
本发明提供的质子交换炉采用加热炉丝和陶瓷套管的方式加热质子交换反应溶液，增加炉体中比热，并通过伸缩气缸和旋转轴的作用，使石英栅格在质子交换反应溶液中同时进行上下往复运动和左右旋转运动，减小石英管旋转对炉内气流的扰动，能够减小环境对炉体控温的影响，提高工艺一致性和均匀性。此外，在石英管中集成抽液管，完成质子交换工艺后，将抽液管与废液回收系统对接，直接把高温的质子交换反应溶液抽出，整个工艺过程都由设备自动完成无人工参与，能够在提高生产稳定性的同时确保对洁净室环境无污染。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种质子交换炉，其特征在于，包括：炉体、石英管、石英夹具、机械手、废液回收系统；
所述石英管放置在所述炉体中，所述石英管内设置有质子交换反应溶液，所述石英夹具装载有晶圆，所述晶圆浸入所述质子交换反应溶液中，所述石英夹具与所述机械手连接，所述废液回收系统与所述石英管连通。
2.根据权利要求1所述的质子交换炉，其特征在于，所述机械手包括伸缩气缸、旋转轴、机身；所述伸缩气缸、所述旋转轴分别连接在所述机身的两端，所述旋转轴与所述石英夹具连接。
3.根据权利要求1所述的质子交换炉，其特征在于，所述废液回收系统包括连接管、废液桶、真空泵；所述连接管的一端与所述石英管连通，所述连接管的另一端与所述废液桶连通，所述真空泵与所述废液桶相连。
4.根据权利要求1所述的质子交换炉，其特征在于，所述炉体包括加热炉丝、陶瓷套管；所述加热炉丝均匀地缠绕在所述陶瓷套管的周围，所述陶瓷套管的底部密封。
5.根据权利要求1所述的质子交换炉，其特征在于，所述石英管包括抽液管、石英管身；所述质子交换反应溶液位于所述石英管身的底部，所述石英管通过所述抽液管与所述废液回收系统连通。
6.根据权利要求1所述的质子交换炉，其特征在于，所述石英夹具包括固定杆、石英栅格；所述石英夹具通过所述固定杆与所述机械手连接，所述石英栅格与所述固定杆连接，所述晶圆装载在所述石英栅格内，所述石英栅格浸入所述质子交换反应溶液中。
7.根据权利要求1所述的质子交换炉，其特征在于，所述晶圆为铌酸锂晶圆。
8.根据权利要求1所述的质子交换炉，其特征在于，所述质子交换反应溶液为苯甲酸溶液。
9.一种如权利要求1-8中任一所述的质子交换炉的使用方法，其特征在于，进行质子交换工艺时，石英管内设置有质子交换反应溶液，石英管放置在炉体中进行加热，石英夹具装载有晶圆，晶圆浸入质子交换反应溶液中，通过机械手控制石英夹具在质子交换反应溶液中进行上下往复运动和左右旋转运动；质子交换工艺完成后，通过废液回收系统将石英管中的质子交换反应溶液抽出。
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