CN110473765A - 一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置及获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置及获得方法，解决了现有技术无法获得氩原子束的问题。该装置包括：真空管路，为一真空的空心腔室；氩气枪，设置于真空管路的一侧，用于产生氩气束，并将氩气束输送至真空管路内；汇聚管路，设置于真空管路的另一侧，且其与真空管路连通；真空管路内，沿着氩气束的流动方向依次间隔设置有电离系统、加速系统和中和系统，其中：电离系统，用于提供电场，将氩气束电离为氩等离子体束；加速系统，用于提供电场，对氩等离子体束进一步加速；中和系统，用于过滤经加速的氩等离子体束，并将其转换为氩原子束，氩原子束汇聚于汇聚管路处并加速输出。

Description

一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置及获得方法

【技术领域】

本发明属于电子工程技术领域，具体涉及一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置及获得方法。

【背景技术】

由于对高速、高温和大功率半导体器件需求的不断增长，使得半导体业重新考虑半导体所用设计和材料。应用领域的扩展和军事需求的增加是驱动氮化镓半导体器件市场增长的主要力量。需求量的增加主要是由于氮化镓器件所能带来的在器件重量和尺寸方面的显著改进。另外，氮化镓器件击穿电压的提升有望推动氮化镓在电动车辆中的使用量。但是，随着输出功率与频率的提高，GaN器件产生的热量越来越多，可能影响电子器件的输出功率、频率和可靠性。因此有必要通过冷却技术快速地降低GaN器件的热量。由于金刚石材料具有高热导率，因此将氮化镓键合在金刚石基底上能够高效快速地扩散氮化镓功率器件的热量。

传统的键合方法是采用键合剂将金刚石和氮化镓键合到一起。利用键合剂键合后，在器件热循环(比如-55-200摄氏度)的实验中，就会在键合剂层中出现裂纹、空洞甚至剥离等现象。这些现象也会在器件的运行过程中出现。这些现象严重影响到GaN器件的性能和稳定性，更甚者使其失效。

目前常用的一种新型键合方法是表面活化直接键合技术。理想情况下，认为两种键合材料的表面是清洁的，当将两种材料接触到一起时，原子间会通过范德瓦尔斯力紧密结合在一起。实际情况中，材料表面会存在氧化物，此时当两种材料接触时，氧化物会阻碍两种材料的结合。因此，要实现直接键合，需要将表面的氧化物去除，并且使表面原子级光滑。首先将金刚石基底和氮化镓基底置于真空设备中，然后利用高速的离子束轰击待键合的样品表面，从而使表面出现悬挂键。接下来，使金刚石样品和氮化镓样品的活性面相对，施加压力，让两者直接键合。这个键合方法中，表面活化采用的是高速氩离子，而离子会与表面悬挂键结合，并且会产生电荷积累，影响键合界面的热传导性能。然而，目前的现有技术无法获得氩原子束。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置及获得方法，以解决现有技术无法获得氩原子束的问题。

本发明采用以下技术方案：一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，包括：

真空管路，为一真空的空心腔室；

氩气枪，设置于真空管路的一侧，用于产生氩气束，并将氩气束输送至真空管路内；

汇聚管路，设置于真空管路的另一侧，且其与真空管路连通；

真空管路内，沿着氩气束的流动方向依次间隔设置有电离系统、加速系统和中和系统，其中：

电离系统，用于提供电场，将氩气束电离为氩等离子体束；

加速系统，用于提供电场，对氩等离子体束进一步加速；

中和系统，用于过滤经加速的氩等离子体束，并将其转换为氩原子束，氩原子束汇聚于汇聚管路处并加速输出。

进一步的，电离系统，为包括多个间隔并列设置的带孔正电压金属板，每个带孔正电压金属板的中心均设置有通孔，通孔用于供氩气束穿过，各个带孔正电压金属板外接电压，各个外接电压按照氩气束流动的方向为逐级降压。

进一步的，加速系统，为一带孔接地金属板，带孔接地金属板的中心设置有通孔，通孔用于供氩等离子体束穿过。

进一步的，中和系统，为采用易于发射负电子或者亲和势低的金属制成的金属网，金属网的网孔用于供氩等离子体束通过，金属网包括多根金属丝，各个金属丝平行设置或交叉设置。

进一步的，金属网的金属丝为交叉设置的，其形成的网孔形状为方形、圆形或者多边形。

进一步的，氩气枪的喷射压力大于1.5个大气压。

进一步的，氩气束的流量为10-300sccm，氩气枪的喷射孔直径为0.05-0.5cm，汇聚管路的直径为0.5-2cm。

进一步的，设相邻带孔正电压金属板之间的间距均为L1，设相邻带孔正电压金属板和带孔接地金属板之间的间距为L2，要求L1<L2。

进一步的，相邻的带孔正电压金属板和带孔接地金属板之间的间距为5-20cm，带孔正电压金属板和带孔接地金属板上的小孔直径均为0.5-2cm。

本发明采用第二种技术方案是，一种表面活化过程中高速氩原子束获得方法，采用权利要求1-7中任意一项的表面活化过程中高速氩原子束获得装置，按照以下步骤实施：

步骤一、采用氩气枪将氩气束喷射入真空管路中；

步骤二、利用电离系统的电场将氩气束电离，得到氩等离子体束，再利用加速系统对氩等离子体束进行加速；

步骤三、利用中和系统过滤高速的氩等离子体束，并对其泵浦电子，将其转换为氩原子束，并且通过汇聚管路将氩原子束汇聚成高速氩原子束输出。

本发明的有益效果是：利用氩气枪结合电场电离、加速筛选和电子泵浦的方式获得高速原子束，用该原子束来轰击金刚石外延层表面和氮化镓衬底表面，活化表面清洁，无电荷积累，从而提高了材料键合度和稳定性。

【附图说明】

图1为本发明一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置的结构示意图。

其中，1.氩气进气管路；2.氩气枪；3.带孔正电压金属板；4.带孔接地金属板；5.金属网；6.氩原子束汇聚管路；7.真空管路；8.氩气；9.氩等离子体束；10.氩原子束。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，如图1所示，由于电离需要真空环境，所以设置真空管路7来提供真空环境。真空管路7的一侧与所述氩气枪2连通，另一侧连通设置有汇聚管路6，汇聚管路的直径为0.5-2cm。真空管路7内部依次设置电离系统、加速系统和中和系统，从而依次对经氩气枪2输入的氩气束8进行电离、加速和中和，最终将氩气束8转换成氩原子束10。汇聚管路6用于汇聚所述氩原子束10并对其加速输出。

1.电离系统用于产生电场，该电场可以将氩气束8电离得到氩等离子体束9。本发明的电离系统为包括至少三个间隔并列设置的带孔正电压金属板3，每个带孔正电压金属板3的中心均设置有通孔，所述通孔用于供所述氩气束8穿过，各个所述带孔正电压金属板3外接电压，各个所述外接电压按照所述氩气束8流动的方向为逐级降压。各个带孔正电压金属板3的间距无要求。

2.加速系统位于所述真空管路7内，加速系统，为一带孔接地金属板4，所述带孔接地金属板4的中心设置有通孔，所述通孔用于供所述氩等离子体束9穿过，加速系统用于产生电场对所述氩等离子体束9进行进一步的加速。

该加速系统为一个与所述带孔正电压金属板3平行的带孔接地金属板4，间隔设置于所述电离系统远离所述氩气枪2的一侧。设多个带孔正电压金属板3之间的间距均为L1，相邻带孔正电压金属板3和带孔接地金属板4之间的间距为L2，那么要求L1<L2，这样的距离设置可以使得最终的氩原子束10获得更大的动能。

电离系统中最后一个带孔正电压金属板3和带孔接地金属板4之间的间距为5-20cm，小孔直径为0.5-2cm。

3.中和系统，为采用易于发射负电子或者亲和势低的金属制成的金属网5，所述金属网5的网孔用于供所述氩等离子体束9通过，所述金属网包括多根金属丝，各个所述金属丝平行设置或交叉设置。金属丝为交叉设置的，其形成的网孔形状为方形、圆形或者多边形。中和系统用于过滤经加速的所述氩等离子体束9，并对氩等离子体束9泵浦电子，将氩等离子体束9转换为氩原子束10。

氩气束8的流量为10-300sccm，氩气枪2的喷射压力大于1.5个大气压，氩气枪2的喷射孔直径为0.05-0.5cm。设为大于1.5个大气压可以实现较大的压力，为整个装置提供较大的动能。

本发明还提供了一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、采用氩气枪2将氩气束8喷射入真空管路7中；

步骤二、利用电离系统的电场将氩气束8电离，得到氩等离子体束9，再利用加速系统对氩等离子体束9进行加速；

步骤三、利用中和系统过滤高速的氩等离子体束9，并对其泵浦电子，将其转换为氩原子束10，并且通过氩原子束汇聚管路6将其汇聚成高速是氩原子束10输出。

进入氩气枪2的氩气量通过外围的流量计控制，范围在10-300sccm之间。氩气枪2的喷射压力在1.5个大气压以上，其喷射孔的直径为0.05-0.5mm。

为了实现加速，需要对喷射进入真空管路7的氩气束8进行电离得到氩等离子体束9。电离加速系统由多个带孔正电压金属板3和一个带孔接地金属板4组成，多个带孔正电压金属板3之间的电压逐渐降低，实现电离和初步加速。

得到氩等离子体束9之后，需要利用最后一个带孔正电压金属板3和带孔接地金属板4之间的电场进一步地加速，其间距为5-20cm，小孔直径为0.5-2cm。通过加速后，氩等离子体束9具有较高的动能，满足表面活化所需能量。

金属网5具有屏蔽作用，在氩等离子体束9通过时，能够吸收电子并且泵浦电子，将氩离子转变成氩原子。金属网5上的网孔提供了供氩等离子体束9通过的通道，网孔的形状可以是方形、圆形或者多边形，网孔的孔内最长尺寸为0.1-3mm。转变成氩原子后，利用氩原子束汇聚管路6得到高速氩原子束10，从而导入键合设备中对金刚石和氮化镓表面进行活化。

本发明中，采用的是利用氩气枪结合电场电离系统、加速系统和中和系统，采用过滤、电子泵浦的方式获得高速原子束轰击金刚石进行活化。这种活化方法，使得金刚石和氮化镓的活性面清洁，并且无电荷积累，能够提高键合的稳定性和界面的导热性，从而增加器件的可靠性。

在现有技术中，表面活化采用的是高速氩离子，而离子会与表面悬挂键结合，并且会产生电荷积累，影响键合界面的热传导性能。而采用原子形式进行表面活化，无电荷积累，从而提高了材料键合度和稳定性。只是现有技术中目前还没有办法实现对原子附加动能。本发明采用带孔正电压金属板3逐级降压的方法，可以将气体原子充分电离，从而使其能够在电场中加速。采用亲和势低的材料，能够在真空中发射电子，从而起到中和气体离子体束的作用。同时，金属网5还能够过滤掉多余的离子，使原子束纯净。

Claims (10)

1.一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，其特征在于，包括：

真空管路(7)，为一真空的空心腔室；

氩气枪(2)，设置于所述真空管路(7)的一侧，用于产生氩气束(8)，并将氩气束(8)输送至所述真空管路(7)内；

汇聚管路(6)，设置于所述真空管路(7)的另一侧，且其与所述真空管路(7)连通；

所述真空管路(7)内，沿着所述氩气束(8)的流动方向依次间隔设置有电离系统、加速系统和中和系统，其中：

电离系统，用于提供电场，将氩气束(8)电离为氩等离子体束(9)；

加速系统，用于提供电场，对所述氩等离子体束(9)进一步加速；

中和系统，用于过滤经加速的所述氩等离子体束(9)，并将其转换为氩原子束(10)，所述氩原子束(10)汇聚于所述汇聚管路(6)处并加速输出。

2.如权利要求1所述的一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，其特征在于，所述电离系统，为包括多个间隔并列设置的带孔正电压金属板(3)，每个带孔正电压金属板(3)的中心均设置有通孔，所述通孔用于供所述氩气束(8)穿过，各个所述带孔正电压金属板(3)外接电压，各个所述外接电压按照所述氩气束(8)流动的方向为逐级降压。

3.如权利要求1或2所述的一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，其特征在于，所述加速系统，为一带孔接地金属板(4)，所述带孔接地金属板(4)的中心设置有通孔，所述通孔用于供所述氩等离子体束(9)穿过。

4.如权利要求1或2所述的一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，其特征在于，所述中和系统，为采用易于发射负电子或者亲和势低的金属制成的金属网(5)，所述金属网(5)的网孔用于供所述氩等离子体束(9)通过，所述金属网(5)包括多根金属丝，各个所述金属丝平行设置或交叉设置。

5.如权利要求4所述的一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，其特征在于，所述金属网(5)的金属丝为交叉设置的，其形成的网孔形状为方形、圆形或者多边形。

6.如权利要求1或2所述的一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，其特征在于，所述氩气枪(2)的喷射压力大于1.5个大气压。

7.如权利要求1或2所述的一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，其特征在于，所述氩气束(8)的流量为10-300sccm，所述氩气枪(2)的喷射孔直径为0.05-0.5cm，所述汇聚管路(6)的直径为0.5-2cm。

8.如权利要求1或2所述的一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，其特征在于，设相邻带孔正电压金属板(3)之间的间距均为L1，设相邻所述带孔正电压金属板(3)和所述带孔接地金属板(4)之间的间距为L2，要求L1<L2。

9.如权利要求1或2所述的一种表面活化过程中高速氩原子束获得装置，其特征在于，相邻的带孔正电压金属板(3)和带孔接地金属板(4)之间的间距为5-20cm，所述带孔正电压金属板(3)和带孔接地金属板(4)上的小孔直径均为0.5-2cm。

10.一种表面活化过程中高速氩原子束获得方法，其特征在于，采用所述权利要求1-7中任意一项所述的表面活化过程中高速氩原子束获得装置，按照以下步骤实施：

步骤一、采用氩气枪(2)将氩气束(8)喷射入真空管路(7)中；

步骤二、利用电离系统的电场将氩气束(8)电离，得到氩等离子体束(9)，再利用加速系统对氩等离子体束(9)进行加速；

步骤三、利用中和系统过滤高速的氩等离子体束(9)，并对其泵浦电子，将其转换为氩原子束(10)，并且通过汇聚管路(6)将所述氩原子束(10)汇聚成高速氩原子束输出。