CN112195443A - 一种薄膜沉积系统及镀膜方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种薄膜沉积系统及镀膜方法，包括：具有真空腔的真空室；设置在真空腔内的溅射源，溅射源包括溅射口；设置在真空腔内的电子束蒸发源，电子束蒸发源包括喷射口；固定架，固定架活动设置在真空腔上，固定架上设置有用于固定芯片的安装区；溅射源与电子束蒸发源错开设置；以及动作机构，动作机构用于驱动固定架在第一位置和第二位置之间切换；当固定架处于第一位置，溅射源的溅射口对准固定架上的芯片；当固定架处于第二位置，电子束蒸发源的喷射口对准固定架上的芯片。本申请实施例的一种薄膜沉积系统及镀膜方法，具有成本低且效率高的优点。
Description
技术领域
本申请涉及高速率半导体激光器芯片生产领域，尤其涉及一种薄膜沉积系统及镀膜方法。
背景技术
随着互联网，数据中心，5G移动通信的高速发展，对高速光收发模块的需求也呈现爆发式增长的态势。其中，作为高速光模块中的核心光源芯片，市场需求更是海量。在这些需求中，25G调制速率的直接调制激光器(以下简称DML激光器)占了大部分份额，市场迫切希望得到大量具有高性价比的25G激光器，来满足通信带宽的不断增长。
25G高调制速率激光器的研发生产和传统2.5G、10G速率的激光器工艺不同，其中一项关键技术，激光器减反膜就有着更高的要求。半导体激光器的谐振腔均需要在出光腔面镀制减反膜，而随着速率的提高，DML激光器谐振腔的长度也在不断缩小，通过提高光场限制因子和微分增益、减小有源区体积、降低阈值电流来提高张弛振荡频率，从而提高调制速率。而有源区体积的减小，会导致芯片单位体积的功率密度更高，热量积攒更集中，如果和激光器出光腔面直接接触的第一层膜层不够致密，导热不好，或者吸收大，存在缺陷，在高光功率密度作用下就会引起腔面温度迅速升高进而诱发腔面处带隙收缩加剧光子吸收，最后促使腔面烧毁，激光器失效。这种灾变性光学镜面损伤(以下简称COD)一直是限制高功率和高速率激光器可靠性的重要因素。
传统用于2.5G 10G的DML激光器生产的镀膜设备均为电子束蒸发镀膜机。电子束蒸发镀膜蒸发速率高、蒸发面积大、均匀性好且适合大批量生产，但是电子束蒸发沉积的膜层均不够致密，吸收大，隔绝水汽性能差，且在一定概率上存在因蒸发膜料飞溅造成的膜层缺陷。
为此，近些年发展了一种光学溅射镀膜的高性能镀膜技术，和电子束蒸发镀膜技术相比，光学溅射镀膜膜层致密，缺陷极少，非常适用于镀制和激光器腔面接触的膜层，可大幅减小COD发生的概率，还可在非气密应用场合隔绝水汽。但是溅射镀膜技术由于原理所限，沉积速率非常低，几乎比传统蒸发镀膜速率小一个数量级，同时由于高纯度溅射靶材比普通蒸发膜料昂贵，限制了这项技术用于半导体激光器的大批量生产推广。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例期望提供一种薄膜沉积系统及镀膜方法，以解决成本高与效率低的问题。
为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：
一种薄膜沉积系统，包括：具有真空腔的真空室；设置在所述真空腔内的溅射源，所述溅射源包括溅射口；设置在所述真空腔内的电子束蒸发源，所述电子束蒸发源包括喷射口；固定架，所述固定架活动设置在所述真空腔上，所述固定架上设置有用于固定芯片的安装区；所述溅射源与所述电子束蒸发源错开设置；以及动作机构，所述动作机构用于驱动所述固定架在第一位置和第二位置之间切换；当所述固定架处于所述第一位置，所述溅射源的所述溅射口对准所述固定架上的芯片；当所述固定架处于所述第二位置，所述电子束蒸发源的所述喷射口对准所述固定架上的芯片。
进一步地，所述溅射源与所述固定架的所述安装区的距离小于所述电子束蒸发源与所述固定架的所述安装区的距离。
进一步地，所述薄膜沉积系统包括设置在所述真空腔内的感应探头，所述感应探头能够检测所述固定架上的芯片的镀膜厚度。
进一步地，所述薄膜沉积系统包括真空泵，所述真空泵与所述真空腔连通。
进一步地，所述薄膜沉积系统包括设置在所述真空腔内的离子辅助源，所述离子辅助源用于对所述固定架上的芯片进行离子预清洗。
进一步地，所述溅射源为磁控溅射源、离子束溅射源或者电子回旋共振反应溅射源。
进一步地，所述薄膜沉积系统包括第一冷却水路，所述第一冷却水路的一端通入所述电子束蒸发源，所述第一冷却水路的另一端延伸至所述真空室的外部。
进一步地，所述薄膜沉积系统包括第二冷却水路以及反应气路；所述第二冷却水路的一端通入所述溅射源，所述第二冷却水路的另一端延伸至所述真空室的外部；所述反应气路的一端通入所述溅射源，所述反应气路的另一端延伸至所述真空室的外部。
进一步地，所述固定架包括转轴以及旋转盘，所述转轴的一端可转动地设置在所述真空室的顶部壁面上，所述转轴的另一端与所述旋转盘固定连接；所述安装区设置在所述旋转盘靠近所述溅射源和电子束蒸发源的盘面上；所述动作机构为电机，所述动作机构驱动所述转轴绕自身轴线进行转动；所述动作机构驱动所述转轴转动以实现所述旋转盘在所述第一位置与所述第二位置之间切换。
进一步地，所述薄膜沉积系统包括控制系统，所述控制系统与所述溅射源、所述电子束蒸发源以及所述动作机构电气连接。
一种采用上述的薄膜沉积系统的镀膜方法，包括：通过所述动作机构驱动所述固定架运动至所述第一位置；通过所述溅射源对待镀膜的芯片进行离子轰击获得第一镀膜层；通过所述动作机构驱动所述固定架运动至所述第二位置；通过所述电子束蒸发源在待镀膜的芯片上的第一镀膜层上进行快速沉积以形成第二镀膜层。
一种薄膜沉积系统及镀膜方法通过设置具有真空腔的真空室、设置在真空腔内的溅射源、设置在真空腔内的电子束蒸发源、固定架、以及动作机构，固定架处于第一位置，溅射源在芯片上形成第一镀膜层，固定架处于第二位置，电子束蒸发源在芯片上形成第二镀膜层；第一镀膜层膜层致密，吸收小，缺陷极少，第一镀膜层与芯片的表面直接接触，可大幅减小COD发生的概率；第二镀膜层在第一镀膜层的基础上镀膜形成，两者结合紧密，不易出现COD，且具有蒸发速率高、镀膜速度快的优点，能有效提高镀膜效率并降低成本；尤其是溅射源与电子束蒸发源置于同一真空腔内，在溅射镀膜完成后，能迅速进行蒸发镀膜，有效隔绝非气密应用场合带来的水汽氧化问题，避免在两道工序转移过程中引起的污染问题，连续且高效的完成镀膜。
附图说明
图1为本申请实施例的电子束蒸发源与固定在固定架上的芯片镀膜的原理示意图，其中，实线箭头表示气态原子的蒸发路径，虚线箭头表示电子束轨迹，本图中省略了溅射源、真空室以及感应器；
图2为本申请实施例的溅射源与固定在固定架上的芯片镀膜的原理示意图，其中，实线箭头表示固体原子的溅射路径，本图中，省略了电子束蒸发源、真空室以及感应器；
图3为芯片的镀膜结构；
图4为本申请实施例的一种薄膜沉积系统的结构示意图，其中，固定架处于第一位置；
图5为图4的俯视图，其中，省略了真空室的顶部壁面、感应探头、旋转盘、以及芯片；
图6为本申请实施例的一种薄膜沉积系统的结构示意图，其中，固定架处于第二位置；
图7为本申请实施例的一种镀膜方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。
在本申请实施例的描述中，“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”方位或位置关系为基于附图4所示的方位或位置关系，需要理解的是，这些方位术语仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
如图1至图7所示，一种薄膜沉积系统，包括：具有真空腔11的真空室1、设置在真空腔11内的溅射源2、设置在真空腔11内的电子束蒸发源3、用于固定待镀膜的芯片9的固定架4、以及动作机构5。
其中，溅射源2包括用于喷出溅射原子的溅射口(未标出)，溅射源2在芯片9上进行溅射镀膜的基本原理是通过激发装置(未标出)激发的荷能离子21轰击特定的靶材22，使靶材22表面的固体原子22a被撞击出来，并沉积在芯片9上形成薄膜；荷能离子21通常可为氩离子(以下简称Ar离子)。
电子束蒸发源3包括用于喷出蒸发原子的喷射口(未标出)。电子束蒸发源3在芯片9上进行蒸发镀膜的基本原理是在高真空条件下，通过电子枪灯丝31发出的电子经过加速聚焦形成电子束，电子束的路径如图1中虚线箭头所示，再经由磁场发生器(未标出)生成的磁场32偏转入射到坩埚33内的镀膜材料33a上将其加热，并使之变为气态原子34从喷射口喷出并沉积在芯片9上形成薄膜，气态原子34的路径如图1中实线箭头所示。
溅射源2与电子束蒸发源3应错开设置以防止两者干涉。具体地，如图4和图5所示，沿第一方向的投影，溅射源2与电子束蒸发源3可分别设置在真空腔11的两侧；以避免溅射源2对芯片9镀膜和电子束蒸发源3对芯片9镀膜相互干涉。可以理解的是，真空室1竖立放置，第一方向是重力方向，若真空室1横向放置，第一方向可以是真空室1的轴向。
固定架4活动设置在真空腔11上，本处的活动设置可以是旋转、沿直线或者曲线的往复动作。固定架4上设置有用于固定芯片9的安装区(未标出)，安装区可以是凹槽、卡块、或者挡板，芯片9固定在安装区中随着固定架4的动作而处于不同的位置，进而实现溅射源2与电子束蒸发源3分别镀膜。
动作机构5用于驱动固定架4在第一位置和第二位置之间切换。当固定架4处于第一位置，溅射源2的溅射口对准固定架4上的芯片9，固体原子22a从溅射口喷出并沉积在芯片9上形成第一镀膜层91；当固定架4处于第二位置，电子束蒸发源3的喷射口对准固定架4上的芯片9，气态原子34从喷射口喷出并沉积在芯片9上形成第二镀膜层92。
通常，薄膜沉积系统可包括真空泵(未标出)，真空泵与真空腔11连通，从而实现对真空室11的抽真空，以完成对芯片9的镀膜功能。
具体地工作过程，如图1至图6所示，在真空室11达到预设真空度后，通过动作机构5驱动固定架4动作至第一位置，启动溅射源2，关闭电子束蒸发源3；通过溅射源2对待镀膜的芯片9进行离子轰击获得第一镀膜层91。第一镀膜层91膜层致密，吸收小，缺陷极少，第一镀膜层91与芯片9的表面直接接触，可大幅减小COD发生的概率；第一镀膜层91根据靶材22的不同以及使用环境的不同可选择为AL2O3层或Si3N4层，第一镀膜层91的膜厚度一般为1～100纳米。
待第一镀膜层91达到预定厚度后，停止溅射源2工作，通过动作机构5驱动固定架4动作至第二位置，启动电子束蒸发源3，电子束蒸发源3喷出的气态原子34在第一镀膜层91上进行快速沉积形成第二镀膜层92，第二镀膜层92根据镀膜材料33a的不同以及使用环境的不同可选择为SiO2层或TiO2层，第二镀膜层92的膜厚度一般可为100～900纳米，第二镀膜层92在第一镀膜层91的基础上镀膜形成，两者结合紧密，不易出现COD，电子束蒸发源3具有蒸发速率高、镀膜速度快的优点，因此由电子束蒸发源3在第一镀膜层91的基础上直接镀膜形成第二镀膜层92，能有效提高镀膜效率；同时，相对于第一镀膜层91的材料，第二镀膜层92的材料成本更低，在保证质量的前提下能有效降低镀膜成本。
可以理解的是，本申请实施例的薄膜沉积系统可兼具电子束蒸发源3的蒸发镀膜功能和溅射源2的溅射镀膜两种功能，将溅射源2与电子束蒸发源3置于同一真空腔11内，在溅射镀膜完成后，能迅速进行蒸发镀膜，有效隔绝非气密应用场合带来的水汽氧化问题，避免在两道工序转移过程中引起的污染问题，从而连续且高效的完成镀膜，最终提升高速率半导体激光器芯片的可靠性。
当然，在本申请实施例的薄膜沉积系统中，电子束蒸发源3的蒸发镀膜功能和溅射源2的溅射镀膜两种功能也可用于独立试验，做到一机多用，使用灵活，降低企业的装备成本。
溅射源2可为磁控溅射源、离子束溅射源或者电子回旋共振反应溅射源；位置、原理相类似或者相同，只要能保证电子束蒸发源3的蒸发镀膜功能和溅射源2的溅射镀膜在真空腔11内连续镀制完成即可。
一种可能的实施方式，溅射源2与固定架4的安装区的距离，小于电子束蒸发源3与固定架4的安装区的距离。也即是，如图4和图6所示，沿第一方向，固定架4、溅射源2、电子束蒸发源3的高度依次降低。具体地，根据不同镀膜方案的工艺条件，固定架4通常可以设置在真空腔11的上部，溅射源2可设置在真空腔11的中部，以使得溅射源2的溅射口能尽量靠近固定架4上的芯片9，以使得第一镀膜层91膜层致密且缺陷少。电子束蒸发源3可设置在真空腔11的底部，即电子束蒸发源3与溅射源2高低安装，保证了二者距离芯片9的正常工作距离。
一种可能的实施方式，如图4和图6所示，薄膜沉积系统包括设置在真空腔11内的感应探头6，感应探头6能够检测固定架4上的芯片9的镀膜厚度。通常感应探头6可为石英晶振膜厚监测探头，将感应探头6固定在真空室1的内壁面上，或者将感应探头6固定在固定架4的旋转盘42(下文提及)的中心位置，当固定架4处于第一位置，感应探头6可以检测芯片9上的第一镀膜层91的厚度，并在达到设定厚度后，溅射源2关闭，完成芯片9上的第一镀膜层91的镀制。
当固定架4处于第二位置，感应探头6可以检测芯片9上的第二镀膜层92的厚度，并在达到设定厚度后，电子束蒸发源3关闭，完成芯片9上的第二镀膜层92的镀制。
一种可能的实施方式，如图3至图6所示，薄膜沉积系统包括设置在真空腔11内的离子辅助源7。
在溅射源2的溅射镀膜与电子束蒸发源3的蒸发镀膜过程中，首先启动离子辅助源7对固定架4上的芯片9的表面进行离子预清洗，以方便后续溅射源2和电子束蒸发源3镀膜。然后启动溅射源2，待第一镀膜层91达到预定厚度后，停止溅射源2工作，通过动作机构5驱动固定架4动作至第二位置，启动电子束蒸发源3，在离子辅助源7的清洗作用下，完成后续第二镀膜层92的沉积。
一种可能的实施方式，如图1所示，薄膜沉积系统包括第一冷却水路81，第一冷却水路81的一端通入电子束蒸发源3，第一冷却水路81的另一端延伸至真空室1的外部，从而控制电子束蒸发源3的温度不至于过热，确保镀膜的进行。真空室11的侧壁上可设置法兰以供第一冷却水路81密封穿过。
一种可能的实施方式，如图1所示，薄膜沉积系统包括第二冷却水路82以及反应气路83；第二冷却水路82的一端通入溅射源2，第二冷却水路82的另一端延伸至真空室1的外部；从而控制溅射源2的温度不至于过热，确保蒸发镀膜的进行。反应气路83的一端通入溅射源2，反应气路83的另一端延伸至真空室1的外部，反应气路83内通入氩气，以方便溅射源2产生荷能离子21，进而确保溅射镀膜的进行。真空室11的侧壁上可设置法兰以供第二冷却水路82和反应气路83密封穿过。
一种可能的实施方式，如图1至图6所示，固定架4包括转轴41以及旋转盘42，转轴41的一端可转动地设置在真空室1的顶部壁面上，转轴41的另一端与旋转盘42固定连接；动作机构5为电机，动作机构5驱动转轴41绕自身轴线进行转动；安装区可设置在旋转盘42朝向溅射源2和电子束蒸发源3的盘面上，以用于固定待镀膜的芯片9。
动作机构5驱动转轴41转动以实现旋转盘42在第一位置与第二位置之间切换，进而带动待镀膜的芯片9位置移动。具体地，动作机构5驱动转轴41转动至第一角度，旋转盘42处于第一位置，溅射源2的溅射口对准旋转盘42上的芯片9。动作机构5驱动转轴41转动至第二角度，旋转盘42处于第二位置，电子束蒸发源3的喷射口对准固定架4上的芯片9。电子束蒸发源3进行镀膜的过程中，可以通过动作机构5持续的驱动旋转盘42匀速转动，以确保电子束蒸发源3对芯片9均匀镀制第二镀膜层92；也可以通过在安装区配置独立的驱动机构，驱动芯片9绕自身轴线进行单独转动，以确保电子束蒸发源3对芯片9均匀镀制第二镀膜层92。
一种可能的实施方式，薄膜沉积系统包括控制系统(未标出)，控制系统与溅射源2、电子束蒸发源3以及动作机构5电气连接，从而方便通过控制系统智能化控制芯片9镀膜的过程。同理，真空泵、离子辅助源7与控制系统电气连接。此外，感应探头6与控制系统信号连接以实时反馈第一镀膜层91和/或第二镀膜层92的厚度，以实现自动化生产。
一种应用上述的薄膜沉积系统进行镀膜的镀膜方法，如图1至图7所示，包括：
S10、通过动作机构5驱动固定架4动作至第一位置。
S20、通过溅射源2对待镀膜的芯片9进行离子轰击获得第一镀膜层。第一镀膜层根据靶材的不同可以是金属过渡层
S30、通过动作机构5驱动固定架4动作至第二位置。
S40、通过电子束蒸发源3在待镀膜的芯片9上的第一镀膜层上进行快速沉积以形成第二镀膜层。
本申请提供的各个实施例/实施方式在不产生矛盾的情况下可以相互组合。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种薄膜沉积系统，其特征在于，包括：
具有真空腔(11)的真空室(1)；
设置在所述真空腔(11)内的溅射源(2)，所述溅射源(2)包括溅射口；
设置在所述真空腔(11)内的电子束蒸发源(3)，所述电子束蒸发源(3)包括喷射口；
固定架(4)，所述固定架(4)活动设置在所述真空腔(11)上，所述固定架(4)上设置有用于固定芯片的安装区；所述溅射源(2)与所述电子束蒸发源(3)错开设置；
以及动作机构(5)，所述动作机构(5)用于驱动所述固定架(4)在第一位置和第二位置之间切换；
当所述固定架(4)处于所述第一位置，所述溅射源(2)的所述溅射口对准所述固定架(4)上的芯片；当所述固定架(4)处于所述第二位置，所述电子束蒸发源(3)的所述喷射口对准所述固定架(4)上的芯片。
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于：所述溅射源(2)与所述固定架(4)的所述安装区的距离小于所述电子束蒸发源(3)与所述固定架(4)的所述安装区的距离。
3.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，所述薄膜沉积系统包括设置在所述真空腔(11)内的感应探头(6)，所述感应探头(6)能够检测所述固定架(4)上的芯片的镀膜厚度。
4.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，所述薄膜沉积系统包括真空泵，所述真空泵与所述真空腔(11)连通。
5.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，所述薄膜沉积系统包括设置在所述真空腔(11)内的离子辅助源(7)，所述离子辅助源(7)用于对所述固定架(4)上的芯片进行离子预清洗。
6.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，所述溅射源(2)为磁控溅射源、离子束溅射源或者电子回旋共振反应溅射源。
7.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，所述薄膜沉积系统包括第一冷却水路(81)，所述第一冷却水路(81)的一端通入所述电子束蒸发源(3)，所述第一冷却水路(81)的另一端延伸至所述真空室(1)的外部。
8.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，所述薄膜沉积系统包括第二冷却水路(82)以及反应气路(83)；
所述第二冷却水路(82)的一端通入所述溅射源(2)，所述第二冷却水路(82)的另一端延伸至所述真空室(1)的外部；所述反应气路(83)的一端通入所述溅射源(2)，所述反应气路(83)的另一端延伸至所述真空室(1)的外部。
9.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，所述固定架(4)包括转轴(41)以及旋转盘(42)，所述转轴(41)的一端可转动地设置在所述真空室(1)的顶部壁面上，所述转轴(41)的另一端与所述旋转盘(42)固定连接；所述安装区设置在所述旋转盘(42)靠近所述溅射源(2)和电子束蒸发源(3)的盘面上；
所述动作机构(5)为电机，所述动作机构(5)驱动所述转轴(41)绕自身轴线进行转动；
所述动作机构(5)驱动所述转轴(41)转动以实现所述旋转盘(42)在所述第一位置与所述第二位置之间切换。
10.根据权利要求1所述的薄膜沉积系统，其特征在于，所述薄膜沉积系统包括控制系统，所述控制系统与所述溅射源(2)、所述电子束蒸发源(3)以及所述动作机构(5)电气连接。
11.一种应用如权利要求1所述的薄膜沉积系统进行镀膜的镀膜方法，其特征在于，包括：
通过所述动作机构(5)驱动所述固定架(4)运动至所述第一位置；
通过所述溅射源(2)对待镀膜的芯片进行离子轰击获得第一镀膜层；
通过所述动作机构(5)驱动所述固定架(4)运动至所述第二位置；
通过所述电子束蒸发源(3)在待镀膜的芯片上的第一镀膜层上进行快速沉积以形成第二镀膜层。
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