CN112284634B - 一种基于石墨烯的标准漏孔及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯的标准漏孔及制备方法，用以解决现有技术中检漏系统校准时漏率不稳定、存在泄漏的问题。所述基于石墨烯的标准漏孔包括气源室、渗氦组件和金属刀口法兰，渗氦组件包括渗透部和固定部，气源室与渗透部一侧连通，渗透部另一侧与待校准检漏系统的真空室连通，且两侧连通处均通过金属刀口法兰密封；渗透部依次由垂直于固定部的压力侧石英玻璃、铜箔、石墨烯薄膜和真空侧石英玻璃贴合组成；石墨烯薄膜为多孔或有缺陷的石墨烯；铜箔的压力侧贴合有石墨烯薄膜，真空侧具有化学腐蚀形成的通孔。本发明消除了漏孔的气体泄漏，提高了漏率的稳定性；且漏率达10^{‑ 14}Pa·m³/s，提高了质谱检漏的校准准确度和精度。

Description

一种基于石墨烯的标准漏孔及制备方法

技术领域

本发明属于真空检测领域，具体涉及一种基于石墨烯的标准漏孔及制备方法。

背景技术

质谱检漏技术是微电子元器件密封测试中应用最广泛的一种高灵敏度、超高灵敏度检漏技术，质谱检漏仪及质谱检漏系统具有检漏灵敏度高但长期稳定性差的特点。质谱检漏方法的漏率测量结果，不仅与硬件设备的技术指标有关，还与真空度、环境本底、真空系统的分流比和设备运行状态等因素有关。因此，采用质谱检漏方法对产品进行定量检漏，在每个产品的每次检漏过程中都要用标准漏孔对检漏系统进行校准，从而获得被测产品的准确漏率值。对于真空检漏系统，为了避免系统的线性误差给检漏结果带来的影响，要求标准漏孔的漏率与被测漏率大小相当。

目前，常用的金属压扁型标准漏孔和玻璃-铂丝型标准漏孔，其最优漏孔极限值比现有的超灵敏度检漏技术的检测极限大三个量级，造成了测试结果无法校准，直接影响到了微电子器件的可靠性。因此，基于石墨烯或氧化石墨烯的气体渗透和分离研究，出现了利用石墨烯或氧化石墨烯的缺陷制作的标准漏孔。当通过人工干预，去除掉石墨烯薄膜上部分原子时，就形成了具有缺陷的石墨烯薄膜或者多孔状的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜由于存在分子尺度的孔隙，气体通过石墨烯薄膜时，因为尺寸歧视效应，仅能允许分子直径小于石墨烯孔隙的气体以一定的速率通过，实现了气体渗透率大小的控制；同时，石墨烯具有较大的承压能力，有效减小仪器校准时的误差。

但是，现有技术中，石墨烯标准漏孔的制备工艺复杂，无法实现批量化生产；同时由于石墨烯缺陷制备过程中对薄膜本身的影响，所制备的石墨烯标准漏孔密封性较差，漏率不稳定。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种基于石墨烯的标准漏孔及制备方法，所述标准漏孔以石墨烯薄膜作为核心渗透元件，石墨烯覆盖在铜箔上，铜箔粘贴在石英玻璃上，石英玻璃和可伐合金连接在一起，通过钴的加入降低可伐合金膨胀系数，适合于和石英玻璃作匹配封接；封接时表面生成有氧化钴的氧化层，确保石英、铜箔和可伐合金之间的良好密封，实现极小且稳定的漏率，提高质谱检漏的校准准确度和精度。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于石墨烯的标准漏孔，所述基于石墨烯的标准漏孔，包括气源室、压力侧金属刀口法兰、渗氦组件和真空侧金属刀口法兰；其中，

所述渗氦组件包括渗透部和固定部，压力侧金属刀口法兰和真空侧金属刀口法兰分别位于所述渗氦组件的两侧，与固定部密封连接；

所述气源室与渗氦组件的渗透部一侧连通，连通处通过压力侧金属刀口法兰密封；所述渗氦组件的渗透部另一侧与待校准检漏系统的真空室连通，连通处通过真空侧金属刀口法兰密封；

所述渗氦组件的渗透部依次由垂直于固定部的压力侧石英玻璃、铜箔、石墨烯薄膜和真空侧石英玻璃贴合组成；所述石墨烯薄膜为多孔石墨烯或有缺陷的石墨烯；铜箔的压力侧贴合有石墨烯薄膜，真空侧具有化学腐蚀形成的通孔。

上述方案中，所述渗氦组件的固定部为可伐合金，设置在渗透部的两端并对渗透部的两端进行密封。

上述方案中，所述可伐合金为铁、镍、钴的合金，膨胀系数与石英玻璃膨胀系数差异小于阈值。

上述方案中，所述石英玻璃、铜箔和可伐合金之间具有氧化钴封接面。

上述方案中，所述石墨烯采用化学气相沉积法CVD在铜箔的压力侧上进行镀覆。

上述方案中，所述铜箔真空侧通孔的直径为150～220nm。

上述方案中，所述气源室提供稳定流量的氦气。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于石墨烯的标准漏孔制备方法，所述基于石墨烯的标准漏孔制备方法，包括如下步骤：

步骤S1，以铜箔为基底，将铜箔两侧随机分为压力侧和真空侧，在压力侧镀覆多孔石墨烯或缺陷石墨烯薄膜；

步骤S2，对铜箔的真空侧进行化学腐蚀，形成具有预定孔径的通孔；

步骤S3，在铜箔的两侧粘贴石英玻璃，形成依次粘贴压力侧石英玻璃层、石墨烯薄膜层、铜箔层和真空侧石英玻璃层的渗氦组件渗透部；

步骤S4，在渗氦组件渗透部的两端焊接可伐合金，将两端进行密封，形成渗氦组件；

步骤S5，在压力侧石英玻璃外设置气源室，气源室出口垂直连通于压力侧石英玻璃；气源室与压力侧石英玻璃通过压力侧金属刀口法兰密封，且法兰刀口密封于可伐合金的一侧上；

步骤S6，真空室与真空侧石英玻璃通过真空侧金属刀口法兰密封，且法兰刀口密封于可伐合金的另一侧上，制得基于石墨烯的标准漏孔。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明基于石墨烯的标准漏孔，漏率为10-¹⁴Pa·m³/s量级，具有漏率极小的优点，为超灵敏度检漏的质谱检漏提供校准装置，提高质谱检漏仪器的校准准确度和精度；

2.本发明提供的基于石墨烯的标准漏孔制备方法，更好的实现对标准漏孔的封装，有效的消除了气体从石墨烯边缘或者石墨烯支撑材料边缘泄漏，提高漏率的稳定性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施方式中基于石墨烯的标准漏孔制备方法流程图；

图2是本发明实施方式中基于石墨烯的标准漏孔结构示意图；

图3是图2中渗氦组件的结构放大示意图。

附图标记说明：

1、气源；2、金属法兰；3、渗氦组件；31、可伐合金；32、石英玻璃；33、石墨烯薄膜；34、铜箔；35、石英玻璃；4、金属法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施方式中基于石墨烯的标准漏孔制备方法流程图。如图1所示，所述基于石墨烯的标准漏孔制备方法，包括如下步骤：

步骤S1，以铜箔为基底，将铜箔两侧随机分为压力侧和真空侧，在压力侧镀覆多孔石墨烯或缺陷石墨烯薄膜。

本步骤中，采用化学气相沉积法CVD镀覆石墨烯薄膜。

步骤S2，对铜箔的真空侧进行化学腐蚀，形成具有预定孔径的通孔。所述预定孔径，与石墨烯薄膜的孔径或缺陷大小相对应。优选地，所述预定孔径为150～220nm。

步骤S3，在铜箔的两侧粘贴石英玻璃，形成依次粘贴压力侧石英玻璃层、石墨烯薄膜层、铜箔层和真空侧石英玻璃层的渗氦组件渗透部。

步骤S4，在渗氦组件渗透部的两端焊接可伐合金，将两端进行密封，形成渗氦组件。

本步骤中，可伐合金可以作为渗氦组件的固定部，不仅固定并密封渗氦组件的渗透部，同时用于渗氦组件与金属刀口法兰间的固定和密封。

步骤S5，在压力侧石英玻璃外设置气源室，气源室出口垂直连通于压力侧石英玻璃；气源室与压力侧石英玻璃通过压力侧金属刀口法兰密封，且法兰刀口密封于可伐合金的一侧上；

步骤S6，真空室与真空侧石英玻璃通过真空侧金属刀口法兰密封，且法兰刀口密封于可伐合金的另一侧上。

其中，步骤S5和步骤S6间并没顺序关系。

完成密封后，形成基于石墨烯的标准漏孔。

图2是本发明实施方式中基于石墨烯的标准漏孔结构示意图。如图2所示，所述基于石墨烯的标准漏孔，包括气源室1、压力侧金属刀口法兰2、渗氦组件3和真空侧金属刀口法兰4；其中，所述渗氦组件3包括渗透部和固定部，压力侧金属刀口法兰2和真空侧金属刀口法兰4分别位于所述渗氦组件3的两侧，与固定部密封连接；所述气源室1与渗氦组件3的渗透部一侧连通，连通处通过压力侧金属刀口法兰2密封；所述渗氦组件3的渗透部另一侧与待校准检漏系统的真空室连通，连通处通过真空侧金属刀口法兰4密封。

如图3所示，所述渗氦组件3的固定部为可伐合金31，设置在渗透部的两端并对渗透部的两端进行密封；渗透部依次由垂直于固定部的压力侧石英玻璃32、石墨烯薄膜33、铜箔34和真空侧石英玻璃35贴合组成；所述石墨烯薄膜33为多孔石墨烯或有缺陷的石墨烯；铜箔34的压力侧贴合有石墨烯薄膜33，真空侧具有化学腐蚀形成的通孔。覆有石墨烯薄膜33的铜箔34粘贴在石英玻璃32、35上，石英玻璃32、35与固定部的可伐合金31固定在一起，以可伐合金31、石英玻璃32、35、铜箔34形成对石墨烯的支撑，保证了基于石墨烯的渗氦元件的机械强度。

如上所述，优选地，所述作为固定部的可伐合金31，为铁、镍、钴的合金，含镍29％、钴18％，其余是铁。所述可伐合金31的膨胀系数由于钴的加入而降低，与石英玻璃相近，适合与石英玻璃作匹配封接。封接时接触表面生成有氧化钻的氧化层，氧化钴极易溶于玻璃中而形成鼠灰色的封接面，这样能确保石英玻璃、铜箔和可伐合金之间的良好密封。这里的封接，采用焊接方式。

通过压力侧金属刀口法兰2和真空侧金属刀口法兰4，夹住可伐合金31，以金属密封的形式封接，确保气源室1中的示漏气体依次通过石英玻璃、石墨烯、石英玻璃向检漏系统的真空室中渗透。

优选地，所述石墨烯采用CVD的方法在铜箔的压力侧上生长，对没有石墨烯薄膜的真空侧的铜箔采用化学腐蚀的方法，在铜箔上打孔，形成通孔。优选地，所述通孔的直径为150～220nm。

本实施方式中所述的密封，均为真空密封，连接处无气体泄漏。所述气源室提供稳定流量的氦气。

当采用本实施方式基于石墨烯的标准漏孔对检漏系统进行校准时，将真空侧石英玻璃35与检漏系统的真空室连通后，气源室1释放稳定流量的氦气气源，作为示漏气体。示漏气体仅能从压力侧石英玻璃32扩散出来，以垂直方向渗透到石墨烯类薄膜33上，石墨烯类薄膜33是多孔石墨烯薄膜或者具有缺陷的石墨烯薄膜，能够阻挡大部分的示漏气体通过，仅有极小的流量通过，再经过铜箔34的通孔，再次渗透过真空侧石英玻璃35，从金属法兰4流出，进入待校准检漏系统的真空室，从而保证了标准漏孔流出的示漏气体均是气源1中的气体。压力侧石英玻璃32和真空侧石英玻璃35在环境不变的情况下，渗透率是稳定的，石墨烯薄膜33在制备完成后，便具有了恒定的流导，从而保证在气源1中示漏气体压力稳定时，标准漏孔能够输出恒定的流量。

由以上技术方案可以看出，本发明实施方式提供的基于石墨烯的标准漏孔及制备方法，能够制备漏率在10-¹⁴Pa·m³/s量级的标准漏孔，采用的金属刀口密封形式，能够有效的减小从石墨烯薄膜边缘或者渗透材料边缘泄漏出来的气体对标准漏率的影响。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的标准漏孔，其特征在于，所述基于石墨烯的标准漏孔，包括气源室、压力侧金属刀口法兰、渗氦组件和真空侧金属刀口法兰；其中，

所述渗氦组件包括渗透部和固定部，压力侧金属刀口法兰和真空侧金属刀口法兰分别位于所述渗氦组件的两侧，与固定部密封连接；所述渗氦组件的固定部为可伐合金，设置在渗透部的两端并对渗透部的两端进行密封，且所述可伐合金为铁、镍、钴的合金，膨胀系数与石英玻璃膨胀系数差异小于阈值；

所述气源室与渗氦组件的渗透部一侧连通，连通处通过压力侧金属刀口法兰密封；所述渗氦组件的渗透部另一侧与待校准检漏系统的真空室连通，连通处通过真空侧金属刀口法兰密封；

所述渗氦组件的渗透部依次由垂直于固定部的压力侧石英玻璃、铜箔、石墨烯薄膜和真空侧石英玻璃贴合组成；所述石墨烯薄膜为多孔石墨烯或有缺陷的石墨烯；铜箔的压力侧贴合有石墨烯薄膜，真空侧具有化学腐蚀形成的通孔。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的标准漏孔，其特征在于，所述石英玻璃、铜箔和可伐合金之间具有氧化钴封接面。

3.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯的标准漏孔，其特征在于，所述石墨烯采用化学气相沉积法CVD在铜箔的压力侧上进行镀覆。

4.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯的标准漏孔，其特征在于，所述铜箔真空侧通孔的直径为150～220nm。

5.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯的标准漏孔，其特征在于，所述气源室提供稳定流量的氦气。

6.一种制备权利要求1所述的标准漏孔的方法，其特征在于，所述基于石墨烯的标准漏孔制备方法，包括如下步骤：

步骤S1，以铜箔为基底，将铜箔两侧随机分为压力侧和真空侧，在压力侧镀覆多孔石墨烯或缺陷石墨烯薄膜；

步骤S2，对铜箔的真空侧进行化学腐蚀，形成具有预定孔径的通孔；

步骤S3，在铜箔的两侧粘贴石英玻璃，形成依次粘贴压力侧石英玻璃层、石墨烯薄膜层、铜箔层和真空侧石英玻璃层的渗氦组件渗透部；

步骤S4，在渗氦组件渗透部的两端焊接可伐合金，将两端进行密封，形成渗氦组件；

步骤S5，在压力侧石英玻璃外设置气源室，气源室出口垂直连通于压力侧石英玻璃；气源室与压力侧石英玻璃通过压力侧金属刀口法兰密封，且法兰刀口密封于可伐合金的一侧上；

步骤S6，真空室与真空侧石英玻璃通过真空侧金属刀口法兰密封，且法兰刀口密封于可伐合金的另一侧上，制得基于石墨烯的标准漏孔。

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