CN205016501U - 半导体芯片的表面处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种半导体芯片的表面处理设备，能够在一次真空环境下持续执行多个工艺环节，依次完成半导体芯片双侧表面的处理，生产效率较高，适用于大批量生产。该表面处理系统主要包括相联通的真空工艺腔室和缓冲腔室，从缓冲腔室至真空工艺腔室的传送通道用于传送装载待处理芯片的样品架；所述真空工艺腔室中设置有作业台、样品架支撑装置和多个工艺处理单元，所述样品架支撑装置自作业台下方穿过贯通孔道伸出，并连接水平旋转机构和升降机构以实现样品架支撑装置的水平旋转和垂直升降；在样品架传送到位处还配置有样品架翻转机构，在需要样品架翻转时，样品架与样品架翻转机构配合连接实现驱动样品架翻转。

Description

半导体芯片的表面处理系统

技术领域

本实用新型涉及一种半导体芯片的表面处理系统，尤其适用于半导体激光芯片的表面处理。

背景技术

半导体激光器具有体积小、能量效率高、寿命长、易于调制等优点，其应用范围覆盖了整个光电子学领域，成为当今光电子科学的核心技术。而半导体激光芯片是整个激光产业链的技术核心与源头，是带动整个产业发展的关键。在半导体器件工艺中，表面处理至关重要，决定了器件的性能以及寿命，也是产业发展的主要技术难点。

激光半导体芯片表面态处理主要是针对半导体激光芯片表面态进行优化重整来提高光输出功率和使用寿命。激光表面态处理目的是去除表面沾污，饱和表面悬挂键等不稳定态，或更进一步包括表面改性以更好地符合器件的使用，如提高表面光损伤阈值等。目前激光芯片表面态的处理，主要步骤为表面清洁、钝化和镀膜。表面清洁可以采用湿法处理，去除表面有机吸附和氧化层，也有用干法刻蚀方法来最后增强清洁效果；钝化是为了饱和表面态，增强表面对环境的适应性，目前采用的技术包括液相反应、表面镀保护膜以及一些特殊工艺如掺杂和离子注入等方法；镀膜可以采用物理气相沉积(PVD)等相关方法。所有以上这些方法都要有特定的设备，工艺是分离的，造成工艺衔接时暴露在空气中端面被氧化、水吸附和沾污等问题，导致整体工艺效果不佳，产品输出功率低、寿命短，光学灾变损伤(COMD)阈值较低。

国外也认识到了工艺分离带来的问题，设计了复杂的真空工艺设备，集成了清洗和镀保护膜的真空解离机(VacuumCleaver),该设备包括高真空样品存储腔，高真空解离系统用于芯片在高真空状态下的解离，高真空镀膜系统用于镀制钝化保护膜，以及各系统之间的机械传递装置，因此设备的制造和维护成本极高。此外，该装置系统对钝化膜材料的选择有限，无法兼容不同基底的激光芯片。更重要的是，该装置系统的生产效率极低，不适宜批量化生产。因此，研究新型的能有效优化表面态且适用于大批量生产的表面处理设备对半导体激光器的发展具有重要意义。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种半导体芯片的表面处理设备，能够在一次真空环境下持续执行多个工艺环节，依次完成半导体芯片双侧表面的处理，生产效率较高，适用于大批量生产。

本实用新型的方案如下：

一种半导体芯片的表面处理系统，包括相联通的真空工艺腔室和缓冲腔室，从缓冲腔室至真空工艺腔室的传送通道用于传送装载待处理芯片的样品架，所述样品架的装载部位为贯通结构，使得待处理芯片的上、下表面能够因样品架装载部位的翻转而依次得到处理；所述传送通道上设置有隔离密封阀以实现工作时的真空隔离；

所述真空工艺腔室具有真空泵连接口、进出样品连接口、气源连接口和作业线路接口，其中作业线路接口位于真空工艺腔室的顶部；

所述真空工艺腔室中设置有作业台、样品架支撑装置和多个工艺处理单元，所述作业台与真空工艺腔室的顶部连接固定，作业台在竖直方向上具有与所述作业线路接口位置对应的贯通孔道；所述多个工艺处理单元均固定安装于作业台，相应的控制信号线路经所述作业线路接口引出真空工艺腔室；所述样品架支撑装置自作业台下方穿过贯通孔道伸出，并连接水平旋转机构和升降机构以实现样品架支撑装置的水平旋转和垂直升降；

所述样品架支撑装置在作业台下方具有自动锁定机构，样品架上具有相应的配合部件，使得样品架在传送至真空工艺腔室到位时即被样品架支撑装置锁紧固定，并处于所述多个工艺处理单元的作业区域内；

在样品架传送到位处还配置有样品架翻转机构，样品架上具有相应的配合部件，样品架翻转机构从外部伸入真空工艺腔室内，在需要样品架翻转时，样品架与样品架翻转机构配合连接实现驱动样品架翻转；

所述真空工艺腔室内的底部设置有靶材底座旋转台，靶材底座旋转台上环形分布有多个靶材放置区，靶材上方设置有靶材遮盖装置，需要镀制的靶材能够旋转至位于作业台的正下方的靶材工作区，在靶材工作区的下方设置有射频(RF)电源单元；

所述真空工艺腔室内设有两个气路，一个气路位于样品架的上方，用于通入工艺气体，另一个气路位于靶材工作区的外围，用于通入辅助气体(如惰性气体)。为了使得靶材工作区通入气体充分、均匀，可以在靶材周围环形区域中均匀分布众多小孔作为辅助气体的气路。

基于以上基本方案，本实用新型还作了如下重要的优化设计：

上述作业台是通过作业台支撑装置与真空工艺腔室的顶部安装固定，作业台支撑装置对应于所述贯通孔道提供有用于容置样品架支撑装置的空间，多个工艺处理单元相应的控制信号线路亦在该空间内走线，再经所述作业线路接口引出真空工艺腔室。当然，作业台也可以直接固定安装于真空工艺腔室内的顶部，作业台的贯通孔道直接与作业线路接口相接。

更进一步的，作业台支撑装置和样品架支撑装置整体上构成套管形态，作业台支撑装置作为外管插接固定于真空工艺腔室顶部，样品架支撑装置作为内管穿过作业台支撑装置；所述多个工艺处理单元相应的线路在套管所形成的环形空间内走线。

上述样品架翻转机构沿水平方向伸入真空工艺腔室内，其驱动端与样品架的翻转轴同轴连接或平行相对固定；或者，样品架翻转机构经所述作业线路接口沿竖直方向伸入真空工艺腔室内，通过传动组件与样品架的翻转轴连接。

更进一步的，样品架包括水平的固定框和位于固定框内的转动件，待处理芯片装载于所述转动件上的贯通安装孔内，转动件通过翻转轴与固定框安装连接；样品架在传送到位时，所述固定框与样品架支撑装置配合连接；需要翻转时，固定框与样品架支撑装置脱开，所述样品架翻转机构与样品架的翻转轴连接，带动转动件及其装载的待处理芯片能够相对于固定框翻转运动。其中，固定框内还可以设置平行的至少两个所述转动件。

需要翻转时，样品架由样品架支撑装置的升降机构拖动下移，样品架翻转机构水平方向伸长与样品架的翻转轴配合连接，然后样品架支撑装置的升降机构与样品架脱开并回升，待样品架翻转机构将样品架的转动件翻转后，样品架支撑装置的升降机构再次下移与样品架的固定框配合连接，翻转驱动机构与样品架脱开后缩回，样品架由样品架支撑装置的升降机构拖动上升至所要求的位置。

除了以上样品架结构外，还可以设计为如下形式的无固定框的样品架：样品架为一体件形式的转动件；需要翻转时，样品架翻转机构水平方向伸长与样品架配合连接，样品架支撑装置与样品架脱开，样品架翻转机构沿水平方向继续伸长或回缩使样品架远离作业台，待样品架翻转机构将样品架翻转后，再使样品架回归原位与样品架支撑装置连接。

上述多个工艺处理单元包括样品加热单元、温度检测反馈单元和冷却单元。退火工艺可利用其中的样品加热单元和冷却单元实现。

在样品架支撑装置上设置有偏压单元。最简单的方式，即引入(偏压电源)导线接至样品架支撑装置，样品架本身为导电材质，使得外部控制加电即形成待处理芯片与靶材工作区的偏压电场。

真空工艺腔室的外部配置有机械泵、分子泵和冷泵，机械泵是分子泵和冷泵的初级真空维持泵；所述分子泵和冷泵相互独立进行抽真空，分别连接至位于真空工艺腔室两个不同位置的真空泵连接口；或者也可以分子泵与冷泵串联后连接至一处真空泵连接口。

上述真空工艺腔侧壁还开设实时光学监控窗口，用于接配光学测量设备。

需要强调的是，作业台可置于溅射靶材的上方，也可以倒置结构。倒置结构为等同方案，也应视为本实用新型的保护方案。

本实用新型具有以下优点：

1、能够在一次真空中依次完成半导体芯片双侧表面的物理清洁、化学刻蚀，表面改性、钝化膜镀制和介质膜镀制工艺，实现了无缝连接，克服了现有技术在步骤衔接时不断暴露在大气中，避免了每次工艺衔接过程中腔面被氧化和沾污，极大地提高了半导体激光器的输出功率和使用寿命；同时对真空系统的充分利用，减少了样品进出的操作，有效降低了生产成本，提高了生产效率；

2、样品架可以实现较大面积，可容纳高达300个激光芯片，实现了激光芯片表面处理过程的批量化生产，对推动整个激光芯片产业的发展意义重大。

3、真空系统利用冷泵去除高真空状态下腔室中的水分，降低芯片表面的水吸附，进而有效降低了腔面对红外光的吸收，有助提升芯片的输出功率；

4、腔面清洁过程中可根据需要进行物理清洁和化学刻蚀的多次循环，以保证腔面的氧化物和沾污的彻底清洁；

5、真空腔内的偏压单元可按工艺要求设置不同的偏压值，能有效保证膜层不受损伤的前提下增加膜层的致密性和附着力；

6、真空腔内要完成多次镀膜过程，真空腔内的加热装置和冷却装置使镀膜过程中可随时按照需求进行膜面改性的退火处理；

7、真空腔内样品架翻转装置的设计，可以使芯片在腔内实现样品双端面处理，实现一次真空中依次完成两个端面的处理过程；

8、磁控溅射制备钝化膜，拓宽了对钝化材料的选择性，能够适应不同基底材料的需要，有利于开发多样化产品；

9、本实用新型同样适用于其它半导体芯片(如LED芯片)的表面处理工艺。

附图说明

图1是本实用新型表面处理设备的示意图。

图2是图1中真空腔室内的结构示意图。

图3是本实用新型的主体结构示意图。

图4是图3所示结构增加升降机构的示意图。

图5是本实用新型中样品架的第一种实施例。

图6是本实用新型中样品架的第二种实施例。

图7、图8是本实用新型中样品架的第三种实施例。

图9是本实用新型中翻转执行机构与样品架配合连接的示意图(仰视图)。

附图标号说明：

1-真空工艺腔室；2-真空泵连接口；3-样品架的翻转执行机构；4-靶材；5-靶材底座旋转装置；6-作业台支撑装置；7-样品架的支撑机构；8-作业台；9-样品架；901、911-样品架的固定框；902、912-样品架的转动件(转动框)；903、913-样品架的翻转轴；922-无固定边框转动件；10-观察窗；11-板阀；12-缓冲腔室，13-“套管”密封固定的位置；

14-工艺气体气路；15-辅助气体气路；16-辅助气体混合腔；17-辅助气体出气孔；18-工艺气体混合腔；19-靶材遮盖装置；20-样品架支撑装置的升降机构；21-工艺气体进气孔；22-工艺气体出气孔；23-样品架支撑装置卡爪；24-反光罩(以便将样品均匀加热)；25-加热单元；26-温度检测单元。

具体实施方式

本实用新型的表面处理设备主要包括真空系统、作业台、溅射靶、样品架翻转装置、偏压单元、加热装置、进出料输运机械装置、真空缓冲腔以及工艺控制系统。

真空系统采用机械泵、分子泵和冷泵，所述分子泵和冷泵用于真空工艺腔体的真空控制，分子泵和冷泵通过真空管道和真空阀与真空工艺腔室的真空泵连接口相连接，高真空状态下启动冷泵，降低高真空状态下腔室中的水分，降低芯片表面的水吸附，进而降低表面对红外光的吸收，有效提升芯片的输出功率。

真空泵连接口可设在真空工艺腔室的侧壁、顶部或底部，依真空腔内工艺装置的布局和气流分布而设定；真空泵连接口可根据分子泵和冷泵的不同连接方式开设一个或两个。分子泵和冷泵可相互独立工作进行抽真空，分别位于真空工艺腔室的两个不同位置的真空泵连接口；也可串联后与真空工艺腔室的一个真空泵连接口相连，其连接顺序基本为分子泵-冷泵-真空工艺腔室，也可特殊为冷泵-分子泵-真空工艺腔室。

真空系统的组成部件均进行了防腐处理，以满足化学工艺气体的需要，防止化学刻蚀过程中腐蚀性气体对真空系统的损坏。

作业台位于真空工艺腔室内部，通过作业台支撑装置与真空工艺腔室的顶部相连，作业台可置于溅射靶材的上方，也可以倒置结构。

样品架可在水平方向360度旋转，也可以在垂直方向上升降，可根据要求调整样品架的高度，能够对膜厚，均匀性等处理效果进行调正。

样品架装载待处理的半导体材料。所述作业台支撑装置为中空结构，其横截面形状可为圆形、正方形、长方形或三角形等。

作业台内部装有加热装置、冷却装置和温度反馈装置，按照各不同工艺过程所规定的温度来调控样品温度。加热装置可采用但不局限于电加热或红外灯加热等方式，在每一层薄膜镀制后，均可按工艺选择是否进行退火处理和退火的条件，在真空工艺腔室内可选择性地在完成钝化膜镀制后或多层介质膜镀制后进行退火处理。

偏压单元经由所述作业台支撑装置内部接入样品架。在样品表面进行物理清洁、化学刻蚀和镀制介质膜的工艺过程中启动偏压单元，按工艺要求设置不同的偏压值，以控制膜层的致密性等。

作业台支撑装置与样品架支撑装置的环形空间装有样品加热单元、温度检测反馈单元、偏压单元、冷却装置等的控制信号传输。

样品架翻转装置与样品架相连接，在芯片一端的表面完成物理清洁、化学刻蚀、钝化膜镀制和介质膜镀制后，将样品进行翻转，对另一端表面进行表面处理过程；

样品翻转方式可以视腔体设计的具体情况，可以有至少以下三个具体方案：方案一、样品架通过样品架支撑装置的升降机构下移，样品架翻转机构水平方向伸长与样品架连接固定，样品架支撑装置与样品架脱离上升一定高度，待翻转驱动机构将样品架翻转后，样品架支撑装置下降与样品架连接，翻转驱动机构与样品架脱离后缩回，样品架上升至所要求的位置进行后续工艺见图5；方案二，通过样品翻转驱动机构将样品架中间的局部样品进行翻转见图6；方案三，样品架可以用翻转机构的水平方向的伸缩移出到较大的空间来实现翻转，然后再放回，与样品架支撑装置连接，参见图7-图9。

靶材的底座设有旋转装置，可以放置多个靶材，溅射靶可按照工艺需求和靶材的使用情况进行旋转切换或混合多靶材溅射。

该设备的具体使用方法：

1)确保连接真空工艺腔1和缓冲腔12之间的板阀11处于关闭状态；

2)把待处理的半导体器件，如激光芯片放置于样品架9内；

3)把样品架9放入缓冲室内的样品输送架上，对缓冲腔抽真空至10^-5～-7Torr；

4)打开板阀，把样品架9送入真空工艺腔并固定在作业台8上；

5)关闭板阀11；

6)开启工艺流程菜单，开始工艺流程(菜单允许合成清洁，刻蚀，钝化、镀膜，退火等各类工艺过程。也允许加载各类气体，如Ar,H2,N2，O2,刻蚀气体等，对处理的气压和处理电源功率，时间等可以程控)；

a)清洁：启动加热单元将样品加热至所需温度，向真空工艺腔室通入气体，在偏压电源作用下产生稳定的等离子体，对样品表面进行清洁；

b)刻蚀：调节加热温度，通入气体，开启偏压单元，在偏压电源作用下产生稳定的等离子体，通入腐蚀性气体对样品表面进行刻蚀；

c)钝化：调节加热温度，通入惰性气体，在RF电源或偏压电源作用下产生稳定的等离子体，然后通入钝化反应气体进行钝化处理，反应结束后通过对钝化膜的加热和冷却处理完成退火过程；

d)镀膜：调节加热温度，通入惰性气体，在RF电源作用下产生稳定的等离子体，等离子体轰击靶材进行镀膜，同时开启偏压电源，调节偏压值使膜层在不受损伤的前提下增加其致密性和附着力。

7)完成单面工艺处理后，如需双面处理，可以翻转样品，对另一面进行工艺处理，处理的菜单可以完全不同另外一面。

8)处理完成后，打开板阀，把样品移到缓冲腔；

9)关闭板阀11，对缓冲腔12放气至大气压；

10)取出处理好的样品。

本实用新型在真空腔体内集成了各工艺要求的处理装置，使样品在该设备的一次真空环境下依次完成位于芯片两端的腔面的物理清洁、化学刻蚀、表面改性，腔面钝化膜镀制和介质膜镀制工艺，最大限度的处理掉腔面的表面态或界面态等非辐射复合中心，甚至改变表面能带结构，有效提高激光芯片的输出功率和COMD阈值，增加芯片寿命。

Claims (12)

1.一种半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：包括相联通的真空工艺腔室和缓冲腔室，从缓冲腔室至真空工艺腔室的传送通道用于传送装载待处理芯片的样品架，所述样品架的装载部位为贯通结构，使得待处理芯片的上、下表面能够因样品架装载部位的翻转而依次得到处理；所述传送通道上设置有隔离密封阀以实现工作时的真空隔离；

所述真空工艺腔室具有真空泵连接口、进出样品连接口、气源连接口和作业线路接口，其中作业线路接口位于真空工艺腔室的顶部；

所述真空工艺腔室中设置有作业台、样品架支撑装置和多个工艺处理单元，所述作业台与真空工艺腔室的顶部连接固定，作业台在竖直方向上具有与所述作业线路接口位置对应的贯通孔道；所述多个工艺处理单元均固定安装于作业台，相应的控制信号线路经所述作业线路接口引出真空工艺腔室；所述样品架支撑装置自作业台下方穿过贯通孔道伸出，并连接水平旋转机构和升降机构以实现样品架支撑装置的水平旋转和垂直升降；

所述样品架支撑装置在作业台下方具有自动锁定机构，样品架上具有相应的配合部件，使得样品架在传送至真空工艺腔室到位时即被样品架支撑装置锁紧固定，并处于所述多个工艺处理单元的作业区域内；

在样品架传送到位处还配置有样品架翻转机构，样品架上具有相应的配合部件，样品架翻转机构从外部伸入真空工艺腔室内，在需要样品架翻转时，样品架与样品架翻转机构配合连接实现驱动样品架翻转；

所述真空工艺腔室内的底部设置有靶材底座旋转台，靶材底座旋转台上环形分布有多个靶材放置区，靶材上方设置有靶材遮盖装置，需要镀制的靶材能够旋转至位于作业台的正下方的靶材工作区，在靶材工作区的下方设置有射频(RF)电源单元；

所述真空工艺腔室内设有两个气路，一个气路位于样品架的上方，用于通入工艺气体，另一个气路位于靶材工作区的外围，用于通入辅助气体。

2.根据权利要求1所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：所述作业台是通过作业台支撑装置与真空工艺腔室的顶部安装固定，作业台支撑装置对应于所述贯通孔道提供有用于容置样品架支撑装置的空间，多个工艺处理单元相应的控制信号线路亦在该空间内走线，再经所述作业线路接口引出真空工艺腔室。

3.根据权利要求2所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：所述作业台支撑装置和样品架支撑装置整体上构成套管形态，作业台支撑装置作为外管插接固定于真空工艺腔室顶部，样品架支撑装置作为内管穿过作业台支撑装置；所述多个工艺处理单元相应的线路在套管所形成的环形空间内走线。

4.根据权利要求1所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：所述样品架翻转机构沿水平方向伸入真空工艺腔室内，其驱动端与样品架的翻转轴同轴连接或平行相对固定；或者，样品架翻转机构经所述作业线路接口沿竖直方向伸入真空工艺腔室内，通过传动组件与样品架的翻转轴连接。

5.根据权利要求4所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：所述样品架包括水平的固定框和位于固定框内的转动件，待处理芯片装载于所述转动件上的贯通安装孔内，转动件通过翻转轴与固定框安装连接；样品架在传送到位时，所述固定框与样品架支撑装置配合连接；需要翻转时，固定框与样品架支撑装置脱开，所述样品架翻转机构与样品架的翻转轴连接，带动转动件及其装载的待处理芯片能够相对于固定框翻转运动。

6.根据权利要求5所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：所述固定框内设置有平行的至少两个所述转动件。

7.根据权利要求5或6所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：需要翻转时，样品架由样品架支撑装置的升降机构拖动下移，样品架翻转机构水平方向伸长与样品架的翻转轴配合连接，然后样品架支撑装置的升降机构与样品架脱开并回升，待样品架翻转机构将样品架的转动件翻转后，样品架支撑装置的升降机构再次下移与样品架的固定框配合连接，翻转驱动机构与样品架脱开后缩回，样品架由样品架支撑装置的升降机构拖动上升至所要求的位置。

8.根据权利要求4所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：所述样品架为一体件形式的转动件；需要翻转时，样品架翻转机构水平方向伸长与样品架配合连接，样品架支撑装置与样品架脱开，样品架翻转机构沿水平方向继续伸长或回缩使样品架远离作业台，待样品架翻转机构将样品架翻转后，再使样品架回归原位与样品架支撑装置连接。

9.根据权利要求1所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：所述多个工艺处理单元包括样品加热单元、温度检测反馈单元和冷却单元。

10.根据权利要求1所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：在样品架支撑装置上设置有偏压单元。

11.根据权利要求1所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：真空工艺腔室的外部配置有机械泵、分子泵和冷泵，机械泵是分子泵和冷泵的初级真空维持泵；所述分子泵和冷泵相互独立进行抽真空，分别连接至位于真空工艺腔室两个不同位置的真空泵连接口；或者分子泵与冷泵串联后连接至一处真空泵连接口。

12.根据权利要求1所述的半导体芯片的表面处理系统，其特征在于：所述真空工艺腔侧壁开设实时光学监控窗口，用于接配光学测量设备。