CN105180986B - 一种样品测试/处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种样品测试/处理装置，能够解决现有技术***复杂、庞大以及效率较低的问题。该样品测试/处理装置，包括基础结构件、作业台、样品架、样品架支撑机构、控制器和多个工艺处理单元，其中基础结构件、作业台、样品架自上而下依次布置；所述样品架支撑机构用于配合连接并锁紧样品架；所述多个工艺处理单元均固定安装于作业台，作业台与基础结构件连接固定，基础结构件上设置有统一的作业线路连接口，作业台在竖直方向上具有与所述作业线路连接位置对应的贯通孔道；所述样品架支撑机构自作业台下方穿过所述贯通孔道伸出，并连接有水平旋转驱动机构和升降驱动机构以实现样品架支撑机构的水平旋转和垂直升降功能。

Description

一种样品测试/处理装置

技术领域

本发明涉及一种用于测试或处理样品的装置，能够用于对各种样品进行表面测试和翻面处理。

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，主要涉及表面清洁、钝化和镀膜等。

考虑到样品处理工艺的多样性和精密性，目前主要采用不同工艺装置在车间内进行流水作业的方式，因此，整个***较为复杂、庞大，也增加了各工艺装置之间相互配合的难度。因此，亟需一种能够综合完成多个工艺环节的装置，优化***整体架构。实际上，这不仅是半导体激光芯片处理的需求，LED芯片、机械零部件(小元件)、以及化学材料等测试或处理也都希望尽可能简化装置、提高效率。

对于半导体芯片的表面处理，样品通常需要置于样品架安装固定，而样品架本身也是悬空设置，通过支撑结构固定，对样品进行处理的工艺单元通常位置恒定，因此，当要求对样品的两面均作处理时，还特别需要样品架能够进行翻转并保持待处理表面与工艺单元的相对位置不变。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种样品测试/处理装置，能够解决现有技术***复杂、庞大以及效率较低的问题。

本发明的方案如下：

一种样品测试/处理装置，包括基础结构件(例如真空腔的顶壁)、作业台、样品架、样品架支撑机构、控制器和多个工艺处理单元，其中基础结构件、作业台、样品架自上而下依次布置；所述样品架用于装载待处理样品，所述样品架支撑机构用于配合连接并锁紧样品架，使得样品架处于作业台下方的作业区域；所述多个工艺处理单元均固定安装于作业台，作业台与基础结构件连接固定，基础结构件上设置有统一的作业线路连接口，作业台在竖直方向上具有与所述作业线路连接位置对应的贯通孔道；所述样品架支撑机构自作业台下方穿过所述贯通孔道伸出，并连接有水平旋转驱动机构和升降驱动机构以实现样品架支撑机构的水平旋转和垂直升降功能。

以上方案中提到的“自上而下”、“水平”、“竖直”是考虑到相对位置关系所作的限定，并非绝对限制实际的空间位置。以上所述的基础结构件可以有不同的结构形式，如果样品测试/处理要求封闭的真空环境，则例如真空腔的顶壁、盖板等；如果允许开放空间，则例如固定支架、基座等。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

上述作业台是通过作业台支撑机构与基础结构件安装固定，作业台支撑机构对应于所述贯通孔道提供用于容置样品架支撑机构的空间，所述多个工艺处理单元相应的电气线路亦在该空间内走线。或者，作业台也可以直接与基础结构件的底面接触固定。

上述作业台支撑机构和样品架支撑机构整体上构成套管形态，作业台支撑机构作为外管插接固定于基础结构件，样品架支撑机构作为内管穿过作业台支撑机构，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。

上述样品架支撑机构的下端为卡爪结构以锁紧样品架。

对于半导体芯片双面处理等需求，可以增设一翻转执行机构(位于样品架的水平方向上)，用于配合连接并驱动样品架翻转，由所述控制器协调翻转执行机构和样品架支撑机构对样品架的配合连接。

上述样品架包括水平的固定框和位于固定框内的转动件，转动件上设置有用于装载待处理样品的贯通孔，转动件通过翻转轴与固定框安装连接；样品架位于处理工位时，所述样品架支撑机构与固定框配合连接固定；需要翻转时，所述翻转执行机构的驱动端沿水平方向与样品架的翻转轴同轴连接固定，样品架支撑机构与固定框脱开，使得翻转执行机构能够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。

上述固定框内设置有平行的至少两个所述转动件。

样品架需要翻转时，升降驱动机构带动样品架支撑机构及其固定的样品架下移，翻转执行机构水平方向伸长与样品架的翻转轴配合连接，然后样品架支撑机构与样品架脱开并回升，待翻转执行机构将样品架的转动件翻转后，样品架支撑机构再次下移与样品架的固定框配合连接固定，翻转执行机构与样品架脱开后缩回，样品架支撑机构以及样品架上升至所要求的位置。

除了以上样品架结构外，还可以设计如下形式的无固定框的样品架：即样品架是一体件形式的转动件，需要翻转时，翻转执行机构水平方向伸长与样品架配合连接固定，样品架支撑机构与样品架脱开，翻转执行机构沿水平方向继续伸长或回缩从而拖动样品架远离样品架支撑机构的投影位置，待翻转执行机构驱动样品架翻转后，再拖动样品架回归原位重新与支撑机构连接固定。

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；在样品架支撑机构上安装有偏压单元，使得当样品架支撑机构配合锁紧样品架时能够按照工艺需求对样品架施加偏压。

退火工艺可利用其中的样品加热单元和冷却单元实现。而偏压单元的设计，可以充分利用以上整体结构，简单引入(偏压电源)导线接至样品架支撑机构，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。

本发明具有以下优点：

1、***结构简明、紧凑，能够在同一环境下进行多个工艺处理，提高效率。

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、可以使芯片在同一环境下快速进行双面处理，而不影响其他功能部件的布局和使用；尤其对于半导体芯片的处理，避免了因转移环境带来污染的隐患。

4、对于钝化、镀膜等工艺，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。

5、如需完成多次镀膜过程，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。

附图说明

图1是本发明应用在半导体激光芯片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是本发明的主体结构示意图。

图4是图3所示结构增加升降机构的示意图。

图5是本发明中样品架的第一种实施例。

图6是本发明中样品架的第二种实施例。

图7、图8是本发明中样品架的第三种实施例。

图9是本发明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

以下结合附图，以半导体激光芯片表面处理设备方面的应用为例，详细介绍本发明的结构和效果。

本实施例中，真空工艺腔室内部设置作业台，作业台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。

作业台内部装有加热单元、冷却单元和温度反馈单元，按照各不同工艺过程所规定的温度来调控样品温度。加热单元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。

样品架的支撑机构与作业台支撑装置为套管结构，作业台支撑装置与样品架的支撑机构的环形空间用于样品加热单元、温度检测反馈单元、偏压单元、冷却装置等的控制信号走线。

样品架可以在垂直方向上升降，也可增设旋转台带动其在水平方向360度旋转。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。

样品架的翻转执行机构能够与样品架配合连接，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。翻转方式可以视腔体设计的具体情况：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，样品架设计为一体件形式的转动件，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，与样品架的支撑机构重新连接固定，参见图7、图8。

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。

该半导体激光芯片表面处理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，对缓冲腔室12放气至大气压；

10)取出处理好的样品。

该设备能够在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 (9)

1.一种样品测试/处理装置，其特征在于：包括基础结构件、作业台、样品架、样品架支撑机构、控制器和多个工艺处理单元，其中基础结构件、作业台、样品架自上而下依次布置；所述样品架用于装载待处理样品，所述样品架支撑机构用于配合连接并锁紧样品架，使得样品架处于作业台下方的作业区域；所述多个工艺处理单元均固定安装于作业台，作业台与基础结构件连接固定，基础结构件上设置有统一的作业线路连接口，作业台在竖直方向上具有与所述作业线路连接位置对应的贯通孔道；所述样品架支撑机构自作业台下方穿过所述贯通孔道伸出，并连接有水平旋转驱动机构和升降驱动机构以实现样品架支撑机构的水平旋转和垂直升降功能；

所述作业台是通过作业台支撑机构与基础结构件安装固定，作业台支撑机构对应于所述贯通孔道提供用于容置样品架支撑机构的空间，所述多个工艺处理单元相应的电气线路亦在该空间内走线。

2.根据权利要求1所述的样品测试/处理装置，其特征在于：所述作业台支撑机构和样品架支撑机构整体上构成套管形态，作业台支撑机构作为外管插接固定于基础结构件，样品架支撑机构作为内管穿过作业台支撑机构，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。

3.根据权利要求1所述的样品测试/处理装置，其特征在于：所述样品架支撑机构的下端为卡爪结构以锁紧样品架。

4.根据权利要求1所述的样品测试/处理装置，其特征在于：该样品测试/处理装置还包括位于样品架的水平方向上的翻转执行机构，用于配合连接并驱动样品架翻转，由所述控制器协调翻转执行机构和样品架支撑机构对样品架的配合连接。

5.根据权利要求4所述的样品测试/处理装置，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，转动件上设置有用于装载待处理样品的贯通孔，转动件通过翻转轴与固定框安装连接；样品架位于处理工位时，所述样品架支撑机构与固定框配合连接固定；需要翻转时，所述翻转执行机构的驱动端沿水平方向与样品架的翻转轴同轴连接固定，样品架支撑机构与固定框脱开，使得翻转执行机构能够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所述的样品测试/处理装置，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所述的样品测试/处理装置，其特征在于：样品架需要翻转时，升降驱动机构带动样品架支撑机构及其固定的样品架下移，翻转执行机构水平方向伸长与样品架的翻转轴配合连接，然后样品架支撑机构与样品架脱开并回升，待翻转执行机构将样品架的转动件翻转后，样品架支撑机构再次下移与样品架的固定框配合连接固定，翻转执行机构与样品架脱开后缩回，样品架支撑机构以及样品架上升至所要求的位置。

8.根据权利要求4所述的样品测试/处理装置，其特征在于：所述样品架是一体件形式的转动件，需要翻转时，翻转执行机构水平方向伸长与样品架配合连接固定，样品架支撑机构与样品架脱开，翻转执行机构沿水平方向继续伸长或回缩从而拖动样品架远离样品架支撑机构的投影位置，待翻转执行机构驱动样品架翻转后，再拖动样品架回归原位重新与支撑机构连接固定。

9.根据权利要求1所述的样品测试/处理装置，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；在样品架支撑机构上安装有偏压单元，使得当样品架支撑机构配合锁紧样品架时能够按照工艺需求对样品架施加偏压。