[发明专利]集紫外光化学与化学气相干法表面处理的真空设备

说明书

技术领域

本发明涉及材料的干法表面处理技术，更具体地说，涉及一种集紫外光化学与化学气相表面清洗与改性的真空设备。

背景技术

紫外光化学表面处理技术能够有效清除大多数金属、半导体和绝缘材料的有机污染物，并实现金属、半导体和碳族元素等材料的改性，在材料生长、表面改性和器件制备等基础科研和产业应用领域发挥着重要的作用。这项技术起源于二十世纪七十年代，它最初为紫外光照射空气或氧气，并逐步发展为真空紫外清洗技术以进一步降低空气中水汽、二氧化氮等气体对光化学反应的影响；在规模上也从最初的小功率基片清洗设备向大功率自动传输清洗设备发展。这种紫外光照清洗设备主要是基于低压汞灯能发射出主要波长位于184.9nm和253.7nm的紫外光，氧气在这两种紫外光的照射下生成氧原子和臭氧，并与处于激发态的有机分子发生光化学反应，生成水和二氧化碳等物质，达到表面清洗的目的。

紫外光化学表面处理对基底具有清洗效应。但是，这种表面清洗仅仅是针对于表面几十纳米的有机污染物。当样品基底表面存在较厚层的有机污染物时，我们通常首先采用有机化学试剂湿法去除基底表面的有机污染物，然后再采用干法表面处理来去除表面残留的痕量有机污染物。以石墨烯材料以及纳米光电子器件为例，我们知道无论是利用胶带剥离的方法还是利用光刻胶转移到一定基底上的石墨烯，其制备过程中都不可避免的带来有机污染物。对于这些有机物的清除，我们通常是采用化学气相反应技术，即将样品放入约300摄氏度的退火炉中，同时通入一定流量的气体，如Ar和H₂，并维持两个小时以上的反应时间。这种化学气相热处理由于反应很弱，它基本上是依靠气流将挥发的有机物带走，因而持续时间长，花费高，而且对环境造成很大污染。令人遗憾的是，这种方法处理的石墨烯表面依然会存在大量的污染物，西班牙加泰罗尼亚纳米技术研究所Joel Moser博士等人为解决这一问题，提出了通过对电子元件施加瞬时大电流产生焦耳热来清洗元件，得到了广泛的应用。但是，这种对电子元件施加瞬间大电流产生焦耳热来进行纳米电子器件的清洗也有诸多局限性：1.这种电流焦耳热的清洗方法仅仅适用于电子元件，而不适用于电子元件之外的其它材料和纳米器件。2.这种电流焦耳热的清洗方法仅仅是针对某一特定的石墨烯纳米电子器件进行清洗，而并非整块基底。

我们知道，紫外光化学反应不仅具有清洗效应，氧原子的强氧化性还能够进一步将一些金属材料（譬如银、铝等）氧化或者对碳族材料（如石墨烯、碳纳米管等）进行载流子掺杂以及刻蚀效应，实现材料改性。有效控制紫外光化学反应的进程，即将反应控制在氧原子与残留有机污染物的反应层面上对于样品的清洗以及改性至关重要。将这种光化学反应与化学气相反应两种技术结合起来，我们可以降低化学气相反应技术持续时间长、清洗效果较差等不利因素，达到有效清除材料和纳米光电子器件表面污染物目的，并可以节约成本，降低对周围环境的污染。

我们在之前申请的专利（名称：集紫外光/臭氧表面处理与电学性质原位测试的真空设备）中提出了紫外光化学反应的双腔室结构真空设备，从而有效控制光化学反应的进程。本发明在此设计的基础上，将紫外光化学反应与化学气相反应两种技术结合起来，精确控制样品干法清洗以及表面改性的进程。为此，本发明需满足更高或者更为特殊的要求，即必须考虑紫外光化学表面处理与化学气相表面处理两种技术的兼容。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种集紫外光化学与化学气相干法表面处理真空设备，克服已有干法表面改性技术中存在的问题，实现一种集紫外光化学和化学气相清洗于一体的真空设备，其可以准确控制光化学和化学气相反应进程，有效实现材料和器件在同一设备中的原位、干法清洗，本发明在材料和纳米光电子器件的表面处理领域具有重要价值。

根据本发明的一个方面，提供一种集紫外光化学与化学气相干法表面处理的真空设备，主要由真空腔室、紫外光源系统、真空泵系统和真空控制系统组成，其中，所述紫外光源系统包括相连接的紫外灯控制电源和紫外灯管，所述真空腔室包括外腔室和内腔室，所述外腔室内安装有所述紫外灯管，所述内腔室内设置有所述样品台、加热装置和水冷装置，所述内腔室还设置有气体输入端口、气体输出端口，所述气体输入端口连接有氧气存储装置、氮气存储装置、氩气存储装置、氢气存储装置，能够实现化学气相表面处理，所述紫外灯管发射的光通过所述内腔室的石英窗口，照射到所述样品台上，所述内腔室充有一定压强的氧气，该氧气经过紫外光照射后生成臭氧和氧原子，对所述样品台上的样品表面进行干法清洗；所述真空泵系统和真空控制系统用于产生并控制真空腔室内的真空度。