專利名稱：一種超高真空多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠?qū)ξ⒓{器件進(jìn)行表面處理、表面修飾，并可進(jìn)行原位機(jī)械及電學(xué)性能表征的超高真空多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
小型化是如今器件發(fā)展的主要趨勢(shì)。利用與集成電路相兼容的微機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electromechanical System,MEMS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的微納器件具有體積小、靈敏度高、集成度高、 成本低和功耗小的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)信息領(lǐng)域中不可或缺的核心器件，因此，微納器件 在全世界范圍受到廣泛的關(guān)注和研究。隨著微納器件的小型化，由于維度和尺度效應(yīng)，器件的比表面積增加，表面效應(yīng)增 強(qiáng)，導(dǎo)致很多與器件尺度相關(guān)的新現(xiàn)象，例如，亞微米或納米尺度諧振器件中，表面損失成 為主要的機(jī)械能量損失源，品質(zhì)因子因表面吸附而明顯降低，吸附與去吸附噪音增大。這些 現(xiàn)象阻礙了微納器件在正常工作環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用。澄清不同微納器件中的表面損失機(jī) 理，通過(guò)修飾表面原子層，鈍化器件中活性較大的感應(yīng)表面，最大程度減小表面損失，對(duì)保 證微納器件在正常工作環(huán)境下穩(wěn)定工作至關(guān)重要。減小表面損失的方法是對(duì)微納器件進(jìn)行表面處理，即在超高真空中(一般P < I(T8Pa)將微納器件瞬間加熱到高溫，如硅基器件，需要加熱到1000°C以上來(lái)去除表面的 有機(jī)物、水和氧化硅吸附物等。另外，如果器件表面活性大，如硅基器件表面含有大量懸掛 鍵，處理后的樣品表面很容易會(huì)被再次污染。因此，需要在可控樣品環(huán)境條件下，通過(guò)表面 修飾來(lái)鈍化器件表面。這種表面效應(yīng)在亞微米或納米尺度諧振器件中非常明顯，表面損失 成為決定器件品質(zhì)因子的關(guān)鍵因素。微納尺度下材料和器件的表征手段研究是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶 頸，其中微納諧振器作為當(dāng)前發(fā)展比較成功、同時(shí)又應(yīng)用廣泛的幾個(gè)微納器件之一，研究開(kāi) 發(fā)相關(guān)的表征手段更加重要和緊迫。但是，目前還沒(méi)有微納諧振器的頻譜特性表征系統(tǒng)作 為商業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行銷售，國(guó)際上幾個(gè)研究組，包括美國(guó)斯坦福大學(xué)、Michigan大學(xué)、加州大學(xué) SantaBarbara分校、Berkeley分校、日本東北大學(xué)等，都是在自行研制儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作，圍繞微納諧振器的能量損失機(jī)制等問(wèn)題，展開(kāi)了系統(tǒng)深入的研究，并通過(guò)適 當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，使微納諧振器的品質(zhì)因子提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)[1_3]。微納諧振器件具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值，亟待有針對(duì)性地發(fā)展相應(yīng)的表征技 術(shù)。研制一套針對(duì)微納諧振器、具有樣品表面處理和可控樣品環(huán)境條件下的頻譜特性表征 系統(tǒng)，目前在國(guó)際上還沒(méi)有先例。本發(fā)明的目的在于建立一套適用于微納諧振器件寬頻譜 范圍的頻譜特性研究的表征系統(tǒng)，為制備高靈敏、高頻/射頻高品質(zhì)因子的微納諧振器件 提供技術(shù)支撐。同時(shí)，這一測(cè)試系統(tǒng)還可用于其他種類微納器件在不同工作環(huán)境下的機(jī)械 性能、電學(xué)性能、可靠性和失效機(jī)理等的研究。參考文獻(xiàn)1. J. L. Yang, Τ. Ono, and Μ. Esashi, Surface Effects and High QualityFactorsin Ultrathin Single-crystal Silicon Cantilevers, Appl.Phys. Lett. 77,3860(2000).2. K. Y. Yasumura, T. D. Stowe, Ε. M. Chow, T. Pfafman, T. W. Kenny, B. C. Stipe, and D. Rugar, Quality Factors in Micro—and Submicron-thickCantilevers, J. Microelectromech. Syst. 9,117(2000).3. J. R. Clark, W. -H. Hsu, M. A. Abdelmoneum, and C. T. -C. Nguyen, High-Q UHF Micromechanical Radial-Contour Mode Disk Resonators, IEEEJ. Microelectromech. Syst. 14，1298(2005).

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種超高真空多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，以實(shí) 現(xiàn)將微納器件表面處理、表面修飾、原位機(jī)械性能表征和電學(xué)性能測(cè)試等功能的集成。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征 的超高真空多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，包括第一超高真空室3;第二超高真空室2，該第二超高真空室2與第一超高真空室3真空密封連接；常壓室1，該常壓室1與第二超高真空室2真空密封連接；以及系統(tǒng)支架4，該系統(tǒng)支架4為一矩形框架；其中，該第一超高真空室3、第二超高真空室2和常壓室1固定于該系統(tǒng)支架4，形 成超高真空測(cè)試系統(tǒng)。上述方案中，所述第一超高真空室3，以第一超高真空腔室26為主體，腔室底部設(shè) 置有三維樣品操縱臺(tái)27，可做三維線性運(yùn)動(dòng)，其上固定有樣品架28 ；腔室側(cè)壁設(shè)置有機(jī)械 手29 ；腔室頂蓋和側(cè)壁上安裝有觀察窗(30、31、32)；腔室側(cè)壁設(shè)置有探針臂38 ；腔室側(cè)壁 橫向設(shè)置有離子泵鈦升華泵組合35，用以維持腔室的真空度至1 X IO-8Pa0上述方案中，所述第一超高真空腔室26，腔體由不銹鋼制成，腔體法蘭口為CF刀 口法蘭，腔體漏率指標(biāo)為IXlO-uiPa · L/s。上述方案中，所述觀察窗(30、31、32)，其上方的腔室外側(cè)安裝有光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)7， 用于獲得樣品的靜態(tài)位移或動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)速度以及形貌變化信息。上述方案中，所述樣品架28用于對(duì)樣品進(jìn)行直接加熱，該樣品架還可作為樣品臺(tái) 用來(lái)承載待測(cè)樣品。上述方案中，所述探針臂38連接有探針，該探針與放置于樣品臺(tái)28上的器件接 觸，并通過(guò)探針臂38的同軸電纜接口與測(cè)試儀器形成電氣連接，實(shí)現(xiàn)器件機(jī)械性能與電學(xué) 性能測(cè)量的同步進(jìn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控。上述方案中，所述機(jī)械手29，其長(zhǎng)度可伸至傳樣桿9，將樣品從其上取下插入樣品 架28。上述方案中，所述第二超高真空室2，以第二超高真空腔室8為主體，腔室側(cè)壁橫 向設(shè)置有傳樣桿9，其長(zhǎng)度可將樣品從第二超高真空室2傳送至第一超高真空室3 ；側(cè)壁法 蘭上安裝有電學(xué)穿通件39 ；腔室頂蓋和側(cè)壁上安裝有觀察窗；腔室底部設(shè)置有干泵和分子泵組合，可維持腔室的真空度至lX10_6Pa。上述方案中，所述第二超高真空腔室8，腔體由不銹鋼制成，腔體法蘭口為CF刀口 法蘭，腔體漏率指標(biāo)為IXlO-uiPa · L/s。上述方案中，所述電學(xué)穿通件39，腔室外部的穿通件接口通過(guò)電纜與測(cè)試儀器及 電學(xué)設(shè)備連接，腔室內(nèi)部的穿通件接口接有真空電纜。上述方案中，所述常壓室1，其背面板上焊有連接管23，且常壓室1箱體內(nèi)溫濕度 和氣氛可控。上述方案中，所述連接管23通過(guò)間板閥24與第二超高真空室2連接，該連接管23側(cè)壁焊有波紋管與機(jī)械泵16連接，該連接管23側(cè)壁焊有放氣口，通過(guò)放氣閥與常壓室1箱 體內(nèi)空間連接。上述方案中，所述系統(tǒng)支架4放置在通過(guò)深溝與外界相隔的水泥減震臺(tái)上；支架 內(nèi)有一獨(dú)立機(jī)箱柜5。(三)有益效果本發(fā)明提供的超高真空多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將微納器件表面處理、表面 修飾、原位機(jī)械性能表征和電學(xué)性能測(cè)試等功能的集成，由于表面處理和測(cè)量同樣是在超 高真空環(huán)境下進(jìn)行，避免了因處理后的樣品表面在傳遞和測(cè)試過(guò)程中被再次污染而造成測(cè) 試結(jié)果的嚴(yán)重偏差，從而為清晰準(zhǔn)確地研究表面損失對(duì)器件機(jī)械及電學(xué)性能的影響提供了 保證。


圖1是本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a是第一超高真空室的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2b為圖2a的俯視圖。圖3是第一超高真空室內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是三維樣品操縱臺(tái)及安裝在其上的樣品加熱架示意圖。圖5a是第二超高真空室的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5b為圖5a的俯視圖。圖6是樣品倉(cāng)示意圖。圖7是樣品托的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是探針臂示意圖。其中1為常壓室，2為第二超高真空室，3為第一超高真空室，4為系統(tǒng)支架，5為 獨(dú)立機(jī)箱柜，6為支架臺(tái)，7為激光多普勒測(cè)振儀，8為第二超高真空室腔體，9為傳樣桿，10 為觀察窗，11為盲法蘭，12為盲法蘭，13為離子規(guī)，14為熱偶規(guī)，15為樣品倉(cāng)，16為干泵，17 為分子泵，18為閘板閥，19為放氣閥，20為連接法蘭，21為觀察窗，22為連接法蘭，23為金 屬連接管，24為閘板閥，25為閘板閥，26為第一超高真空室腔體，27為三維樣品操縱臺(tái)，28 為樣品加熱架，29為機(jī)械手，30為觀察窗，31為觀察窗，32為觀察窗，33為盲法蘭，34為離 子規(guī)，35為離子泵鈦升華泵組合泵，36為連接法蘭，37為樣品托，38為探針臂，39為電學(xué)穿 通件，40為盲法蘭，41為放氣閥接口法蘭。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。微納尺度下材料和器件的表征手段研究是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，其中微納諧振器作為當(dāng)前發(fā)展比較成功、同時(shí)又應(yīng)用廣泛的幾個(gè)微納器件之一，研究開(kāi) 發(fā)相關(guān)的表征手段更加重要和緊迫。但是，目前還沒(méi)有微納諧振器的共振特性表征系統(tǒng)作 為商業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行銷售，國(guó)際上幾個(gè)研究組，包括美國(guó)斯坦福大學(xué)、Michigan大學(xué)、加州大學(xué) SantaBarbara分校、Berkeley分校、日本東北大學(xué)等，都是在自行研制儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作。對(duì)于微納諧振器，依據(jù)其振動(dòng)信號(hào)采集方式，分為靜電、電磁、壓阻、光學(xué)等幾種表 征方法。前三種方法適用于任何頻率范圍，但要求諧振器分別帶有金屬層、電感線圈或壓阻 層。相比之下，光學(xué)方法適用于多種類型諧振器結(jié)構(gòu)，而且，能夠工作在真空、液體等特殊環(huán) 境條件下。但是基于干涉原理的光學(xué)測(cè)量方法，為了獲得足夠強(qiáng)的干涉信號(hào)，光纖與諧振器 表面的距離必須< 30 μ m，而且，光纖直徑與微納諧振器尺寸相差懸殊，使得對(duì)準(zhǔn)和測(cè)量非 常困難，且非常容易損壞光纖和諧振器；這種方法通常需要建立鎖相回路，當(dāng)待測(cè)頻率高于 IMHz時(shí)，鎖相回路噪聲增大，響應(yīng)慢，測(cè)試?yán)щy?；诙嗥绽招?yīng)的激光多普勒振動(dòng)儀系統(tǒng)， 用光學(xué)方法準(zhǔn)確地測(cè)量諧振器的速度和位移，操作簡(jiǎn)單、可靠、快速，而且對(duì)樣品安全，可以 表征各種結(jié)構(gòu)的微納諧振器的頻譜特性，特別是對(duì)于高頻諧振器，該系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 但是，目前商業(yè)激光多普勒振動(dòng)儀所能探測(cè)的最高頻率是24MHz。對(duì)于共振頻率大于24MHz的高頻和射頻諧振器，其頻譜特性測(cè)量變得越來(lái)越困 難。到目前為止，國(guó)際上對(duì)于這些高頻/射頻微納諧振器還沒(méi)有有效的測(cè)量手段。針對(duì)高頻 /射頻微納諧振器表征的科研需求，我們建立了一套適用于微納諧振器件表面處理、表面修 飾、在寬頻譜范圍內(nèi)原位頻譜特性表征和測(cè)試的新型超高真空系統(tǒng)。如圖1所示，本發(fā)明包括順序真空密封連接的第一超高真空室3，第二超高真空 室2和常壓室1和用于固定系統(tǒng)整體的系統(tǒng)支架4。系統(tǒng)支架4為“L”型支架，該支架放置 在通過(guò)深溝與外界相隔的水泥減震臺(tái)上，支架4內(nèi)有一獨(dú)立機(jī)箱柜5，系統(tǒng)支架4表面焊接 有“L”型支撐板，第二超高真空室2和第一超高真空室3安裝在該支撐板上，高于“L”型支 撐板還安裝有一小支架臺(tái)6，用于支撐激光多普勒測(cè)振儀7，常壓室1直接放在同一個(gè)水泥 減震臺(tái)上并通過(guò)金屬連接管23和間板閥24與第二超高真空室2真空密閉相連，第二超高 真空室2與第一超高真空室3之間通過(guò)閘板閥25真空密閉連接。如圖2a、圖2b所示，第一超高真空室3以316或304不銹鋼制成的第一超高真空 腔室26為主體，該真空腔室26上設(shè)置有三維樣品操縱臺(tái)27、樣品加熱架28、機(jī)械手29、觀 察窗30、31、32、用于頻譜特性測(cè)量的激光多普勒系統(tǒng)7、探針臂38、離子規(guī)34、離子泵鈦升 華泵組合泵35。三維樣品操縱臺(tái)27設(shè)置在第一超高真空腔室26底部，可做三維線性運(yùn)動(dòng)，樣品加 熱架28固定在三維樣品操縱臺(tái)27上，可對(duì)接受的樣品進(jìn)行直接加熱處理，另外，該樣品加 熱架28還可作為樣品臺(tái)用來(lái)承載待測(cè)樣品進(jìn)行后續(xù)表征、測(cè)試；機(jī)械手29橫向設(shè)置在第一 超高真空腔室26側(cè)壁，用于將樣品從傳樣桿9前端的樣品倉(cāng)15內(nèi)取出再插入樣品加熱架 28上進(jìn)行處理。離子泵鈦升華泵組合泵35橫向設(shè)置在第一超高真空腔室26側(cè)壁，用于在 樣品表面處理及測(cè)量過(guò)程中維持腔室的真空度至1 X 10_8Pa。第一超高真空腔室26上的法 蘭36用來(lái)連接第二超高真空室2，樣品在第二超高真空室2和第一超高真空室3之間的傳遞要通過(guò)該法蘭36。 觀察窗30、31、32是分別安裝在第一超高真空腔室26頂蓋和側(cè)壁上的玻璃窗，其 中觀察窗31法線與樣品平面法線相交于被測(cè)樣品上表面，方便樣品傳遞和表面處理過(guò)程 中的觀察及控制；激光多普勒測(cè)振儀7安裝于小支架臺(tái)6上，其鏡頭位于第一超高真空腔 室26頂蓋觀察窗30的正上方，用于對(duì)第一超高真空室3中樣品臺(tái)28上的樣品進(jìn)行觀察和 測(cè)試，其中激光多普勒測(cè)振儀7利用被測(cè)樣品表面反射光的多普勒頻移獲取樣品的機(jī)械性 能。探針臂38橫向設(shè)置在所述第一超高真空腔室側(cè)壁，放置于樣品臺(tái)28上的芯片級(jí) 器件與探針卡或單個(gè)探針形成可靠的接觸，并通過(guò)探針臂38腔室外部連接的同軸電纜接 口與測(cè)試儀器形成電氣連接，用于對(duì)微納諧振器施加激勵(lì)信號(hào)和檢測(cè)諧振器的電學(xué)性能， 通過(guò)激光多普勒測(cè)振儀7和探針臂38，微納器件的機(jī)械性能與電學(xué)性能的測(cè)量可同步進(jìn) 行，實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖3是第一超高真空室3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意圖。第一超高真空腔室26中的機(jī) 械手29與第二超高真空腔室8中的傳樣桿9處在同一主水平軸上。當(dāng)待測(cè)樣品被傳樣桿 9經(jīng)間板閥25由第二超高真空室2傳入第一超高真空室3后，機(jī)械手29將樣品從傳樣桿9 前端的樣品倉(cāng)15內(nèi)取出，然后插入三維樣品操縱臺(tái)27上的樣品加熱架28中除氣并進(jìn)行表 面處理；處理后操作三維樣品操縱臺(tái)27將樣品垂直升至接近第一超高真空腔室26頂蓋觀 察窗30的下表面處，利用激光多普勒測(cè)振儀7對(duì)該微納器件樣品進(jìn)行機(jī)械性能的表征。圖4是三維樣品操縱臺(tái)27及安裝在其上的樣品加熱架28的示意圖。樣品加熱架 28安裝在三維樣品操縱臺(tái)頂端，既可對(duì)接受的樣品進(jìn)行表面處理，又可以作為樣品臺(tái)承載 被測(cè)樣品。三維樣品操縱臺(tái)27安裝在第一超高真空腔室26的底部，可做三維運(yùn)動(dòng)，同激光 多普勒測(cè)振儀的顯微鏡頭7配合可對(duì)樣品臺(tái)28上的樣品的不同區(qū)域進(jìn)行掃描測(cè)試。圖6 是樣品倉(cāng)15的示意圖，該樣品倉(cāng)15安裝在傳樣桿9的前端。如圖所示，樣品水平插入樣品 倉(cāng)15內(nèi)，可同時(shí)存放四個(gè)樣品。如圖5a和圖5b，第二超高真空室2以316或304不銹鋼制成的圓柱狀第二超高真 空腔室8為主體，該第二超高真空腔室8上分別設(shè)置有傳樣桿9、觀察窗10、21、電學(xué)穿通件 39、真空泵系統(tǒng)16、17、接樣板12、離子規(guī)13和熱偶規(guī)14。傳樣桿9為磁力桿，橫向設(shè)置在第二超高真空腔室8側(cè)壁并貫通于該真空腔室，用 于第二超高真空室2和第一超高真空室3之間的樣品傳送，傳樣桿9前端安裝有樣品倉(cāng)15， 可以同時(shí)傳遞四個(gè)樣品。真空泵系統(tǒng)由干泵16和分子泵17構(gòu)成。分子泵17通過(guò)閘板閥 18安裝在第二超高真空腔室8的底部，分子泵17接有干泵16，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的主泵和前級(jí) 泵。放氣閥19安裝在第二超高真空腔室8的法蘭41上，通過(guò)金屬管連接常壓室1，可實(shí)現(xiàn) 對(duì)第二超高真空腔室8放氣。這種設(shè)計(jì)使得充入第二超高真空室2的氣體為常壓室1內(nèi)的 可控惰性氣體。第二超高真空腔室8頂蓋和側(cè)壁各安裝有一觀察窗10、21，在實(shí)驗(yàn)和樣品的 傳遞過(guò)程中需要通過(guò)觀察窗從不同角度觀察第二超高真空室2內(nèi)的運(yùn)行情況。電學(xué)穿通件39是安裝在第二超高真空腔室側(cè)壁上的射頻及直流電學(xué)穿通件法 蘭，法蘭腔室外部的穿通件接口通過(guò)同軸電纜或普通電纜與測(cè)試儀器(如網(wǎng)絡(luò)分析儀)或 者電學(xué)驅(qū)動(dòng)設(shè)備(如信號(hào)發(fā)生器)連接，法蘭腔室內(nèi)部的穿通件接口接有真空同軸電纜或 者普通電纜，用于微納器件的器件級(jí)電學(xué)測(cè)量。
第二超高真空腔室8上的法蘭20用來(lái)連接第一超高真空室3，樣品在第二超高真 空室2和第一超高真空室3之間的傳遞要通過(guò)該法蘭20。第二超高真空腔室8上的法蘭22 用來(lái)連接常壓室1，樣品在第二超高真空室2和常壓室1之間的傳遞要通過(guò)該法蘭22。當(dāng) 樣品在常壓室1中準(zhǔn)備好后，通過(guò)放氣閥19對(duì)第二超高真空室2內(nèi)放氣，等到第二超高真 空室2與常壓室1中的氣壓相等時(shí)，打開(kāi)閘板閥24，將待測(cè)樣品經(jīng)過(guò)金屬連接管23和法蘭 22放入傳樣桿9的前端樣品倉(cāng)15內(nèi)，然后關(guān)閉閘板閥24，打開(kāi)閘板閥18，開(kāi)啟干泵16進(jìn)行 預(yù)抽，待第二超高真空腔室8內(nèi)氣壓降到分子泵17開(kāi)啟閾值后，再打開(kāi)分子泵17將第二超 高真空腔室8內(nèi)氣壓抽到預(yù)定真空值。然后，打開(kāi)閘板閥25，利用傳樣桿9將樣品傳入第一 超高真空室3。常壓室1背面板上焊有一超高真空金屬連接管23，并通過(guò)該金屬連接管23和閘板 閥24與所述第二超高真空室2真空密閉連接。常壓室1箱體內(nèi)溫濕度和氣氛可控，可對(duì)微 納器件在該箱體內(nèi)進(jìn)行不同環(huán)境下的測(cè)試，同時(shí)也可對(duì)需要在真空環(huán)境中測(cè)試的待測(cè)樣品 進(jìn)行前處理和準(zhǔn)備，準(zhǔn)備好的樣品經(jīng)過(guò)金屬連接管23和間板閥24傳入所述第一真空腔室。 以單晶硅懸臂梁的表面處理和測(cè)試為例闡述本發(fā)明的應(yīng)用。首先，在常壓室1內(nèi) 將準(zhǔn)備好的待測(cè)樣品固定在樣品托37上，樣品托的結(jié)構(gòu)如圖7所示，打開(kāi)放氣閥19對(duì)第二 超高真空室2內(nèi)進(jìn)行放氣，待第二超高真空室2與常壓室1中的氣壓相等時(shí)，打開(kāi)閘板閥 24，將待測(cè)樣品經(jīng)過(guò)金屬連接管23放入傳樣桿9前端的樣品倉(cāng)15內(nèi)，然后關(guān)閉閘板閥24， 打開(kāi)閘板閥18，啟動(dòng)干泵16進(jìn)行預(yù)抽，等到第二超高真空腔室8內(nèi)氣壓降到分子泵17開(kāi) 啟閾值后，再打開(kāi)分子泵17將第二超高真空腔室8內(nèi)氣壓抽到預(yù)定真空值。然后，打開(kāi)閘 板閥25，利用傳樣桿9將樣品傳入第一超高真空室3內(nèi)。在第一超高真空室3內(nèi)，利用機(jī) 械手29將待測(cè)樣品從樣品倉(cāng)15內(nèi)取出，插入第一超高真空室3中的樣品加熱架28內(nèi)，然 后將傳樣桿9退回到第二超高真空室2中的原位置，再依次關(guān)閉閘板閥25、閘板閥18。最 后關(guān)閉分子泵17和干泵16，這是為了避免其機(jī)械振動(dòng)對(duì)后續(xù)測(cè)試產(chǎn)生影響。此時(shí)，第一超 高真空室3內(nèi)的氣壓由離子泵鈦升華泵組合泵35維持在10_8Pa以下。利用樣品加熱架28 對(duì)硅懸臂梁諧振器進(jìn)行表面處理。首先，在超高真空環(huán)境中，加熱硅懸臂梁到600°C并持續(xù)30-60分鐘，以去除懸臂 梁表面吸附的有機(jī)雜質(zhì)，硅片的去氣使主真空腔內(nèi)的真空度先降低再升高。然后，將硅懸臂 梁瞬間加熱到900 1000°C，重復(fù)三次，去除硅表面的自然氧化層，以獲得潔凈的硅表面。 這一過(guò)程叫做“閃硅”，可獲得Si (100)表面的2X1再構(gòu)。表面處理結(jié)束后，待硅樣品溫度 降至室溫，利用三維樣品操縱臺(tái)27將硅懸臂梁(硅懸臂梁)諧振器傳送至激光多普勒測(cè)振 儀7的顯微鏡頭下方，調(diào)整至合適位置后進(jìn)行頻譜特性測(cè)量。與此同時(shí)，如圖8所示，通過(guò)調(diào)整探針臂38的三維操縱臺(tái)，可將放置于樣品臺(tái)28 上的芯片級(jí)器件與探針臂38前端的探針卡或單個(gè)探針形成可靠的接觸，并通過(guò)探針臂38 腔室外部連接的同軸電纜接口與測(cè)試儀器形成電氣連接，用于對(duì)微納諧振器施加激勵(lì)信號(hào) 和檢測(cè)諧振器的電學(xué)性能，通過(guò)激光多普勒測(cè)振儀7和探針臂38，對(duì)微納器件的機(jī)械性能 與電學(xué)性能進(jìn)行同步測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于表面處理和測(cè)量同樣是在超高真空環(huán)境下進(jìn)行，避免了因處理后的樣品表面 在傳遞和測(cè)試過(guò)程中被再次污染而造成測(cè)試結(jié)果的嚴(yán)重偏差，從而為清晰準(zhǔn)確地研究表面 損失對(duì)器件機(jī)械及電學(xué)性能的影響提供了保證。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，包括第一超高真空室(3)；第二超高真空室(2)，該第二超高真空室(2)與第一超高真空室(3)真空密封連接；常壓室(1)，該常壓室(1)與第二超高真空室(2)真空密封連接；以及系統(tǒng)支架(4)，該系統(tǒng)支架(4)為一矩形框架；其中，該第一超高真空室(3)、第二超高真空室(2)和常壓室(1)固定于該系統(tǒng)支架(4)，形成超高真空測(cè)試系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多 功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述第一超高真空室(3)，以第一超高真空腔室(26)為主 體，腔室底部設(shè)置有三維樣品操縱臺(tái)(27)，可做三維線性運(yùn)動(dòng)，其上固定有樣品架(28)；腔 室側(cè)壁設(shè)置有機(jī)械手(29)；腔室頂蓋和側(cè)壁上安裝有觀察窗(30、31、32)；腔室側(cè)壁設(shè)置 有探針臂(38)；腔室側(cè)壁橫向設(shè)置有離子泵鈦升華泵組合(35)，用以維持腔室的真空度至 lXl(T8Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多 功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述第一超高真空腔室(26)，腔體由不銹鋼制成，腔體法 蘭口為CF刀口法蘭，腔體漏率指標(biāo)為1 X IO-10Pa · L/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多 功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述觀察窗(30、31、32)，其上方的腔室外側(cè)安裝有光學(xué)探 測(cè)系統(tǒng)(7)，用于獲得樣品的靜態(tài)位移或動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)速度以及形貌變化信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多 功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述樣品架(28)用于對(duì)樣品進(jìn)行直接加熱，該樣品架還 可作為樣品臺(tái)用來(lái)承載待測(cè)樣品。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空 多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述探針臂(38)連接有探針，該探針與放置于樣品臺(tái) (28)上的器件接觸，并通過(guò)探針臂(38)的同軸電纜接口與測(cè)試儀器形成電氣連接，實(shí)現(xiàn)器 件機(jī)械性能與電學(xué)性能測(cè)量的同步進(jìn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多 功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械手(29)，其長(zhǎng)度可伸至傳樣桿(9)，將樣品從其 上取下插入樣品架(28)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多 功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述第二超高真空室(2)，以第二超高真空腔室(8)為主 體，腔室側(cè)壁橫向設(shè)置有傳樣桿(9)，其長(zhǎng)度可將樣品從第二超高真空室(2)傳送至第一超 高真空室(3)；側(cè)壁法蘭上安裝有電學(xué)穿通件(39)；腔室頂蓋和側(cè)壁上安裝有觀察窗；腔室 底部設(shè)置有干泵和分子泵組合，可維持腔室的真空度至lX10_6Pa。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多 功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述第二超高真空腔室(8)，腔體由不銹鋼制成，腔體法蘭 口為CF刀口法蘭，腔體漏率指標(biāo)為IXlO-uiPa · L/s。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述電學(xué)穿通件(39)，腔室外部的穿通件接口通過(guò)電纜與 測(cè)試儀器及電學(xué)設(shè)備連接，腔室內(nèi)部的穿通件接口接有真空電纜。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多 功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述常壓室(1)，其背面板上焊有連接管(23)，且常壓室(1)箱體內(nèi)溫濕度和氣氛可控。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空 多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述連接管(23)通過(guò)閘板閥(24)與第二超高真空室(2)連接，該連接管(23)側(cè)壁焊有波紋管與機(jī)械泵(16)連接，該連接管(23)側(cè)壁焊有放氣 口，通過(guò)放氣閥與常壓室(1)箱體內(nèi)空間連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多 功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)支架(4)放置在通過(guò)深溝與外界相隔的水泥減 震臺(tái)上；支架內(nèi)有一獨(dú)立機(jī)箱柜(5)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于微納器件表面處理、表面修飾、原位表征的超高真空多功能綜合測(cè)試系統(tǒng)，包括第一超高真空室；第二超高真空室，該第二超高真空室與第一超高真空室真空密封連接；常壓室，該常壓室與第二超高真空室真空密封連接；以及一系統(tǒng)支架，該系統(tǒng)支架為一矩形框架；其中，該第一超高真空室、第二超高真空室和常壓室固定于該系統(tǒng)支架，形成超高真空測(cè)試系統(tǒng)。利用本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了將微納器件表面處理、表面修飾、原位機(jī)械性能表征和電學(xué)性能測(cè)試等功能的集成，避免了因處理后的樣品表面在傳遞和測(cè)試過(guò)程中被再次污染而造成測(cè)試結(jié)果的嚴(yán)重偏差，為清晰準(zhǔn)確地研究表面損失對(duì)器件機(jī)械及電學(xué)性能的影響提供了保證。
文檔編號(hào)G01N35/00GK101846635SQ20101017138
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者劉云飛, 楊富華, 楊晉玲, 解婧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所