本发明专利技术公开了一种集紫外光/臭氧表面处理与电学性质原位测试的真空设备，主要由真空腔室、紫外光源系统、真空泵系统和真空设备控制系统以及电子元件测试系统组成，真空腔室由高真空内腔室和低真空外腔室组成：外腔室顶端固定紫外灯光源；内腔室具有高度可调节的样品台，其内置加热和水冷系统。本发明专利技术能够准确控制紫外光/臭氧对材料的表面处理过程，如石墨烯，并对微纳电子元件的电学性质进行原位测量和表征，它在材料的表面清洗、改性以及电子元件的电学性能原位表征方面具有重要的应用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及紫外光/臭氧表面处理技术，更具体的说，涉及一种集紫外光/臭氧表面处理与电学性质原位测试的真空设备。
技术介绍
紫外光/臭氧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，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/臭氧表面处理技术不仅对基底具有清洗效应，氧原子的强氧化性还能够将一些金属材料(譬如银、铝等)氧化或者刻蚀碳族材料(如石墨烯、碳纳米管等)表面，实现材料改性。在这种光化学处理过程中，尽可能减少环境中非氧气分子的影响对获得高质量的样品至关重要。对于真空紫外清洗技术，即将紫外灯与样品架置于同一真空腔室中，当室内达到一定本底真空度后再输入一定压强的氧气并开启紫外光照射，这种技术能有效清除腔室内吸附的水汽和其它非氧气体的影响。紫外光/臭氧改性技术本身还存在很大的局限性首先，将紫外灯管与样品置于同一腔室中，会增大反应腔室的体积，不利于准确控制光化学反应的进程和精度。其次，紫外光照射会引起环境温度的起伏，进而会导致臭氧分解成氧原子的速率发生起伏，从而影响紫外灯/臭氧表面改性的进程。紫外光/臭氧光化学反应技术对于碳族元素的表面处理过程来说，不仅具有表面清洗和载流子掺杂效应，而且当表面有机物消失殆尽时，它们又会对其产生刻蚀效应，使其表面电阻急剧增大。以石墨烯的研究为例，我们知道碳族元素经过紫外光/臭氧改性后，若将其暴露于大气环境中，它表面会迅速(几分钟)吸附空气中的气体和杂质，这不利于改性过程的准确表征。如果在紫外光/臭氧改性过程中能原位测试电子元件的电学性能，我们就能对改性过程进行准确的控制和表征。为此，我们必须考虑这种原位电学性质测试技术与紫外光/臭氧技术的兼容，从而对我们的设计提出了更高或者更为特殊的要求。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种集紫外光/臭氧表面处理与电学性质原位测试的真空设备，克服已有样品表面改性技术中存在的问题，实现一种集紫外光/臭氧改性和电子元件性能测试于一体的真空设备，其可以准确控制光化学反应的进程，并能够原位探测电子元件的导电性质(包括高温)，在材料和器件的干法清洗、表面改性以及电学性质表征方面具有重要价值。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下一种集紫外光/臭氧表面处理与电学性质原位测试的真空设备,主要由真空腔室、紫外光源系统、真空泵系统和真空设备控制系统以及电子元件测试系统组成，其中，所述紫外光源系统包括控制电源和紫外灯管，所述真空腔室包括外腔室和内腔室，所述外腔室内安装所述紫外灯管，所述内腔室内设置样品台以及加热和水冷装置，并具有气体输入、 输出端口，所述紫外灯管发射的光通过内腔室的石英窗口，照射到样品台上，所述内腔室具有一定压强的氧气，其经过紫外光照射后生成臭氧和氧原子，对样品台上的样品表面进行清洗和改性；所述真空泵系统和真空设备控制系统用于产生并控制真空腔室内的真空度， 所述电子元件测试系统能够对电子元件的电学性质进行原位测试表征。所述紫外灯管发射主要为184. 9nm和253. 7nm的紫外光。所述内腔室上部主要由石英材料制成，下部主要为不锈钢材料制成，内腔室顶部具有在波长184. 9nm和253. Ixm处高透过率的石英窗口，所述石英窗口的尺寸不小于内腔室的内部孔径，以有效避免内腔室氧气在紫外光照射下光化学反应暗区的产生，所述气体输入、输出端口设置在内腔室下部不锈钢部分。所述样品台的高度通过控制杆在一定范围内可调节，以实现和有效控制紫外光/臭氧表面处理。所述真空泵由两级泵，即机械泵和分子泵组成。所述真空设备控制系统主要包括气体流量计、真空计、温度控制系统和水冷系统。所述电子元件测试系统主要包括锁相放大器、电压源和电流计，能够对电子元件的电学性质进行原位表征。与已有技术相比，本专利技术具有以下有益效果本专利技术所提供的技术方案，集紫外光/臭氧表面处理与电子元件原位测试技术于一体，这种紫外光/臭氧的表面处理技术不仅能够对改性过程精确控制，而且还能够实现常温和高温下电学性质的原位探测与表征，在材料、电子
具有重要的应用。本专利技术采用双腔室的真空系统，即将紫外灯管和样品台分别置于外腔室和内腔室中，并通过加热和水冷系统对样品台温度给予有效控制，从而能更好的控制光化学反应过程。附图说明图I表示本专利技术的真空设备结构示意图。图2是样品台上固置的陶瓷底座结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述本专利技术中所设计的真空设备结构如图I所示，主要由真空腔室、紫外光源系统、真空泵系统和真空设备控制系统、电子元件测试系统组成。I.紫外光源系统包括控制电源和紫外灯管I。控制电源能够控制紫外灯的开关、辐射强度、辐射时间等。紫外灯管为低压汞灯， 将其首先固定于铝制反光板上，然后再将反光板固定于外腔室顶端，光源能够发射主要为 184. 9nm和253. 7nm的紫外光。2.真空腔室包括外腔室2和内腔室3。外腔室2由不锈钢材料制作，其上端面固定紫外灯管。紫外灯管开启后，外腔室的真空环境可以有效降低气体分子对紫外光的吸收，避免不必要的臭氧产生以及可能对周围环境的影响。内腔室3分为两部分，上部主要由石英材料制成，下部主要为不锈钢材料。内腔室顶端安置高纯度石英窗口 4，内置可升降样品台5、温控装置以及气体输入、输出端口等。石英窗口 4透光尺寸不小于内腔室内径，固定于不锈钢法兰上，能透过184. 9nm和 253. 7nm紫外光，降低内腔室臭氧产生的不均匀性。内腔室样品台5主要由不锈钢材料制作，由控制杆6与外部控制系统连接，其内置电路引线以及加热和水冷系统，能够在60mm范围内升降，距石英窗口下端面最近距离为 IOmm0内腔室3下部不锈钢部分具有气体输入端口、输出端口。3.真空泵系统7 由两级泵，即机械泵和分子泵组成，本底真空度可以达到2*10_4Pa。4.真空设备控制系统8 主要包括气体流量计、真空计、温度控制系统和水冷系统。当内腔室充入一定气体时，气体流量计可以控制流入气体的流量，内腔室的真空度可以由高、低真空计检测。5.电子元件测试系统9:电子元件测试系统主要是提供锁相放大器、电压源和电流计，能够对电子元件的电学性质进行原位表征。对于上述集紫外光/臭氧表面改性与电子元件测试系统于一体的设备，下面以石墨烯纳米电子元件为例，具体说明对其表面改性和测试的主要步骤I)打开主电源和真空计，打开氮气阀门，将氮气充入真空腔室内，气压超过一个大气压后关闭氮气阀门，依次打开外腔室和内腔室。2)将石墨烯电子元件连接于芯片载体(chipcarrier)上,然后插入陶瓷基底插座上，通过控制杆将样品台置于内腔室中，依次关闭内、外腔室盖。3)依次开启内腔室样品台的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种集紫外光/臭氧表面处理与电学性质原位测试的真空设备，其特征在于，主要由真空腔室、紫外光源系统、真空泵系统和真空设备控制系统以及电子元件测试系统组成，其中，所述紫外光源系统包括控制电源和紫外灯管，所述真空腔室包括外腔室和内腔室，所述外腔室内安装所述紫外灯管，所述内腔室内设置样品台以及加热和水冷装置，并具有气体输入、输出端口，所述紫外灯管发射的光通过内腔室的石英窗口，照射到样品台上，所述内腔室具有一定压强的氧气，其经过紫外光照射后生成臭氧和氧原子，对样品台上的样品表面进行清洗和改性；所述真空泵系统和真空设备控制系统用于产生并控制真空腔室内的真空度，所述电子元件测试系统能够对电子元件的电学性质进行原位测试表征。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陶海华，张双喜，王庆康，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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