一种GaAs光电阴极原子级洁净度的获得方法与流程

一种gaas光电阴极原子级洁净度的获得方法
技术领域
1.本发明涉及gaas光电阴极装置领域，特别是涉及一种gaas光电阴极原子级洁净度的获得方法。


背景技术：

2.目前在国际上，研究三代像管gaas光电阴极的高校、研究所、公司不计其数，但仅为数不多的几个国家(美国、俄罗斯等)实现了三代像管的量产。限制其量产的主要因素就是gaas光电阴极，而制备gaas光电阴极的关键工序之一就是原子级洁净度的获得，它也是整个微光像增强器制备过程中最为困难的工艺，其极大的影响着三代像管的性能和合格率。(描述gaas光电阴极的主要三个指标为积分灵敏度、辐射灵敏度和均匀性，而这三个指标都是三代像管的核心技术指标。
3.已知的gaas光电阴极原子级洁净度获得工艺大多采用高温热清洗的方式，它是通过在真空环境中，采用热辐射的方式来对整个gaas光电阴极进行加热，从而分解表面的氧化物，漏出易于发射电子的砷化镓层，其存在以下4个问题：
4.1)性能偏低：此方法在制备过程中需要较高的温度(600℃左右)，高温会使得氧化砷和氧化镓分解，但氧化镓分解时的温度与砷化镓分解的温度近似，把控不准就会造成砷化镓的分解，而在表面形成镓滴，富含镓的表面不利于激活电子的发射，降低产品的性能；
5.2)合格率低：gaas光电阴极在原子级洁净度获得之前会经过外延生长、高温键合、定向腐蚀、镀膜等繁多工序，从而导致产品本身表面的一致性较差，而采用此方法再进行处理时，不同样品需要吸收的热量和时间不尽相同，但实际操作过程中难以判断，因此会造成gaas光电阴极合格率的低下；
6.3)均匀性差：高温热清洗会破坏整个发射层的结构，造成局部组分的变化，且光源均匀性不易于控制，会造成产品发射层均匀性的差异，体现在产品中就是部分地方明亮有部分地方阴暗；
7.4)成本高：砷化镓光电阴极是由avg玻璃和gaas外延片键合组成，由于热清洗采用的是高温方式，因此一方面对玻璃的转变点和软化点要求较高，另一方面对键合工艺的要求也较为严格，造成原材料和人工成本的上升。


技术实现要素：

8.为了克服现有技术的光电阴极性能低、生产合格率低、发射层均匀性差、生产成本高的不足，本发明提供一种gaas光电阴极原子级洁净度的获得方法，其通过低温热清洗技术、等离子剥离技术、原子氢清洗技术，有效降低了原子级洁净度获得过程中温度过高造成砷化镓分解、组分变化、原材料成本上升的问题，而且通过等离子剥离和原子氢清洗技术，可以在不损伤砷化镓发射层内部组分的情况下，获得外延生长一样活化的表面，而且还能够有效的去除表面的不易分解化合物和碳，从而大大提高砷化镓光电阴极的性能。
9.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种gaas光电阴极原子级洁净
度的获得方法，包括经过低温热清洗、离子剥离和原子氢还原等，从而获得原子级洁净度的活化表面，具体步骤原理如下：
10.s1：低温热清洗：低温热清洗采用辐射加热方式，通过给加热丝升温从而产生热辐射，热辐射透过avg玻璃后照射到gaas外延层上，从而给其加热；
11.s2:氩离子剥离：经过电离后的ar 经过发射电压的加速，使其具有较大的动能轰击样品表面，破坏分子结构从而实现表面的剥离；通过氩离子的剥离，可以有效的去除表面不易被热分解的物质，包括氧化镓、碳及其他氧化物，同时也可以抛光表面，改善表面的微粗糙度，为gaas光电阴极的下一步铯氧激活做好准备；
12.s3：原子氢清洗：氢原子枪通过热裂解的方式产生原子氢，通过原子氢的作用产生局部高温，反应去除gaas发射层表面残余的碳、氧化镓等有害物质，其中生成的一氧化二镓蒸发点较低，很容易就能够升华出来，从而露出洁净活化的gaas发射层。
13.在样品从一处阀门进入之后，通过升降转换装置将样品传动至工位，开启一处热辐射装置，设定功率为w1,工作时间为t1，开启氩原子枪，设置灯丝电流为i1，栅极电压为u1，发射电压为为u2，工作时间为t2，之后通过升降转换装置将样品传动至另一处工位，开启氢原子枪，设置灯丝电流为i2，工作时间为t3，在指定时间之后，对样品进行清洗，并将样品转移至下一工序设备中。
14.作为本发明的一种优选技术方案，所述s1步骤中，热辐射源放置在avg大端面，距离gaas外延层6～20mm，加热丝工作功率w1＝60～100w，工作时间t1＝30～60min，低温热清洗过程中反应公示如下：
[0015][0016][0017][0018]
作为本发明的一种优选技术方案，所述s2步骤需要在高真空环境中进行，且范围控制在1
×
10-5torr～1
×
10-7torr，并通过精密泄露阀通入氩气控制真空度，高真空中的氩离子是通过金属栅极来形成一定密度的电子云，提高ar气体与其碰撞的几率，从而产生所需密度的ar ，且s2步骤中采用的氩离子枪灯丝电流i1＝2.5～3.5a,栅极电压u1＝150～200v,发射电压u2＝2000～3000v，工作时间t2＝10～60min，实际情况下可以通过调节以上参数来控制剥离速度，本发明中的剥离gaas发射层的厚度约为10～100nm。
[0019]
作为本发明的一种优选技术方案，所述s3中采用的氢原子枪通过热裂解的方式产生原子氢，灯丝电流i2＝10～15a，工作时间t3＝5～30min，且在表面残余的碳、氧化镓等有害物质的化学式为：
[0020][0021][0022]
作为本发明的一种优选技术方案，所述热辐射装置中设定工作温度为400℃以上。
[0023]
作为本发明的一种优选技术方案，在s2中的高真空环境包括但不限于超高真空腔室在无负载时真空度可≤1
×
10-9torr，氩离子枪的有效工作距离50～200mm，有效工作面
积≥20mm，剥离速度≥0.5nm/min，氢离子枪的灯丝电流≥10a，最高温度≥1500℃。
[0024]
与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
[0025]
1、通过采用以上方案可以显著的提高产品性能，降低材料成本，成本控制上采用低温热清洗，一方面降低了gaas光电阴极中avg玻璃的要求，从而可以采用性价比更高的7056玻璃进行替代，单项材料成本降低50％左右；另一方面，采用7056玻璃，其键合温度更低，从而降低了键合工艺的要求，提升键合的合格率。
[0026]
2、本方法，通过降低热清洗温度更有效的减轻了因砷化镓阴极一致性不好导致的合格率问题，且由于该方法整体上提高了砷化镓阴极的性能，所以在阴极激活的合格率上也有着显著的提升，从而提升成品合格率，降低成本。
附图说明
[0027]
图1为本发明实施例一的结构示意图；
[0028]
图2为本发明工作装置结构示意图；
[0029]
图3为本发明工作装置的结构俯视图；
[0030]
图4为本发明实施例一的结构流程图；
[0031]
图5为本发明s1步骤低温热清洗的结构示意图。
[0032]
1、气体分析装置；2、氢原子枪；3、氩原子枪；4、升降传动装置；5、阀门；6、热辐射装置。
具体实施方式
[0033]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0034]
实施例一:
[0035]
如图1所示，一种gaas光电阴极原子级洁净度的获得方法，包括经过低温热清洗、离子剥离和原子氢还原等，从而获得原子级洁净度的活化表面，具体步骤原理如下：
[0036]
s1：低温热清洗：低温热清洗采用辐射加热方式，通过给加热丝升温从而产生热辐射，热辐射透过avg玻璃后照射到gaas外延层上，从而给其加热；
[0037]
s2:氩离子剥离：经过电离后的ar 经过发射电压的加速，使其具有较大的动能轰击样品表面，破坏分子结构从而实现表面的剥离；
[0038]
s3：原子氢清洗：氢原子枪通过热裂解的方式产生原子氢，通过原子氢的作用产生局部高温，反应去除gaas发射层表面残余的碳、氧化镓等有害物质，其中生成的一氧化二镓蒸发点较低，很容易就能够升华出来，从而露出洁净活化的gaas发射层。
[0039]
在样品从一处阀门5进入之后，通过升降转换装置4将样品传动至工位，开启一处热辐射装置6，设定功率为w1,工作时间为t1，开启氩原子枪3，设置灯丝电流i1，栅极电压u1，发射电压为u2，工作时间为t2，之后通过升降转换装置4将样品传动至另一处工位，开启氢原子枪2，设置灯丝电流为i2，工作时间为t3，在指定时间之后，对样品进行清洗，并将样
品转移至下一工序设备中，在使用时，并通过气体分析装置1对内部进行实时气体成分分析。
[0040]
在其他实施例中，s1步骤中，热辐射源放置在avg大端面，距离gaas外延层6～20mm，加热丝工作功率w1＝60～100w，工作时间t1＝30～60min，低温热清洗过程中反应公示如下：
[0041][0042][0043][0044]
在其他实施例中，s2步骤需要在高真空环境中进行，且范围控制在1
×
10-5torr～1
×
10-7torr，并通过精密泄露阀通入氩气控制真空度，高真空中的氩离子是通过金属栅极来形成一定密度的电子云，提高ar气体与其碰撞的几率，从而产生所需密度的ar ，且s2步骤中采用的氩离子枪灯丝电流i1＝2.5～3.5a,栅极电压u1＝150～200v,发射电压u2＝2000～3000v，工作时间t2＝10～60min，实际情况下可以通过调节以上参数来控制剥离速度，本发明中的剥离gaas发射层的厚度约为10～100nm。
[0045]
在其他实施例中，s3中采用的氢原子枪通过热裂解的方式产生原子氢，灯丝电流i2＝10～15a，工作时间t3＝5～30min，且在表面残余的碳、氧化镓等有害物质的化学式为：
[0046][0047][0048]
在其他实施例中，热辐射装置中设定工作温度为400℃以上。
[0049]
在其他实施例中，在s2中的高真空环境包括但不限于超高真空腔室在无负载时真空度可≤1
×
10-9torr，氩离子枪的有效工作距离50～200mm，有效工作面积≥20mm，剥离速度≥0.5nm/min，氢离子枪的灯丝电流≥10a，最高温度≥1500℃。
[0050]
实施例二：
[0051]
本实施例，在实施例一的基础上，可通过调整工艺顺序来达成使用效果，包括先进行氩离子剥离、后进行低温热清洗、最后进行原子氢清洗，或先进行低温热清洗、后进行原子氢清洗、最后进行氩离子剥离等。
[0052]
采用以上方案可以显著的提高产品性能，降低材料成本：
[0053]
①
性能：衡量gaas光电阴极灵敏度的性能参数主要包括积分灵敏度、辐射灵敏度和均匀性，如下表所示
[0054]
表1性能提升对比
[0055][0056]
②
成本：
[0057]
成本控制上采用低温热清洗，一方面降低了gaas光电阴极中avg玻璃的要求，从而可以采用性价比更高的7056玻璃进行替代，单项材料成本降低50％左右；另一方面，采用7056玻璃，其键合温度更低，从而降低了键合工艺的要求，提升键合的合格率。
[0058]
其次，降低热清洗温度更有效的减轻了因砷化镓阴极一致性不好导致的合格率问题，且由于该方法整体上提高了砷化镓阴极的性能，所以在阴极激活的合格率上也有着显著的提升，从而提升成品合格率，降低成本。
[0059]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0060]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。