一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法，將磷酸鈦氧鉀晶體分別放入乙醇和丙酮中超聲清洗處理；將低能量的輕離子-H離子或He離子在常溫下注入到磷酸鈦氧鉀材料中，注入離子能量范圍是100keV～300keV，注入離子劑量范圍1×1016離子/平方厘米～10×1016離子/平方厘米；將注入輕離子后的材料通過樹脂膠綁定在襯底上，或?qū)⒆⑷胼p離子后的材料直接鍵合在襯底上，注入面粘在襯底上；對上述樣品進(jìn)行退火處理。該方法可以獲得晶格結(jié)構(gòu)較好的單晶材料；并且這種方法對于襯底材料的要求不高，很容易實(shí)現(xiàn)綁定。
【專利說明】一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4)薄膜的方法，屬于非線性光學(xué)材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代技術(shù)中，光學(xué)器件逐步替代電子器件應(yīng)用于光信號處理中，因?yàn)?，相比較電子器件，光電子器件擁有很多的優(yōu)勢，如帶寬較大，波分復(fù)用等，所以將更多的光電子器件集成到芯片中成為當(dāng)今的熱門研究。而擁有較大折射率差的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高集成度的光學(xué)器件的必要條件。目前有很多種方法可以制作波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如化學(xué)氣相沉積法，射頻濺射法，分子束外延法，和脈沖激光沉積法，但是這些方法都很難制作出高質(zhì)量的單晶結(jié)構(gòu)材料。另外，如外延生長方法對晶格匹配有限制，這就對襯底材料有嚴(yán)格要求。磷酸鈦氧鉀材料，具有很好的非線性和電光特性，并且KTP薄膜材料可以被廣泛應(yīng)用于非線性和光電子集成器件中。磷酸鈦氧鉀晶體的化學(xué)組分是KTiOPO4，是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的氧化物光學(xué)晶體。傳統(tǒng)的薄膜制備技術(shù)很難獲得單晶薄膜。傳統(tǒng)KTP薄膜的制備方法采用機(jī)械拋光、外延生長或離子交換等化學(xué)方法，成本很高而且外延或化學(xué)方法制成的薄膜性能無法達(dá)到單晶的要求。離子注入是一種物理方法，制成的薄膜厚度可以在亞微米左右，而且保留了原單晶材料的性質(zhì)。這些優(yōu)勢是其他方法無法實(shí)現(xiàn)的。迄今為止，我們還沒有用離子注入方法實(shí)現(xiàn)磷酸鈦氧鉀薄膜剝離的相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不足而提供一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法，采用離子注入和綁定方法剝離下一層厚度不到I微米的磷酸鈦氧鉀薄膜。
[0004]本發(fā)明采取的技術(shù)方案:
[0005]一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法，包括步驟如下:
[0006](I)將磷酸鈦氧鉀晶體分別放入乙醇和丙酮中超聲清洗處理后，用氮?dú)獯蹈桑?br> [0007](2)將低能量的輕離子-H離子或He離子在常溫下注入到磷酸鈦氧鉀材料中，注入離子能量范圍是IOOkeV~300keV，注入離子劑量范圍I X IO16離子/平方厘米~10 X IO16離子/平方厘米；注入離子束流密度是3~4微安/平方厘米；
[0008](3)將注入輕離子后的材料通過樹脂膠綁定在襯底上，或?qū)⒆⑷胼p離子后的材料直接鍵合在襯底上，注入面粘在襯底上；
[0009](4)對上述樣品在空氣中進(jìn)行退火處理，退火溫度由室溫逐步升高，退火的高溫范圍為200~600°C，退火總時間2~6小時。
[0010] 上述制備方法中步驟(2)所述的輕離子注入面是拋光面，且注入面分有兩種切向，X切向和Z切向，兩種切向都可。圖1中給出X和Z兩種不同切向的樣品示意圖。相同條件的離子注入到不同切向的樣品中會有不同的結(jié)果。注入過程中要求注入束流范圍是3~4微安/平方厘米，以減小熱沉積導(dǎo)致的晶體表面損傷。注入溫度為常溫。選擇注入離子的能量大小決定了最終剝離下來的薄膜的厚度，能量越大，薄膜厚度越大。本發(fā)明中涉及的注入能量較小，損傷層的厚度在注入表面以下I微米左右，這樣可以剝離下較薄的晶體材料薄膜。注入劑量越大，引發(fā)的晶格損傷就越大，從而會加大薄膜剝離的可能性。但同時，高劑量注入過程中引起的熱效應(yīng)也可能促使損傷晶格的恢復(fù)。所以需要嘗試多種注入條件，確定實(shí)現(xiàn)薄膜剝離的最佳條件。優(yōu)選輕離子為H離子注入到X切向。注入離子能量范圍優(yōu)選IOOkeV~200keV，注入離子劑量范圍5 X IO16離子/平方厘米~8 X IO16離子/平方厘米。
[0011]上述步驟(3)中提到樹脂膠的組成為:環(huán)氧樹脂和硬化劑按照質(zhì)量比10:1混合在一起，從而達(dá)到很好的粘性，環(huán)氧樹脂和硬化劑均為常規(guī)原料。我們用的襯底為硅片或二氧化硅片，硅片襯底材料的厚度在0.5毫米左右，而樣品的厚度是I毫米，因此，我們將兩片硅襯底用樹脂膠粘在一起，再與樣品的注入面綁定在一起，以確保襯底的厚度與樣品的厚度接近。如果用直接鍵合的方法，即將清潔后的KTP晶體注入面與清潔后的襯底材料直接壓合，利用兩材料之間的分子力將兩者綁定在一起，則對樣品表面的光潔和平整度有較高的要求，而且襯底材料的熱膨脹系數(shù)要與樣品材料的系數(shù)匹配。[0012]上述步驟(4)所述的退火過程中，溫度以室溫為起點(diǎn)，逐漸增加退火溫度，最高可至600°C。根據(jù)注入的條件不同，合適的退火溫度有所不同?？偟耐嘶饡r間是2~6小時。在退火過程中，有的樣品會自動剝裂，有的則需要稍微施加外力，材料薄膜就會剝落下來。退火過程優(yōu)選條件是從室溫升到200°C，退火時間是4個小時。
[0013]上述制作磷酸鈦氧鉀薄膜的方法步驟在圖2中有示范說明。
[0014]我們按照上述步驟將不同條件的離子分別注入到X切向和Z切向的磷酸鈦氧鉀樣品中，然后進(jìn)行薄膜剝離。其中，將氫離子(H+)注入到樣品中后實(shí)現(xiàn)了薄膜剝離。將能量為117keV，劑量是6 X IO16離子/平方厘米的氫離子沿著樣品Z晶向注入，在注入完成后樣品表面就發(fā)生了薄膜剝裂的現(xiàn)象。相同條件的氫離子沿著樣品X晶向注入時并沒有出現(xiàn)剝裂現(xiàn)象，但是通過綁定和退火加工，依然可以剝離下一層薄膜。在圖3中有我們剝離下來的磷酸鈦氧鉀薄膜的掃描電鏡圖片，圖中顯示薄膜的厚度是900多納米。將不同條件的氦離子(He+)注入到樣品后，我們通過透射電子顯微鏡觀察到在離子射程末端出現(xiàn)了很多的裂痕，說明如果對樣品進(jìn)行綁定和退火處理，應(yīng)該也會出現(xiàn)薄膜剝離現(xiàn)象。
[0015]本發(fā)明用離子注入和綁定方法可以制作出高單晶特性的薄膜，其原理是:將高劑量(1016~IO17離子/平方厘米)的輕離子(如H+或He+)注入到樣品中，再把樣品綁定在襯底材料上后經(jīng)過一系列的退火過程，樣品會在離子注入射程末端，即損傷最大位置處剝裂，從而剝離下一層晶格結(jié)構(gòu)較好的材料薄膜。
[0016]與現(xiàn)有的獲得材料薄膜的方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:利用離子注入和退火方法可以獲得晶格結(jié)構(gòu)較好的單晶材料；并且這種方法對于襯底材料的要求不高，很容易實(shí)現(xiàn)綁定。我們通過這種方法獲得了單晶特性較好的磷酸鈦氧鉀薄膜，通過能譜儀我們探測到了樣品組成元素信號，而薄膜的X射線衍射圖譜給出了較好的單晶衍射峰。表明剝離的薄膜具有與單晶KTP晶體相似的性質(zhì)。薄膜的X射線衍射譜見圖4。衍射峰的峰值所在位置與單晶一致，較寬的衍射峰意味著晶體結(jié)構(gòu)有損傷，這是離子注入晶體后引起的普遍結(jié)果，通常需要注入后的退火處理來消除。圖5是注入后的透射電鏡圖，可以清楚地看出在注入深度區(qū)晶體出現(xiàn)了斷裂，借助綁定的方法可以將這層晶體剝落?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明中所用到的X和Z兩種不冋切向的樣品不意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明中所用到的方法流程圖；
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中2#產(chǎn)品的形貌圖。
[0020]圖4為利用本發(fā)明獲得的磷酸鈦氧鉀薄膜的X射線衍射譜。
[0021 ] 圖5位本發(fā)明實(shí)施例3中13#產(chǎn)品的透射電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明。其中，實(shí)施例1中的注入條件與實(shí)施例2中的一樣，只是樣品的切向不同，實(shí)施例1中樣品切向是X切向，而實(shí)施例2中樣品的切向是Z切向。
[0023]實(shí)施例1
[0024]采用能量為117keV的H離子常溫下注入到X切向的磷酸鈦氧鉀材料中，注入劑量范圍:5X IO16離子/平方厘米~8X IO16離子/平方厘米；注入后將樣品與硅襯底用樹脂膠綁定并進(jìn)行退火處理，退火溫度由室溫逐步升到200°C，退火總時間:4小時。測試結(jié)果如下:
[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法，其特征是，包括步驟如下: (1)將磷酸鈦氧鉀晶體分別放入乙醇和丙酮中超聲清洗處理后，用氮?dú)獯蹈桑? (2)將低能量的輕離子-H離子或He離子，在常溫下注入到磷酸鈦氧鉀材料中，注入離子能量范圍是IOOkeV~300keV，注入離子劑量范圍I X IO16離子/平方厘米~10 X IO16離子/平方厘米；注入離子束流密度是3~4 μ A/cm2 ； (3)將注入輕離子后的材料通過樹脂膠綁定在襯底上，或?qū)⒆⑷胼p離子后的材料直接鍵合在襯底上，注入面粘在襯底上； (4)對上述樣品在空氣中進(jìn)行退火處理，退火溫度由室溫逐步升高，退火的高溫范圍為200~600°C，退火總時間2~6小時。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法，其特征是，步驟(2)所述的輕離子注入面是拋光面，且注入面分有兩種切向，X切向和Z切向。
3.根據(jù)權(quán) 利要求1所述的一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法，其特征是，步驟(2)所述的輕離子為H離子注入到X切向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法，其特征是，注入離子能量范圍選IOOkeV~200keV，注入離子劑量范圍5X IO16離子/平方厘米~8X IO16離子/平方厘米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法，其特征是，步驟(3)中提到樹脂膠的組成為:環(huán)氧樹脂和硬化劑按照質(zhì)量比10:1混合在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法，其特征是，退火是從室溫升到200°C，退火時間是4個小時。
【文檔編號】C30B31/22GK103952766SQ201410199630
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】盧霏, 馬鈺潔, 馬長東 申請人:山東大學(xué)