[發(fā)明專利]一種利用離子注入制備磷酸鈦氧鉀薄膜的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410199630.6
• 申請日: 2014-05-12
• 公開（公告）號: CN103952766A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧霏;馬鈺潔;馬長東
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: C30B31/22
• 分類號: C30B31/22;C30B33/02;C30B29/10;C30B29/64
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 崔苗苗

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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)椋啾容^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)報導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容

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1微米的磷酸鈦氧鉀薄膜。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案：

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：

(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?!-- SIPO -->

(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；注入離子束流密度是3～4微安/平方厘米；

(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℃，退火總時間2～6小時。

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1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100keV～200keV，注入離子劑量范圍5×10¹⁶離子/平方厘米～8×10¹⁶離子/平方厘米。

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1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。

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℃。根據(jù)注入的條件不同，合適的退火溫度有所不同。總的退火時間是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℃，退火時間是4個小時。

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。