[发明专利]一种利用离子注入制备磷酸钛氧钾薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用离子注入制备磷酸钛氧钾(KTiOPO₄)薄膜的方法，属于非线性光学材料技术领域。

背景技术

在现代技术中，光学器件逐步替代电子器件应用于光信号处理中，因为，相比较电子器件，光电子器件拥有很多的优势，如带宽较大，波分复用等，所以将更多的光电子器件集成到芯片中成为当今的热门研究。而拥有较大折射率差的波导结构是实现高集成度的光学器件的必要条件。目前有很多种方法可以制作波导结构，如化学气相沉积法，射频溅射法，分子束外延法，和脉冲激光沉积法，但是这些方法都很难制作出高质量的单晶结构材料。另外，如外延生长方法对晶格匹配有限制，这就对衬底材料有严格要求。磷酸钛氧钾材料，具有很好的非线性和电光特性，并且KTP薄膜材料可以被广泛应用于非线性和光电子集成器件中。磷酸钛氧钾晶体的化学组分是KTiOPO₄，是结构较为复杂的氧化物光学晶体。传统的薄膜制备技术很难获得单晶薄膜。传统KTP薄膜的制备方法采用机械抛光、外延生长或离子交换等化学方法，成本很高而且外延或化学方法制成的薄膜性能无法达到单晶的要求。离子注入是一种物理方法，制成的薄膜厚度可以在亚微米左右，而且保留了原单晶材料的性质。这些优势是其他方法无法实现的。迄今为止，我们还没有用离子注入方法实现磷酸钛氧钾薄膜剥离的相关报导。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足而提供一种利用离子注入制备磷酸钛氧钾薄膜的方法，采用离子注入和绑定方法剥离下一层厚度不到1微米的磷酸钛氧钾薄膜。

本发明采取的技术方案：

一种利用离子注入制备磷酸钛氧钾薄膜的方法，包括步骤如下：

(1)将磷酸钛氧钾晶体分别放入乙醇和丙酮中超声清洗处理后，用氮气吹干；

(2)将低能量的轻离子-H离子或He离子在常温下注入到磷酸钛氧钾材料中，注入离子能量范围是100keV～300keV，注入离子剂量范围1×10¹⁶离子/平方厘米～10×10¹⁶离子/平方厘米；注入离子束流密度是3～4微安/平方厘米；

(3)将注入轻离子后的材料通过树脂胶绑定在衬底上，或将注入轻离子后的材料直接键合在衬底上，注入面粘在衬底上；

(4)对上述样品在空气中进行退火处理，退火温度由室温逐步升高，退火的高温范围为200～600℃，退火总时间2～6小时。

上述制备方法中步骤(2)所述的轻离子注入面是抛光面，且注入面分有两种切向，X切向和Z切向，两种切向都可。图1中给出X和Z两种不同切向的样品示意图。相同条件的离子注入到不同切向的样品中会有不同的结果。注入过程中要求注入束流范围是3～4微安/平方厘米，以减小热沉积导致的晶体表面损伤。注入温度为常温。选择注入离子的能量大小决定了最终剥离下来的薄膜的厚度，能量越大，薄膜厚度越大。本发明中涉及的注入能量较小，损伤层的厚度在注入表面以下1微米左右，这样可以剥离下较薄的晶体材料薄膜。注入剂量越大，引发的晶格损伤就越大，从而会加大薄膜剥离的可能性。但同时，高剂量注入过程中引起的热效应也可能促使损伤晶格的恢复。所以需要尝试多种注入条件，确定实现薄膜剥离的最佳条件。优选轻离子为H离子注入到X切向。注入离子能量范围优选100keV～200keV，注入离子剂量范围5×10¹⁶离子/平方厘米～8×10¹⁶离子/平方厘米。

上述步骤(3)中提到树脂胶的组成为：环氧树脂和硬化剂按照质量比10:1混合在一起，从而达到很好的粘性,环氧树脂和硬化剂均为常规原料。我们用的衬底为硅片或二氧化硅片，硅片衬底材料的厚度在0.5毫米左右，而样品的厚度是1毫米，因此，我们将两片硅衬底用树脂胶粘在一起，再与样品的注入面绑定在一起，以确保衬底的厚度与样品的厚度接近。如果用直接键合的方法，即将清洁后的KTP晶体注入面与清洁后的衬底材料直接压合，利用两材料之间的分子力将两者绑定在一起，则对样品表面的光洁和平整度有较高的要求，而且衬底材料的热膨胀系数要与样品材料的系数匹配。

上述步骤(4)所述的退火过程中，温度以室温为起点，逐渐增加退火温度，最高可至600℃。根据注入的条件不同，合适的退火温度有所不同。总的退火时间是2～6小时。在退火过程中，有的样品会自动剥裂，有的则需要稍微施加外力，材料薄膜就会剥落下来。退火过程优选条件是从室温升到200℃，退火时间是4个小时。

上述制作磷酸钛氧钾薄膜的方法步骤在图2中有示范说明。