光學(xué)晶體離子注入智能切割機理研究.pdf

1、集成光學(xué)是研究薄膜中的光學(xué)現(xiàn)象以及光學(xué)元件集成化的一門學(xué)科。它以光電子學(xué)，微電子學(xué)以及現(xiàn)代光學(xué)為理論基礎(chǔ)，以薄膜工藝和微電子工藝為技術(shù)基礎(chǔ)，將不同性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的光學(xué)元器件集成到薄膜材料上，因此制備高質(zhì)量的光學(xué)單晶薄膜在集成光學(xué)領(lǐng)域至關(guān)重要。在薄膜的制備方法中，離子注入結(jié)合綁定技術(shù)或者離子注入結(jié)合化學(xué)刻蝕的方法（智能切割技術(shù)）獲得的薄膜具備膜厚可以精確控制，薄膜性質(zhì)接近體材料，可實現(xiàn)批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢，因此具有很好的應(yīng)用前景。國外開展的相關(guān)研

2、究中，最成功的例子是用He離子注入制備鈮酸鋰薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，相關(guān)器件集成化的研究也已經(jīng)取得了令人矚目的成績。相對于智能切割技術(shù)在半導(dǎo)體Si材料上的廣泛應(yīng)用，光學(xué)晶體離子智能切割的研究，目前還處于探索階段。實現(xiàn)智能切割技術(shù)在光學(xué)晶體材料上的應(yīng)用還面臨著諸多挑戰(zhàn)。光學(xué)晶體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，薄膜材料對晶體的單晶性質(zhì)要求高，注入離子與光學(xué)晶體材料中的結(jié)構(gòu)原子之間的相互作用，不僅決定了智能切割方法的有效性，還直接影響到了薄膜的光學(xué)性質(zhì)，因此明確離子注入過

3、程中引入的缺陷性質(zhì)和缺陷演變機理至關(guān)重要。我們對不同材料進行離子注入，研究了離子注入后晶體和缺陷結(jié)構(gòu)的變化，揭示了缺陷和晶格變化對薄膜剝離的作用，通過不斷探索注入和注入后的材料處理條件，制備出了單晶特性完好的薄膜。最終建立了利用離子注入制備鉭酸鋰(LiTaO3)和磷酸鈦鉀氧(KTiOPO4，KTP)單晶薄膜的方法，為實現(xiàn)智能切割技術(shù)在制備光學(xué)材料單晶薄膜上的廣泛應(yīng)用提供了理論和實驗參考依據(jù)。
　　本論文的研究可以分為離子注入剝離鉭

4、酸鋰單晶薄膜機理和離子注入制備磷酸鈦氧鉀單晶薄膜兩部分。在對鉭酸鋰薄膜剝離機理研究中我們對離子注入引起的晶格損傷，晶格的應(yīng)變應(yīng)力，以及注入引起的缺陷結(jié)構(gòu)及其在退火過程中的演變等進行了深入的表征分析。通過實驗獲得了實現(xiàn)LiTaO3晶體表面剝離所需的最小注入劑量，基于模擬的氣泡半徑以及氣體內(nèi)部壓強，建立了晶體表面起泡的理論模型，對晶體表面剝離的物理原理有了充分的理解和認識。在對高能He離子注入的KTP單晶刻蝕過程中發(fā)現(xiàn)刻蝕具有很強的選擇性，

5、晶格重損傷區(qū)刻蝕速率是其它區(qū)域的1000倍以上。利用離子注入和刻蝕我們成功制備了KTP單晶薄膜。實驗測得薄膜保持了非常好的單品性，同時退火后薄膜的性質(zhì)會進一步增強。通過H和He共注LiTaO3和KTP我們分析了注入引起的晶格結(jié)構(gòu)變化以及應(yīng)力建立和釋放的過程，發(fā)現(xiàn)了KTP內(nèi)的晶格應(yīng)變呈現(xiàn)塑性形變這一不同尋常的性質(zhì)。以上研究為離子注入智能切割技術(shù)在光學(xué)晶體上的應(yīng)用提供了重要的參考和依據(jù)。
　　本文主要內(nèi)容和實驗結(jié)果如下:
　　(

6、1)將120keVH離子注入鉭酸鋰樣品，發(fā)現(xiàn)當注入劑量小于6×1016 ions/cm2時樣品表面觀察不到起泡的現(xiàn)象。使晶體表面起泡，注入劑量越高所需要的退火溫度和退火累積時間會相應(yīng)的降低。盧瑟福背散射溝道譜分析了5-8×1016ions/cm2劑量下晶格移位（晶格損傷）的程度。通過高分辨透射電鏡圖像可以看到，離子注入在離子射程末端會造成晶格的嚴重損傷，這個損傷層距表面800nm，與SRIM模擬的深度吻合。在這個損傷層以上的部分即靠近表

7、面的區(qū)域，晶格幾乎沒有損傷，這些區(qū)域就是我們所需要的薄膜層。進一步分析損傷層的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)損傷層是由一些團簇狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成?；谏鲜龅慕Y(jié)果與分析，我們提出了晶體表面起泡的物理模型。運用實驗測得的起泡最小劑量計算了鉭酸鋰的表面能量密度，這是目前首次報道的鉭酸鋰表面能量密度。根據(jù)Griffith裂紋結(jié)構(gòu)模型和FvK理論我們推導(dǎo)并計算了鉭酸鋰氣泡內(nèi)外的壓強差和起泡時的切向應(yīng)力，最終給出了氣泡半徑和壓強以及應(yīng)力之間的數(shù)值關(guān)系。
　　(2)探索用H

8、e離子注入來實現(xiàn)鉭酸鋰薄膜的剝離。我們發(fā)現(xiàn)只有5×1016ions/cm2的劑量注入時可以在晶體表面形成氣泡和剝離。當小于這個劑量時樣品表面形不成氣泡，而大于這個劑量的注入會造成晶體表面開裂。退火過程中表面薄膜剝離呈現(xiàn)條狀結(jié)構(gòu)，寬度在十到幾百個微米。通過高分辨TEM結(jié)果我們觀察到了納米氣泡的存在。納米氣泡引起周圍晶格的應(yīng)變和應(yīng)力。通過高分辨x射線衍射實驗與模擬結(jié)果的比較，我們重建了離子注入后晶體內(nèi)部的應(yīng)力分布。發(fā)現(xiàn)氣泡的密集分布造成了晶

9、體內(nèi)部應(yīng)力的聚集，而這一應(yīng)力是實現(xiàn)薄膜剝離的關(guān)鍵。通過調(diào)整注入束流的電流密度，我們研究注入溫度對樣品的影響。注入劑量相同的條件下，電流密度越大，注入產(chǎn)生的熱效應(yīng)越明顯。高電流密度9uA/cm2注入時，樣品表面會直接起泡。RBS實驗結(jié)果也表明，高電流密度注入會引入動態(tài)退火效應(yīng)，空位和填隙容易結(jié)合湮滅，造成RBS產(chǎn)額的減小;而當?shù)碗娏髅芏茸⑷霑r，填隙和空位擴散減弱，晶格損傷會因此累積，從而使得RBS溝道譜的產(chǎn)額變大。
　　(3)采用不

10、同成分和不同離子注入順序，我們研究了共注H和He離子實現(xiàn)薄膜剝離的原理和條件。在實驗中我們發(fā)現(xiàn)注入順序?qū)崿F(xiàn)薄膜剝離的影響明顯，He離子先注入的樣品更容易實現(xiàn)剝離。因此，我們提出了一種H和He協(xié)同效應(yīng)實現(xiàn)薄膜剝離的模型。通過RBS測試發(fā)現(xiàn)He先注入的樣品產(chǎn)額明顯大于H先注入的樣品。同時TEM結(jié)果也給出了兩種注入順序注入后在晶體內(nèi)部造成的材料微結(jié)構(gòu)的不同。x射線衍射結(jié)果顯示He先注入的樣品，應(yīng)力明顯大于H先注入的樣品。通過這些實驗結(jié)果證實

11、了這種協(xié)同效應(yīng)的存在及其作用機理。用x射線衍射觀察了退火作用引起的晶格應(yīng)變的恢復(fù)過程，實驗發(fā)現(xiàn)樣品的應(yīng)力釋放是通過表面的起泡或斷裂來實現(xiàn)的。
　　(4)采用2MeV的He離子注入KTP單晶，注入后的樣品會在表面下5微米深度處形成重損傷層。將樣品放入稀釋的HF溶液中進行刻蝕研究，發(fā)現(xiàn)刻蝕具有明顯的選擇性。通過刻蝕區(qū)規(guī)則的邊沿結(jié)構(gòu)可以斷定刻蝕具有明顯的截止區(qū)，其刻蝕閾值取決于晶格損傷的程度。在晶格重損傷區(qū)刻蝕速率可以達到非注入損傷層的

12、1000倍甚至更高。通過研究不同刻蝕條件，主要是刻蝕溫度和刻蝕溶液的濃度，發(fā)現(xiàn)刻蝕速率隨濃度和溫度的升高會明顯增加，但是刻蝕的選擇性會降低。我們優(yōu)選了刻蝕條件，得到了5微米厚的KTP薄膜。用同步輻射和拉曼散射對制備的單晶薄膜性質(zhì)進行了表征，薄膜依然保持非常好的單晶性，退火會使薄膜性質(zhì)進一步提高。
　　(5)在高電流和低電流密度兩種條件下，先后將110keV的H離子和190keV的He離子注入到KTP晶體中，注入劑量皆為4×1016

13、cm-2。通過透射電鏡分析，我們發(fā)現(xiàn)樣品表面下850nm處形成一條明顯的損傷帶。在低電流密度下，這一損傷帶對應(yīng)非晶結(jié)構(gòu)。而高電流密度時，注入產(chǎn)生的高溫則會使晶格損傷不斷恢復(fù)。經(jīng)過一系列的退火等處理，透射電鏡與X射線衍射結(jié)果表明，樣品的損傷得以部分恢復(fù)，晶體的內(nèi)部應(yīng)力也會減小。但是，與其他已有的智能切割光學(xué)晶體不同，注入會在Z切KTP晶體上產(chǎn)生收縮的應(yīng)變。同時周圍晶格的塑性形變也抑制了晶體表面起泡的發(fā)生。這使得利用離子注入和綁定技術(shù)相結(jié)合