離子注入光學(xué)晶體材料的Blistering現(xiàn)象和波導(dǎo)制備研究.pdf

1、離子束技術(shù)是材料表面改性和表征的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，在過去幾十年里催生了半導(dǎo)體工業(yè)中的若干關(guān)鍵技術(shù)。盧瑟福背散射/溝道分析、彈性反沖探測(cè)分析、核反應(yīng)分析和二次離子質(zhì)譜分析已經(jīng)成為應(yīng)用廣泛的表面和界面分析方法。離子注入/輻照技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、金屬和絕緣體材料的表面改性及處理中，在化學(xué)、醫(yī)藥和冶金等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用。
　　上個(gè)世紀(jì)末以來集成光學(xué)得到了迅猛發(fā)展。集成光學(xué)器件結(jié)構(gòu)緊湊，可以將多個(gè)光學(xué)微納元件集成在同一塊襯底上以

2、實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)功能，在生化傳感、環(huán)境檢測(cè)及信息通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。光波導(dǎo)是集成光學(xué)最基本的組成結(jié)構(gòu)，由一定厚度的高折射率介質(zhì)及低折射率的包覆層構(gòu)成。光波導(dǎo)的尺度與工作波長(zhǎng)在同一個(gè)量級(jí)（微米），通光截面較小，與體材料器件相比更容易達(dá)到高功率密度。光波導(dǎo)中的非線性光學(xué)效應(yīng)（二次諧波產(chǎn)生、光學(xué)參量振蕩等），激光效應(yīng)（波導(dǎo)激光、波導(dǎo)放大器等）和光孤子等已經(jīng)成為國際上的研究熱點(diǎn)。迄今為止光波導(dǎo)器件的制備可以由多種方式實(shí)現(xiàn)，較為常用的方法包括

3、金屬離子擴(kuò)散、離子交換、薄膜沉積、離子束技術(shù)、飛秒激光直寫、溶膠凝膠等。其中，離子束技術(shù)是一種得到廣泛研究及應(yīng)用的波導(dǎo)制備技術(shù)，在特定材料中的波導(dǎo)形成機(jī)理仍吸引著業(yè)界的研究興趣。
　　通過控制注入離子的種類、能量和劑量，離子束技術(shù)可以在光學(xué)晶體、光學(xué)玻璃、半導(dǎo)體和有機(jī)材料等襯底上制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)有多種利用離子束技術(shù)的手段可以制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中最典型的方法是直接離子注入/輻照、Crystal Ion Slicing(CIS

4、)/Smart Cut以及離子束增強(qiáng)刻蝕。
　　直接對(duì)光學(xué)材料進(jìn)行離子注入/輻照可以改變材料表面的折射率從而形成光波導(dǎo)。離子注入/輻照技術(shù)能夠精確控制注入離子的種類、劑量和深度，是一種應(yīng)用較廣泛的波導(dǎo)制備方法，在光學(xué)晶體、聚合物、陶瓷、玻璃等多種光學(xué)材料均可形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。將離子注入/輻照技術(shù)與光刻、刻蝕工藝相結(jié)合，可以制備條形波導(dǎo)、脊型波導(dǎo)等光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。離子注入通?？煞譃檩p離子(H和He)注入和較重離子（C、O、Si、Ar、Cu

5、等）注入。質(zhì)量較重離子注入一般會(huì)在材料近表面區(qū)域形成幾微米厚的折射率增加的波導(dǎo)層，從而將光限制在波導(dǎo)層中傳播。重離子注入的劑量通常比輕離子注入低1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，相對(duì)而言重離子是一種更為有效的波導(dǎo)制備方法。近年來，快重離子輻照（能量在20MeV-幾GeV的重離子）作為一種新的波導(dǎo)制備手段，顯示出許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，受到了研究者的重視。
　　CIS/Smart Cut技術(shù)是制備單晶薄膜波導(dǎo)的一種有效的方法。該方法是將輕離子(H或He)注入

6、到晶體內(nèi)部一定的深度，然后鍵合到適合的襯底上，經(jīng)過濕法刻蝕或者退火處理后能夠均勻地從襯底上“切”下單晶薄膜。輕離子注入引起的Blistering現(xiàn)象是CIS/Smart Cut技術(shù)的物理基礎(chǔ)。由于H和He在大部分材料里的固溶度都很低，注入會(huì)在晶體內(nèi)部形成一個(gè)含有氣泡的損傷層，退火處理時(shí)注入的離子擴(kuò)散并聚集到氣泡中，這些氣泡逐漸變大并且相互連接到一起，最后氣泡內(nèi)的壓力就會(huì)使晶體表面發(fā)生變形，產(chǎn)生表面Blistering現(xiàn)象。依賴于注入離子

7、的能量，CIS/Smart Cut可以制備出厚度幾百納米到幾個(gè)微米的單晶薄膜，選擇合適的鍵合襯底可以形成對(duì)光具有較強(qiáng)限制作用的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　離子束增強(qiáng)刻蝕結(jié)合了離子注入和化學(xué)濕法腐蝕，是在材料表面制備脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和其他微納結(jié)構(gòu)的一種較有效的方法。在離子注入過程中，注入離子將能量轉(zhuǎn)移到晶體晶格上引起大量的缺陷，從而形成高損傷層甚至非晶層，損傷層的耐腐蝕性與體材料相比會(huì)大為降低。研究結(jié)果表明，損傷達(dá)到一定程度的區(qū)域可以被特定的腐蝕液

8、刻蝕，而未損傷區(qū)域則不能被刻蝕（或者刻蝕速率極低），這就形成了刻蝕的選擇性。雖然離子束增強(qiáng)刻蝕不能直接制備出波導(dǎo)，但與平面波導(dǎo)制備技術(shù)相結(jié)合可以制備出結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的脊型波導(dǎo)、波導(dǎo)光柵等微結(jié)構(gòu)。
　　本文主要研究離子柬技術(shù)在光學(xué)晶體材料上制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包含三方面內(nèi)容:CIS/Smart Cut(包括Blistering現(xiàn)象和薄膜制備)，離子束增強(qiáng)刻蝕和直接離子注入光學(xué)材料制備光波導(dǎo)。主要研究結(jié)果如下:
　　鈮酸鋰(LiNbO

9、3)具有優(yōu)良的電光、非線性、聲光、光彈等物理性質(zhì)，是集成光學(xué)中最有價(jià)值的材料之一。我們研究了不同劑量離子注入后鈮酸鋰晶體表面起泡時(shí)間和退火溫度的關(guān)系，計(jì)算了起泡過程中的活化能。利用He離子注入與Cu-Sn鍵合相結(jié)合的方法制備了大面積(幾cm2)低缺陷密度的亞微米厚度鈮酸鋰平板波導(dǎo)。通過盧瑟福背散射/溝道分析技術(shù)和暗模特性譜分析了所制備鈮酸鋰薄膜的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們制備的鈮酸鋰薄膜盧瑟福背散射/溝道譜產(chǎn)額較低，鈮酸鋰薄膜和二氧化硅隔

10、離層能夠形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
　　金紅石(TiO2)晶體具有高折射率和較高的三階非線性光學(xué)系數(shù)，可以制作超快光學(xué)開關(guān)和超連續(xù)光源等多種納米光子學(xué)器件。我們利用能量為200keV，不同劑量的He離子注入金紅石晶體，研究了不同退火溫度和退火時(shí)間下晶體表面的Blistering現(xiàn)象。通過盧瑟福背散射/溝道技術(shù)，高分辨X射線衍射和掃描電子顯微鏡測(cè)試分析了注入后晶體近表面區(qū)域的性質(zhì)。研究結(jié)果表明，通過大劑量的He離子注入和一定條件的退火處理，金紅

11、石晶體可以實(shí)現(xiàn)有效的剝離。
　　鉭酸鉀(KTaO3)晶體有較強(qiáng)的二次電光效應(yīng)，還具有較大的介電常數(shù)和折射率，可以應(yīng)用于可調(diào)微波器件、數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器和各種集成光學(xué)窗口。我們利用能量為190keV，不同劑量的He離子注入KTaO3晶體，在不同的退火條件下研究離子注入的Blistering現(xiàn)象。二次離子質(zhì)譜測(cè)試結(jié)果顯示，退火過程中He離子發(fā)生了明顯的外擴(kuò)散，He離子分布由退火前的單峰高斯分布變成了雙峰分布。研究結(jié)果表明，通過He離子注入和

12、后續(xù)的退火處理，KTaO3晶體在較低的注入劑量下就可以實(shí)現(xiàn)有效的剝離。
　　我們采用MeV的氧、硅和銅離子注入z切同成分鈮酸鋰單晶樣品，研究了鈮酸鋰的離子束增強(qiáng)刻蝕特性。利用臺(tái)階儀、金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡測(cè)量了刻蝕的深度、速度以及表面形貌?？涛g的形貌是由注入離子的種類和劑量決定的，通過選擇合適的離子種類和劑量，可以避免表面裂紋的出現(xiàn)，制備高質(zhì)量的微納結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，與氧和硅離子注入相比，銅離子注入可以形成陡直的腐蝕側(cè)壁，腐

13、蝕所形成的脊型結(jié)構(gòu)比較規(guī)則。我們利用6MeV銅離子注入導(dǎo)致的離子束增強(qiáng)刻蝕在退火質(zhì)子交換鈮酸鋰平面波導(dǎo)上制備了低損耗的脊型光波導(dǎo)，所制備脊型波導(dǎo)最低損耗為1.13dB/cm。
　　摻鐠正硅酸釔晶體(Pr∶YSO)具有良好的光學(xué)性能，是量子光信息儲(chǔ)存的一種優(yōu)選襯底材料。我們利用6MeV氧離子注入摻鐠正硅酸釔晶體，制備了低損耗的平面和條形波導(dǎo)。采用棱鏡耦合方法測(cè)量波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的暗模特性譜，研究了注入引起的折射率變化和注入劑量之間的關(guān)系。共

14、聚焦微熒光光譜顯示波導(dǎo)區(qū)域熒光發(fā)光特性與體材料相比并沒有發(fā)生明顯的變化。制備的Pr∶YSO波導(dǎo)在量子信息存儲(chǔ)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰(SLN)與同成分鈮酸鋰(CLN)相比具有更完美的晶體結(jié)構(gòu)，可以明顯改善晶體性能。鎂摻雜能極大的增加鈮酸鋰晶體的光損傷閾值。我們?cè)趽芥V近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰上利用多劑量的MeV氧離子注入形成平面光波導(dǎo)。利用盧瑟福背散射/溝道技術(shù)研究了離子注入產(chǎn)生的損傷，采用棱鏡耦合法測(cè)量波導(dǎo)的暗模特