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

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

2、實現(xiàn)特定的光學功能，在生化傳感、環(huán)境檢測及信息通信等領域有著廣泛的應用。光波導是集成光學最基本的組成結構，由一定厚度的高折射率介質及低折射率的包覆層構成。光波導的尺度與工作波長在同一個量級（微米），通光截面較小，與體材料器件相比更容易達到高功率密度。光波導中的非線性光學效應（二次諧波產(chǎn)生、光學參量振蕩等），激光效應（波導激光、波導放大器等）和光孤子等已經(jīng)成為國際上的研究熱點。迄今為止光波導器件的制備可以由多種方式實現(xiàn)，較為常用的方法包括

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

4、)/Smart Cut以及離子束增強刻蝕。
　　直接對光學材料進行離子注入/輻照可以改變材料表面的折射率從而形成光波導。離子注入/輻照技術能夠精確控制注入離子的種類、劑量和深度，是一種應用較廣泛的波導制備方法，在光學晶體、聚合物、陶瓷、玻璃等多種光學材料均可形成光波導結構。將離子注入/輻照技術與光刻、刻蝕工藝相結合，可以制備條形波導、脊型波導等光波導結構。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。質量較重離子注入一般會在材料近表面區(qū)域形成幾微米厚的折射率增加的波導層，從而將光限制在波導層中傳播。重離子注入的劑量通常比輕離子注入低1～3個數(shù)量級，相對而言重離子是一種更為有效的波導制備方法。近年來，快重離子輻照（能量在20MeV-幾GeV的重離子）作為一種新的波導制備手段，顯示出許多獨特的優(yōu)勢，受到了研究者的重視。
　　CIS/Smart Cut技術是制備單晶薄膜波導的一種有效的方法。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技術的物理基礎。由于H和He在大部分材料里的固溶度都很低，注入會在晶體內部形成一個含有氣泡的損傷層，退火處理時注入的離子擴散并聚集到氣泡中，這些氣泡逐漸變大并且相互連接到一起，最后氣泡內的壓力就會使晶體表面發(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微米的單晶薄膜，選擇合適的鍵合襯底可以形成對光具有較強限制作用的波導結構。
　　離子束增強刻蝕結合了離子注入和化學濕法腐蝕，是在材料表面制備脊型波導結構和其他微納結構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大為降低。研究結果表明，損傷達到一定程度的區(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。雖然離子束增強刻蝕不能直接制備出波導，但與平面波導制備技術相結合可以制備出結構更為復雜的脊型波導、波導光柵等微結構。
　　本文主要研究離子柬技術在光學晶體材料上制備光波導結構，包含三方面內容:CIS/Smart Cut(包括Blistering現(xiàn)象和薄膜制備)，離子束增強刻蝕和直接離子注入光學材料制備光波導。主要研究結果如下:
　　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，是集成光學中最有價值的材料之一。我們研究了不同劑量離子注入后鈮酸鋰晶體表面起泡時間和退火溫度的關系，計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。通過盧瑟福背散射/溝道分析技術和暗模特性譜分析了所制備鈮酸鋰薄膜的性質。實驗結果表明，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、離層能夠形成波導結構。
　　金紅石(TiO2)晶體具有高折射率和較高的三階非線性光學系數(shù)，可以制作超快光學開關和超連續(xù)光源等多種納米光子學器件。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間下晶體表面的Blistering現(xiàn)象。通過盧瑟福背散射/溝道技術，高分辨X射線衍射和掃描電子顯微鏡測試分析了注入后晶體近表面區(qū)域的性質。研究結果表明，通過大劑量的He離子注入和一定條件的退火處理，金紅

11、石晶體可以實現(xiàn)有效的剝離。
　　鉭酸鉀(KTaO3)晶體有較強的二次電光效應，還具有較大的介電常數(shù)和折射率，可以應用于可調微波器件、數(shù)字式偏轉器和各種集成光學窗口。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。二次離子質譜測試結果顯示，退火過程中He離子發(fā)生了明顯的外擴散，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刻蝕特性。利用臺階儀、金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡測量了刻蝕的深度、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)，制備高質量的微納結構。研究結果表明，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壁，腐

13、蝕所形成的脊型結構比較規(guī)則。我們利用6MeV銅離子注入導致的離子束增強刻蝕在退火質子交換鈮酸鋰平面波導上制備了低損耗的脊型光波導，所制備脊型波導最低損耗為1.13dB/cm。
　　摻鐠正硅酸釔晶體(Pr∶YSO)具有良好的光學性能，是量子光信息儲存的一種優(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。采用棱鏡耦合方法測量波導結構的暗模特性譜，研究了注入引起的折射率變化和注入劑量之間的關系。共

14、聚焦微熒光光譜顯示波導區(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波導在量子信息存儲中具有潛在的應用價值。
　　近化學計量比鈮酸鋰(SLN)與同成分鈮酸鋰(CLN)相比具有更完美的晶體結構，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。我們在摻鎂近化學計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。利用盧瑟福背散射/溝道技術研究了離子注入產(chǎn)生的損傷，采用棱鏡耦合法測量波導的暗模特