专利名称：能提高材料结晶品质的组合离子注入技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能提高材料结晶品质的组合离子注入技术，属于离子束材料改性的技术领域。
背景技术：
在离子束材料改性过程中，注入离子的剂量通常大于材料非晶化的临界剂量(＞1016/cm2)，高剂量离子注入后材料在注入区域形成非晶层。为使材料能制备成相应的器件，材料表面的非晶层必需去除。传统的方法是使用高温热退火去除这些非晶层。然而这种方法有一定的局限性，如高温热退火本身会引起主晶格成分的分解、表面氧化等，因此实际中很难仅通过热退火而使材料的结晶性能有大幅度的提高。80年代以后，人们发现使用二次离子注入可以促进非晶层的再结晶，其物理机制是注入的二次离子在非晶层中产生大量的空位，在接下去的结晶过程中，这些空位的存在使得邻近原子的移动有更大自由度，更容易进入晶格位置，从而大大促进了非晶层的重结晶能力。与传统的热退火相比，二次离子注入诱导非晶层再结晶的过程使离子注入后材料具有更低的激活能。此外，该过程还避免了传统的热退火的一些不足之处，如主晶格成分的分解和形成更复杂的缺陷团簇等。
从实际应用角度来说，人们总是希望在非晶材料的重结晶过程中最大限度地恢复晶格的完整性，因此二次离子注入形成空位和后续的热重生长过程引起了人们广泛的兴趣。然而由于注入的二次离子在非晶层中既能促进晶化也能破坏晶化，最终究竟是促进还是破坏，取决于二次离子注入的条件，如离子种类，剂量和注入能量，因此，二次注入离子的作用在很大程度上依赖于注入的条件。这就导致实际操作中如何准确地选择二次离子注入条件以达到最佳晶化效果成为较棘手的难题。为寻找到二次离子的最佳注入条件，人们往往需要做大量的实验，不仅工作量大，耗时多，效率低，而且找到的二次离子的最佳注入条件不具有重复性，即适用于一种材料的二次离子的最佳注入条件，不适用于另一种材料。因此在离子束材料改性过程中如何选择合适的二次离子注入条件是材料获得良好结晶品质的关键。
发明内容
针对上述离子束材料改性过程中碰到的问题，本发明的目的在于推出一种能提高材料结晶品质的组合离子注入技术。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案使用组合材料技术先在一块拟改性材料的衬底上制备大量的具有各不相同的二次离子注入参数的样品单元，并对该块衬底上的样品单元进行高效、并行的测试，筛选出结晶品质最好的样品单元，该单元对应的二次离子注入参数就是最佳的二次离子注入条件，用最佳的二次离子注入条件对另一块拟改性衬底进行离子束材料改性处理，使拟改性衬底表面的非晶结构能得到最大限度的重结晶，使晶格的完整性能得到最大限度的恢复，从而提高拟改性衬底的结晶品质。
现结合附图详细说明本发明的技术方案。一种能提高材料结晶品质的组合离子注入技术，其特征在于，具体操作步骤第一步一次离子注入将第一掩膜板a覆盖在拟改性材料的衬底的表面，连同所述的衬底一起放在注入机的样品架上，进行一次离子注入，获得注入条件一致的64个样品单元，所述的拟改性材料是半导体材料，第一掩膜板a是8×8孔洞的A1板，一次离子注入条件为所述的一次离子为金属离子，能量为50keV，一次离子注入剂量为ds1；第二步第1次二次离子注入将第二掩膜板b覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放在注入机的样品架上，进行第1次二次离子注入，第二掩膜板b是4×8孔洞的A1板，第一掩膜板a的一半被覆盖，第1次二次离子注入条件为所述的二次离子为组成所述的拟改性材料的一种金属元素的离子，能量为50keV，第1次二次离子注入剂量ds21；
第三步第2次二次离子注入将第二步中的第二掩膜板b旋转90度后覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放在注入机的样品架上，进行第2次二次离子注入，第二掩膜板b是4×8孔洞的A1板，第一掩膜板a的一半被覆盖，第2次二次离子注入条件为所述的二次离子为第二步中所述的离子，能量为50keV，第2次二次离子注入剂量ds22＝2 ds21；第四步第3次二次离子注入取下第二掩膜板b，将第三掩膜板c覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放在注入机的样品架上，进行第3次二次离子注入，第三掩膜板c是有两个2×8孔洞的A1板，第一掩膜板a各两行交替被覆盖，第3次二次离子注入条件为所述的二次离子为第二步中所述的离子，能量为50keV，第3次二次离子注入剂量ds23＝4 ds21；第五步第4次二次离子注入将第四步中的第三掩膜板c旋转90度后覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放在注入机的样品架上，进行第4次二次离子注入，第三掩膜板c是有两个2×8孔洞的A1板，第一掩膜板a各两行交替被覆盖，第4次二次离子注入条件为所述的二次离子为第二步中所述的离子，能量为50keV，第4次二次离子注入剂量ds24＝8 ds21；第六步第5次二次离子注入取下第三掩膜板c，将第四掩膜板d覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放入注入机内样品架上，进行第5次二次离子注入，第四掩膜板d是有四个1×8孔洞的A1板，第一掩膜板a各行交替被覆盖，第5次二次离子注入条件为所述的二次离子为第二步中所述的离子，能量为50keV，第5次二次离子注入剂量ds25＝16 ds21；第七步第6次二次离子注入将第六步中的第四掩膜板d旋转90度后覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放入注入机内样品架上，进行第6次二次离子注入，第四掩膜板d是有四个1×8孔洞的A1板，第一掩膜板a各行交替被覆盖，第6次二次离子注入条件为所述的二次离子为第二步中所述的离子，能量为50keV，第6次二次离子注入剂量ds26＝32 ds21，ds21+ds22+ds23+ds24+ds25+ds26＝5～15 ds1，至此，在所述的衬底的表面上排列着用64种二次离子注入条件制成的64个样品单元；第八步快速退火N2气氛中，所述的衬底快速热退火，退火条件为800℃，10s；第九步筛选出结晶品质最好的样品单元使用Raman散射技术来表征材料重结晶后的结晶品质，所述的衬底上每个样品单元的拉曼测量在Dilor LabRam-INFINITY显微拉曼光谱仪上进行，激发光为Ar+激光的514.5nm线，采用背散射的几何配置，激发光入射方向垂直于样品表面，最后筛选出结晶品质最好的样品单元；第十步制备结晶品质最好的衬底取一片拟改性材料的衬底，按第九步筛选得到的结晶品质最好的样品单元所对应的二次离子注入条件对其进行二次离子注入处理，再将经上述处理的衬底进行上述的第八步的快速退火处理，得结晶品质最好的衬底。
本发明的技术方案的进一步特征在于，第一步中，所述的半导体材料是GaAs，所述的金属离子是Mn，ds1＝1016/cm2；在第二～七步中，所述的二次离子是所述的GaAs材料的主晶格离子Ga或As或易挥发性的离子H，ds21＝1.6*1015/cm2，ds21+ds22+ds23+ds24+ds25+ds26＝10.24*1015/cm2。
与背景技术相比，本发明具有以下优点1、本发明所述的技术稳定可靠，保证能为任何一种半导体材料的衬底找到其二次离子的最佳注入条件。
2、本发明所述的技术施行时操作规范，针对性强，易于实现，省工，省时，高效。
图1实施本发明的技术的过程中所需的掩膜板的示意图。其中，a是第一掩膜板，有8×8个洞孔；b是第二掩膜板，有一个洞孔，洞孔尺寸为8×4，洞孔位于该掩膜板的第1行～第4行；c是第三掩膜板，有两个洞孔，洞孔尺寸为8×2，洞孔位于该掩膜板的第1、2行和第5、6行；d是第四掩膜板，有四个洞孔，洞孔尺寸为8×1，洞孔位于该掩膜板的第1行、第3行、第5行和第7行。
图2离子注入技术处理GaAs衬底的光学照片。
图3GaAs衬底中64个单元的二次离子注入剂量的分布曲线。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，详细说明本发明的技术方案。所有的实施例完全按照上述的具体操作步骤进行操作，每个实施例仅示出关键的技术数据。
实施例1第一步中，所述的拟改性材料是GaAs材料，所述的一次离子为Mn，ds1＝1016/cm2；第二～七步中，所述的二次离子是所述的GaAs材料的主晶格离子Ga，ds21＝1.6*1015/cm2，ds22＝2*1.6*1015/cm2＝3.2*1015/cm2，ds23＝4*1.6*1015/cm2＝6.4*1015/cm2，ds24＝8*1.6*1015/cm2＝12.8*1015/cm2，ds25＝16*1.6*1015/cm2＝25.6*1015/cm2，ds26＝32*1.6*1015/cm2＝51.2*1015/cm2，ds21+ds22+ds23+ds24+ds25+ds26＝10.24ds1。
实施例2除以下不同外，其余部分均与实施例1完全相同第二～七步中，所述的二次离子是所述的GaAs材料的主晶格离子As。
实施例3除以下不同外，其余部分均与实施例1完全相同第二～七步中，所述的二次离子是易挥发性的离子H。
从上面描述可以看出本发明的技术在筛选二次离子的最佳注入条件上显示出巨大的优越性，由于该技术能制备出大量的不同实验条件下可比性强的样品单元，使得人们能系统地研究材料晶体质量随二次注入剂量的变化规律，从而筛选出最佳的二次离子的注入条件。而用传统的方法时，很可能会忽略某一区间段参数的变化。该技术还可以推广到离子束材料改性的其它领域，如对半导体功能材料或金属材料氢化或氮化的研究。
权利要求
1.一种能提高材料结晶品质的组合离子注入技术，其特征在于，具体操作步骤第一步一次离子注入将第一掩膜板a覆盖在拟改性材料的衬底的表面，连同所述的衬底一起放在注入机的样品架上，进行一次离子注入，获得注入条件一致的64个样品单元，所述的拟改性材料是半导体材料，第一掩膜板a是8×8孔洞的Al板，一次离子注入条件为所述的一次离子为金属离子，能量为50keV，一次离子注入剂量为ds1；第二步第1次二次离子注入将第二掩膜板b覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放在注入机的样品架上，进行第1次二次离子注入，第二掩膜板b是4×8孔洞的Al板，第一掩膜板a的一半被覆盖，第1次二次离子注入条件为所述的二次离子为组成所述的拟改性材料的一种金属元素的离子，能量为50keV，第1次二次离子注入剂量ds21；第三步第2次二次离子注入将第二步中的第二掩膜板b旋转90度后覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放在注入机的样品架上，进行第2次二次离子注入，第二掩膜板b是4×8孔洞的Al板，第一掩膜板a的一半被覆盖，第2次二次离子注入条件为所述的二次离子为第二步中所述的离子，能量为50keV，第2次二次离子注入剂量ds22＝2ds21；第四步第3次二次离子注入取下第二掩膜板b，将第三掩膜板c覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放在注入机的样品架上，进行第3次二次离子注入，第三掩膜板c是有两个2×8孔洞的Al板，第一掩膜板a各两行交替被覆盖，第3次二次离子注入条件为所述的二次离子为第二步中所述的离子，能量为50keV，第3次二次离子注入剂量ds23＝4ds21；第五步第4次二次离子注入将第四步中的第三掩膜板c旋转90度后覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放在注入机的样品架上，进行第4次二次离子注入，第三掩膜板c是有两个2×8孔洞的Al板，第一掩膜板a各两行交替被覆盖，第4次二次离子注入条件为所述的二次离子为第二步中所述的离子，能量为50keV，第4次二次离子注入剂量ds24＝8ds21；第六步第5次二次离子注入取下第三掩膜板c，将第四掩膜板d覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放入注入机内样品架上，进行第5次二次离子注入，第四掩膜板d是有四个1×8孔洞的Al板，第一掩膜板a各行交替被覆盖，第5次二次离子注入条件为所述的二次离子为第二步中所述的离子，能量为50keV，第5次二次离子注入剂量ds25＝16ds21；第七步第6次二次离子注入将第六步中的第四掩膜板d旋转90度后覆盖在第一掩膜板a的上方，连同所述的衬底和第一掩膜板a一起放入注入机内样品架上，进行第6次二次离子注入，第四掩膜板d是有四个1×8孔洞的Al板，第一掩膜板a各行交替被覆盖，第6次二次离子注入条件为所述的二次离子为第二步中所述的离子，能量为50keV，第6次二次离子注入剂量ds26＝32ds21，ds21+ds22+ds23+ds24+ds25+ds26＝5～15ds1，至此，在所述的衬底的表面上排列着用64种二次离子注入条件制成的64个样品单元；第八步快速退火N2气氛中，所述的衬底快速热退火，退火条件为800℃，10s；第九步筛选出结晶品质最好的样品单元使用Raman散射技术来表征材料重结晶后的结晶品质，所述的衬底上每个样品单元的拉曼测量在Dilor LabRam-INFINITY显微拉曼光谱仪上进行，激发光为Ar+激光的514.5nm线，采用背散射的几何配置，激发光入射方向垂直于样品表面，最后筛选出结晶品质最好的样品单元；第十步制备结晶品质最好的衬底取一片拟改性材料的衬底，按第九步筛选得到的结晶品质最好的样品单元所对应的二次离子注入条件对其进行二次离子注入处理，再将经上述处理的衬底进行上述的第八步的快速退火处理，得结晶品质最好的衬底。
2.根据权利要求1所述的能提高材料结晶品质的组合离子注入技术，其特征在于，第一步中，所述的半导体材料是GaAs，所述的金属离子是Mn，ds1＝1016/cm2；在第二～七步中，所述的二次离子是所述的GaAs材料的主晶格离子Ga或As或易挥发性的离子H，ds21＝1.6*1015/cm2，ds21+ds22+ds23+ds24+ds25+ds26＝10.24*1015/cm2。
全文摘要
一种能提高材料结晶品质的组合离子注入技术，属于离子束材料改性的技术领域。使用组合材料技术先在一块拟改性材料的衬底上制备大量的具有各不相同的二次离子注入参数的样品单元，并对该块衬底上的样品单元进行高效、并行的测试，筛选出结晶品质最好的样品单元，该单元对应的二次离子注入参数就是最佳的二次离子注入条件，用最佳的二次离子注入条件对另一块拟改性衬底进行离子束材料改性处理，使拟改性衬底表面的非晶结构能得到最大限度的重结晶，使晶格的完整性能得到最大限度的恢复，从而提高拟改性衬底的结晶品质。有稳定可靠、操作规范、针对性强、易于实现等优点。该技术还可以推广到对半导体功能材料或金属材料氢化或氮化的研究。
文档编号C23C14/54GK101021003SQ200710038298
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月22日 优先权日2007年3月22日
发明者申晔, 王基庆, 茅惠兵, 赵强, 俞建国 申请人:华东师范大学