单晶薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用离子注入技术结合化学刻蚀制备光学晶体(KT1PO4)薄膜的方法，属于光学晶体材料技术领域。
【背景技术】
[0002]光学器件正逐步替代电子元器件应用于信息与信号处理中，因为，相比较电子元器件，光电子器件拥有很多的优势，如带宽较大，波分复用，低功耗等优点。拥有优良的光电、压电、铁电以及非线性特性的光学晶体材料，如LiNbO3, LiTaOjP KT1PO 4等在表面波滤波器、光波导、光电调制器、倍频转化、信息存储等方面有着广泛的应用。随着光电子器件和产品的集成化和微小型化发展趋势，将更多的光电子器件集成到芯片中成为当今的热门研究。集成光学正是将不同功能的光路，光学元器件集合在一起，实现了光学信息处理系统的集成化和微小型化。电子元器件的集成需要制备单晶娃薄膜，例如(Silicon On Insulate，SOI)。因此，实现光学器件的高度集成必需制备出光学晶体材料薄膜。目前有很多种方法可以制作薄膜结构，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。国内专利(CN201410199630.6)公开了一种利用离子注入制备磷酸钛氧钾薄膜的方法，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，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；对上述样品进行退火处理。但其采用直接绑定的方法剥离晶膜，对材料表面的平整及光洁度要求较高；且由于绑定实现剥离的条件比较苛刻，对注入离子剂量、能量和退火条件都有一定的限制，比如适用于绑定的注入剂量有一个严格的使用范围，即所谓的剂量的“窗口”。同时，注入的能量不能太高，否则注入产生的应变不足以使太厚的薄膜剥离下来。但迄今为止，还没有用离子注入技术结合化学刻蚀实现光学晶体薄膜制备的方法的相关报导。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是采用离子注入和化学刻蚀结合，实现剥离下一层范围为400纳米至20微米内厚度可任意选择的光学晶体材料薄膜制备的方法。提到的用离子注入结合化学刻蚀的方法可以制作出具备高质量单晶特性的薄膜。这种方法的基本原理是:将高剂量(I XlO16- 10 17离子/平方厘米)的轻离子(如H+或He+)注入到样品中，再将样品经过一系列的退火过程，最后放入化学溶液中浸泡刻蚀处理，样品会在离子注入射程末端，即损伤最大位置处实现选择性的刻蚀，从而剥离下一层晶格结构完好的材料薄膜。
[0004]为实现上述目的，本发明采取如下技术方案:
[0005]—种利用离子注入结合化学刻蚀制备KT1PO4单晶薄膜的方法，包括步骤如下:
[0006](I)提供光学晶体样品；
[0007](2)对光学晶体样品进行离子注入，形成晶体损伤层，其中注入离子能量范围是10keV?6000keV，离子的注入剂量大于I X 116离子/平方厘米；
[0008](3)将注入后的样品表面涂覆树脂保护或与衬底绑定，再进行退火处理；
[0009](4)将退火处理后的样品进行抛光处理；
[0010](5)将抛光处理后的样品用化学药剂进行选择性刻蚀，剥离出晶体薄膜。
[0011]优选的是，离子的注入剂量范围是I X 116离子/平方厘米?1X10 17离子/平方厘米。以保证有较好的刻蚀效率。因为刻蚀速率与选择性均与注入损伤密切相关，注入剂量低于IX116离子/平方厘米时晶体损伤程度较低，刻蚀效率会降低。
[0012]优选的是，注入的离子为H离子和He离子。
[0013]优选的是，所述离子注入在常温或低温条件下进行。
[0014]优选的是，采用苯并环丁烯对样品表面进行涂覆保护。
[0015]优选的是，所述注入后的样品与衬底绑定的步骤为注入后的样品与衬底直接进行热压键合或以苯并环丁烯为键合介质进行热压键合。
[0016]优选的是，所述退火处理为快速退火或逐渐升温退火。
[0017]优选的是，所述退火处理的温度为:200°C?600°C。退火总时间10秒?2小时。
[0018]优选的是，所述抛光处理为机械粗研磨或化学机械抛光。
[0019]优选的是，所述化学药剂包括氢氟酸和/或硝酸、氢氧化钾和/或硝酸钾中的任种。
[0020]优选的是，所述刻蚀温度范围为20°C _450°C，如果选用氢氟酸或硝酸进行刻蚀，刻蚀温度较低，通常不超过60度。而采用氢氧化钾和/或硝酸盐进行刻蚀，需要碱或硝酸盐处于熔融状态，两者的熔点在450°C以内。
[0021]步骤(2)中轻离子为H离子和He离子。样品的注入面是抛光面。注入温度为常温或低温条件下。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。注入剂量越大，引发的晶格损伤就越大，薄膜刻蚀剥离的速度也会相应加快。
[0022]步骤(3)中提到样品表面涂覆材料是苯并环丁烯，绑定样品所用的方法两种是:一、用甩胶机在样品注入面或衬底材料表面旋涂苯并环丁烯(BCB)单体或树脂，涂层的厚度由甩胶机的参数，如初始加速度，转速，甩胶时间，和苯并环丁烯的浓度等决定。然后将涂有苯并环丁烯的样品加热到100°C至350°C范围，使样品表面形成保护层，或者将注入面与衬底压合在一起，实现绑定。二、采用直接键合的方法，首先样品和衬底表面的平整度要好，对样品和衬底表面采用化学试剂清洗并用去离子水冲洗，最后样品和衬底表面用洁净氮气吹干，将两者表面叠放在一起轻微施加压力即实现二者键合。
[0023]步骤(3)中提到的退火时间由退火温度和退火方式决定。退火方式分为逐渐升温退火和快速退火。逐渐升温退火为将样品从室温逐渐升高到所需温度，保持在到达的温度相应的时间。快速退火为所需的温度已提前实现，直接将样品放在所需的温度环境里保持相应的时间。在较高的温度下较短时间的快速退火方式可以达到与逐渐升温退火方式下较低温度但是较长时间的退火相同的效果。退火温度越高需要的时间越短，快速退火需要的温度高，但是退火时间可以相应减少。
[0024]步骤(4)中提到的抛光方法，一是机械粗研磨方法，将金刚砂或碳化硼粉末溶于水并涂于磨盘，将样品固定在夹具上手动研磨。二是化学和机械结合方式抛光法，将样品放于研磨抛光机，并在磨盘分别涂金刚石研磨抛光膏进行抛光。之后清洗磨盘，再滴加含二氧化硅悬浮液的抛光液做进一步精细抛光。
[0025]步骤(5)所述的刻蚀液温度中，温度取决于所选的刻蚀试剂，例如，用酸溶液氢氟酸和(或)硝酸温度为室温即可。也可以稍微加热溶液，这样会相应提高刻蚀速率。关于溶液中氢氟酸和(或)硝酸的浓度可以根据刻蚀的选择性要求做相应的稀释，浓度范围为1%至70%。若采用氢氧化钾和(或)硝酸钾刻蚀，需要的温度则相对要高一些。
[0026]上述制备光学晶体材料薄膜的方法步骤在图1中有示范说明。
[0027]我们按照上述步骤将轻离子注入到KT1PO4晶体