离子注入光学晶体材料的Blistering现象和波导制备研究

发布时间：2017-04-27 05:03

  本文关键词：离子注入光学晶体材料的Blistering现象和波导制备研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：离子束技术是材料表面改性和表征的一个重要研究领域,在过去几十年里催生了半导体工业中的若干关键技术。卢瑟福背散射/沟道分析、弹性反冲探测分析、核反应分析和二次离子质谱分析已经成为应用广泛的表面和界面分析方法。离子注入/辐照技术已经广泛应用于半导体、金属和绝缘体材料的表面改性及处理中,在化学、医药和冶金等领域也发挥着重要的作用。上个世纪末以来集成光学得到了迅猛发展。集成光学器件结构紧凑,可以将多个光学微纳元件集成在同一块衬底上以实现特定的光学功能,在生化传感、环境检测及信息通信等领域有着广泛的应用。光波导是集成光学最基本的组成结构,由一定厚度的高折射率介质及低折射率的包覆层构成。光波导的尺度与工作波长在同一个量级(微米),通光截面较小,与体材料器件相比更容易达到高功率密度。光波导中的非线性光学效应(二次谐波产生、光学参量振荡等),激光效应(波导激光、波导放大器等)和光孤子等已经成为国际上的研究热点。迄今为止光波导器件的制备可以由多种方式实现,较为常用的方法包括金属离子扩散、离子交换、薄膜沉积、离子束技术、飞秒激光直写、溶胶凝胶等。其中,离子束技术是一种得到广泛研究及应用的波导制备技术,在特定材料中的波导形成机理仍吸引着业界的研究兴趣。通过控制注入离子的种类、能量和剂量,离子束技术可以在光学晶体、光学玻璃、半导体和有机材料等衬底上制备光波导结构。目前已经有多种利用离子束技术的手段可以制备光波导结构,其中最典型的方法是直接离子注入/辐照、Crystal Ion Slicing(CIS)/Smart Cut以及离子束增强刻蚀。直接对光学材料进行离子注入/辐照可以改变材料表面的折射率从而形成光波导。离子注入/辐照技术能够精确控制注入离子的种类、剂量和深度,是一种应用较广泛的波导制备方法,在光学晶体、聚合物、陶瓷、玻璃等多种光学材料均可形成光波导结构。将离子注入/辐照技术与光刻、刻蚀工艺相结合,可以制备条形波导、脊型波导等光波导结构。离子注入通常可分为轻离子(H和He)注入和较重离子(C、O、Si、Ar、Cu等)注入。质量较重离子注入一般会在材料近表面区域形成几微米厚的折射率增加的波导层,从而将光限制在波导层中传播。重离子注入的剂量通常比轻离子注入低1～3个数量级,相对而言重离子是一种更为有效的波导制备方法。近年来,快重离子辐照(能量在20MeV-几GeV的重离子)作为一种新的波导制备手段,显示出许多独特的优势,受到了研究者的重视。CIS/Smart Cut技术是制备单晶薄膜波导的一种有效的方法。该方法是将轻离子(H或He)注入到晶体内部一定的深度,然后键合到适合的衬底上,经过湿法刻蚀或者退火处理后能够均匀地从衬底上“切”下单晶薄膜。轻离子注入引起的Blistering现象是CIS/Smart Cut技术的物理基础。由于H和He在大部分材料里的固溶度都很低,注入会在晶体内部形成一个含有气泡的损伤层,退火处理时注入的离子扩散并聚集到气泡中,这些气泡逐渐变大并且相互连接到一起,最后气泡内的压力就会使晶体表面发生变形,产生表面Blistering现象。依赖于注入离子的能量,CIS/Smart Cut 可以制备出厚度几百纳米到几个微米的单晶薄膜,选择合适的键合衬底可以形成对光具有较强限制作用的波导结构。离子束增强刻蚀结合了离子注入和化学湿法腐蚀,是在材料表面制备脊型波导结构和其他微纳结构的一种较有效的方法。在离子注入过程中,注入离子将能量转移到晶体晶格上引起大量的缺陷,从而形成高损伤层甚至非晶层,损伤层的耐腐蚀性与体材料相比会大为降低。研究结果表明,损伤达到一定程度的区域可以被特定的腐蚀液刻蚀,而未损伤区域则不能被刻蚀(或者刻蚀速率极低),这就形成了刻蚀的选择性。虽然离子束增强刻蚀不能直接制备出波导,但与平面波导制备技术相结合可以制备出结构更为复杂的脊型波导、波导光栅等微结构。本文主要研究离子束技术在光学晶体材料上制备光波导结构,包含三方面内容：CIS/Smart Cut(包括Blistering现象和薄膜制备),离子束增强刻蚀和直接离子注入光学材料制备光波导。主要研究结果如下：铌酸锂(LiNbO3)具有优良的电光、非线性、声光、光弹等物理性质,是集成光学中最有价值的材料之一。我们研究了不同剂量离子注入后铌酸锂晶体表面起泡时间和退火温度的关系,计算了起泡过程中的活化能。利用He离子注入与Cu-Sn键合相结合的方法制备了大面积(几cm2)低缺陷密度的亚微米厚度铌酸锂平板波导。通过卢瑟福背散射/沟道分析技术和暗模特性谱分析了所制备铌酸锂薄膜的性质。实验结果表明,我们制备的铌酸锂薄膜卢瑟福背散射/沟道谱产额较低,铌酸锂薄膜和二氧化硅隔离层能够形成波导结构。金红石(Ti02)晶体具有高折射率和较高的三阶非线性光学系数,可以制作超快光学开关和超连续光源等多种纳米光子学器件。我们利用能量为200keV,不同剂量的He离子注入金红石晶体,研究了不同退火温度和退火时间下晶体表面的Blistering现象。通过卢瑟福背散射/沟道技术,高分辨X射线衍射和扫描电子显微镜测试分析了注入后晶体近表面区域的性质。研究结果表明,通过大剂量的He离子注入和一定条件的退火处理,金红石晶体可以实现有效的剥离。钽酸钾(KTa03)晶体有较强的二次电光效应,还具有较大的介电常数和折射率,可以应用于可调微波器件、数字式偏转器和各种集成光学窗口。我们利用能量为190keV,不同剂量的He离子注入KTaO3晶体,在不同的退火条件下研究离子注入的Blistering现象。二次离子质谱测试结果显示,退火过程中He离子发生了明显的外扩散,He离子分布由退火前的单峰高斯分布变成了双峰分布。研究结果表明,通过He离子注入和后续的退火处理,KTaO3晶体在较低的注入剂量下就可以实现有效的剥离。我们采用MeV的氧、硅和铜离子注入z切同成分铌酸锂单晶样品,研究了铌酸锂的离子束增强刻蚀特性。利用台阶仪、金相显微镜和扫描电子显微镜测量了刻蚀的深度、速度以及表面形貌。刻蚀的形貌是由注入离子的种类和剂量决定的,通过选择合适的离子种类和剂量,可以避免表面裂纹的出现,制备高质量的微纳结构。研究结果表明,与氧和硅离子注入相比,铜离子注入可以形成陡直的腐蚀侧壁,腐蚀所形成的脊型结构比较规则。我们利用6MeV铜离子注入导致的离子束增强刻蚀在退火质子交换铌酸锂平面波导上制备了低损耗的脊型光波导,所制备脊型波导最低损耗为113dB/cm。掺镨正硅酸钇晶体(Pr：YSO)具有良好的光学性能,是量子光信息储存的一种优选衬底材料。我们利用6MeV氧离子注入掺镨正硅酸钇晶体,制备了低损耗的平面和条形波导。采用棱镜耦合方法测量波导结构的暗模特性谱,研究了注入引起的折射率变化和注入剂量之间的关系。共聚焦微荧光光谱显示波导区域荧光发光特性与体材料相比并没有发生明显的变化。制备的Pr：YSO波导在量子信息存储中具有潜在的应用价值。近化学计量比铌酸锂(SLN)与同成分铌酸锂(CLN)相比具有更完美的晶体结构,可以明显改善晶体性能。镁掺杂能极大的增加铌酸锂晶体的光损伤阈值。我们在掺镁近化学计量比铌酸锂上利用多剂量的MeV氧离子注入形成平面光波导。利用卢瑟福背散射/沟道技术研究了离子注入产生的损伤,采用棱镜耦合法测量波导的暗模特性谱,并通过一系列的退火处理研究波导模式有效折射率的退火特性。研究结果表明,退火过程可以作为调节波导折射率的一种有效手段。
【关键词】：离子注入 Blistering 光波导 离子束增强刻蚀 光学晶体
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN252
【目录】：

• 中文摘要10-14
• ABSTRACT14-18
• 符号说明18-19
• 第一章 绪论19-32
• 1.1 离子束技术简介19-21
• 1.2 离子束技术的应用21-25
• 1.3 本文主要研究内容和目标25-28
• 参考文献28-32
• 第二章 基本理论及实验方法32-49
• 2.1 平面波导线光学理论33-35
• 2.2 离子注入与背散射/沟道分析技术35-39
• 2.3 质子交换技术39-41
• 2.4 光刻技术41-42
• 2.5 波导性能测试方法42-46
• 2.6 X射线衍射46-47
• 参考文化47-49
• 第三章 He离子注入铌酸锂晶体表面Blistering现象和薄膜波导制备研究49-61
• 3.1 He离子注入铌酸锂晶体表面Blistering现象50-54
• 3.2 He离子注入与Cu-Sn键合法制备铌酸锂单晶薄膜54-60
• 参考文献60-61
• 第四章 He离子注入金红石和钽酸钾晶体表面Blistering现象61-76
• 4.1 He离子注入金红石晶体表面Blistering现象62-69
• 4.2 He离子注入钽酸钾晶体表面Blistering现象69-75
• 参考文献75-76
• 第五章 重离子注入铌酸锂晶体离子束增强刻蚀和脊型波导制备研究76-87
• 5.1 离子注入铌酸锂晶体离子束增强刻蚀性质研究77-83
• 5.2 离子束增强刻蚀方法制备质子交换铌酸锂脊型波导83-86
• 参考文献86-87
• 第六章 氧离子注入Pr：YSO和Mg：SLN晶体波导制备研究87-100
• 6.1 氧离子注入Pr：YSO晶体平面波导的制备88-93
• 6.2 氧离子注入Pr：YSO晶体条形波导的制备93-95
• 6.3 氧离子注入Mg：SLN晶体平面波导的制备95-99
• 参考文献99-100
• 第七章 总结100-104
• 7.1 主要研究结果101-103
• 7.2 主要创新点103-104
• 攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励104-105
• 致谢105-106
• 附外文论文106-116
• 学位论文评阅及答辩情况表116

【参考文献】

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1 王磊;离子注入平面与条形光波导的优化条件研究[D];山东大学;2007年

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本文编号：329938