專利名稱：能提高材料結晶品質的組合離子注入技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種能提高材料結晶品質的組合離子注入技術，屬于離子束材料改性的技術領域。
背景技術：
在離子束材料改性過程中，注入離子的劑量通常大于材料非晶化的臨界劑量(＞1016/cm2)，高劑量離子注入后材料在注入區域形成非晶層。為使材料能制備成相應的器件，材料表面的非晶層必需去除。傳統的方法是使用高溫熱退火去除這些非晶層。然而這種方法有一定的局限性，如高溫熱退火本身會引起主晶格成分的分解、表面氧化等，因此實際中很難僅通過熱退火而使材料的結晶性能有大幅度的提高。80年代以后，人們發現使用二次離子注入可以促進非晶層的再結晶，其物理機制是注入的二次離子在非晶層中產生大量的空位，在接下去的結晶過程中，這些空位的存在使得鄰近原子的移動有更大自由度，更容易進入晶格位置，從而大大促進了非晶層的重結晶能力。與傳統的熱退火相比，二次離子注入誘導非晶層再結晶的過程使離子注入后材料具有更低的激活能。此外，該過程還避免了傳統的熱退火的一些不足之處，如主晶格成分的分解和形成更復雜的缺陷團簇等。
從實際應用角度來說，人們總是希望在非晶材料的重結晶過程中最大限度地恢復晶格的完整性，因此二次離子注入形成空位和后續的熱重生長過程引起了人們廣泛的興趣。然而由于注入的二次離子在非晶層中既能促進晶化也能破壞晶化，最終究竟是促進還是破壞，取決于二次離子注入的條件，如離子種類，劑量和注入能量，因此，二次注入離子的作用在很大程度上依賴于注入的條件。這就導致實際操作中如何準確地選擇二次離子注入條件以達到最佳晶化效果成為較棘手的難題。為尋找到二次離子的最佳注入條件，人們往往需要做大量的實驗，不僅工作量大，耗時多，效率低，而且找到的二次離子的最佳注入條件不具有重復性，即適用于一種材料的二次離子的最佳注入條件，不適用于另一種材料。因此在離子束材料改性過程中如何選擇合適的二次離子注入條件是材料獲得良好結晶品質的關鍵。
發明內容
針對上述離子束材料改性過程中碰到的問題，本發明的目的在于推出一種能提高材料結晶品質的組合離子注入技術。為實現上述目的，本發明采用以下技術方案使用組合材料技術先在一塊擬改性材料的襯底上制備大量的具有各不相同的二次離子注入參數的樣品單元，并對該塊襯底上的樣品單元進行高效、并行的測試，篩選出結晶品質最好的樣品單元，該單元對應的二次離子注入參數就是最佳的二次離子注入條件，用最佳的二次離子注入條件對另一塊擬改性襯底進行離子束材料改性處理，使擬改性襯底表面的非晶結構能得到最大限度的重結晶，使晶格的完整性能得到最大限度的恢復，從而提高擬改性襯底的結晶品質。
現結合附圖詳細說明本發明的技術方案。一種能提高材料結晶品質的組合離子注入技術，其特征在于，具體操作步驟第一步一次離子注入將第一掩膜板a覆蓋在擬改性材料的襯底的表面，連同所述的襯底一起放在注入機的樣品架上，進行一次離子注入，獲得注入條件一致的64個樣品單元，所述的擬改性材料是半導體材料，第一掩膜板a是8×8孔洞的A1板，一次離子注入條件為所述的一次離子為金屬離子，能量為50keV，一次離子注入劑量為ds1；第二步第1次二次離子注入將第二掩膜板b覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放在注入機的樣品架上，進行第1次二次離子注入，第二掩膜板b是4×8孔洞的A1板，第一掩膜板a的一半被覆蓋，第1次二次離子注入條件為所述的二次離子為組成所述的擬改性材料的一種金屬元素的離子，能量為50keV，第1次二次離子注入劑量ds21；
第三步第2次二次離子注入將第二步中的第二掩膜板b旋轉90度后覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放在注入機的樣品架上，進行第2次二次離子注入，第二掩膜板b是4×8孔洞的A1板，第一掩膜板a的一半被覆蓋，第2次二次離子注入條件為所述的二次離子為第二步中所述的離子，能量為50keV，第2次二次離子注入劑量ds22＝2 ds21；第四步第3次二次離子注入取下第二掩膜板b，將第三掩膜板c覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放在注入機的樣品架上，進行第3次二次離子注入，第三掩膜板c是有兩個2×8孔洞的A1板，第一掩膜板a各兩行交替被覆蓋，第3次二次離子注入條件為所述的二次離子為第二步中所述的離子，能量為50keV，第3次二次離子注入劑量ds23＝4 ds21；第五步第4次二次離子注入將第四步中的第三掩膜板c旋轉90度后覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放在注入機的樣品架上，進行第4次二次離子注入，第三掩膜板c是有兩個2×8孔洞的A1板，第一掩膜板a各兩行交替被覆蓋，第4次二次離子注入條件為所述的二次離子為第二步中所述的離子，能量為50keV，第4次二次離子注入劑量ds24＝8 ds21；第六步第5次二次離子注入取下第三掩膜板c，將第四掩膜板d覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放入注入機內樣品架上，進行第5次二次離子注入，第四掩膜板d是有四個1×8孔洞的A1板，第一掩膜板a各行交替被覆蓋，第5次二次離子注入條件為所述的二次離子為第二步中所述的離子，能量為50keV，第5次二次離子注入劑量ds25＝16 ds21；第七步第6次二次離子注入將第六步中的第四掩膜板d旋轉90度后覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放入注入機內樣品架上，進行第6次二次離子注入，第四掩膜板d是有四個1×8孔洞的A1板，第一掩膜板a各行交替被覆蓋，第6次二次離子注入條件為所述的二次離子為第二步中所述的離子，能量為50keV，第6次二次離子注入劑量ds26＝32 ds21，ds21+ds22+ds23+ds24+ds25+ds26＝5～15 ds1，至此，在所述的襯底的表面上排列著用64種二次離子注入條件制成的64個樣品單元；第八步快速退火N2氣氛中，所述的襯底快速熱退火，退火條件為800℃，10s；第九步篩選出結晶品質最好的樣品單元使用Raman散射技術來表征材料重結晶后的結晶品質，所述的襯底上每個樣品單元的拉曼測量在Dilor LabRam-INFINITY顯微拉曼光譜儀上進行，激發光為Ar+激光的514.5nm線，采用背散射的幾何配置，激發光入射方向垂直于樣品表面，最后篩選出結晶品質最好的樣品單元；第十步制備結晶品質最好的襯底取一片擬改性材料的襯底，按第九步篩選得到的結晶品質最好的樣品單元所對應的二次離子注入條件對其進行二次離子注入處理，再將經上述處理的襯底進行上述的第八步的快速退火處理，得結晶品質最好的襯底。
本發明的技術方案的進一步特征在于，第一步中，所述的半導體材料是GaAs，所述的金屬離子是Mn，ds1＝1016/cm2；在第二～七步中，所述的二次離子是所述的GaAs材料的主晶格離子Ga或As或易揮發性的離子H，ds21＝1.6*1015/cm2，ds21+ds22+ds23+ds24+ds25+ds26＝10.24*1015/cm2。
與背景技術相比，本發明具有以下優點1、本發明所述的技術穩定可靠，保證能為任何一種半導體材料的襯底找到其二次離子的最佳注入條件。
2、本發明所述的技術施行時操作規范，針對性強，易于實現，省工，省時，高效。
圖1實施本發明的技術的過程中所需的掩膜板的示意圖。其中，a是第一掩膜板，有8×8個洞孔；b是第二掩膜板，有一個洞孔，洞孔尺寸為8×4，洞孔位于該掩膜板的第1行～第4行；c是第三掩膜板，有兩個洞孔，洞孔尺寸為8×2，洞孔位于該掩膜板的第1、2行和第5、6行；d是第四掩膜板，有四個洞孔，洞孔尺寸為8×1，洞孔位于該掩膜板的第1行、第3行、第5行和第7行。
圖2離子注入技術處理GaAs襯底的光學照片。
圖3GaAs襯底中64個單元的二次離子注入劑量的分布曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，詳細說明本發明的技術方案。所有的實施例完全按照上述的具體操作步驟進行操作，每個實施例僅示出關鍵的技術數據。
實施例1第一步中，所述的擬改性材料是GaAs材料，所述的一次離子為Mn，ds1＝1016/cm2；第二～七步中，所述的二次離子是所述的GaAs材料的主晶格離子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。
實施例2除以下不同外，其余部分均與實施例1完全相同第二～七步中，所述的二次離子是所述的GaAs材料的主晶格離子As。
實施例3除以下不同外，其余部分均與實施例1完全相同第二～七步中，所述的二次離子是易揮發性的離子H。
從上面描述可以看出本發明的技術在篩選二次離子的最佳注入條件上顯示出巨大的優越性，由于該技術能制備出大量的不同實驗條件下可比性強的樣品單元，使得人們能系統地研究材料晶體質量隨二次注入劑量的變化規律，從而篩選出最佳的二次離子的注入條件。而用傳統的方法時，很可能會忽略某一區間段參數的變化。該技術還可以推廣到離子束材料改性的其它領域，如對半導體功能材料或金屬材料氫化或氮化的研究。
權利要求
1.一種能提高材料結晶品質的組合離子注入技術，其特征在于，具體操作步驟第一步一次離子注入將第一掩膜板a覆蓋在擬改性材料的襯底的表面，連同所述的襯底一起放在注入機的樣品架上，進行一次離子注入，獲得注入條件一致的64個樣品單元，所述的擬改性材料是半導體材料，第一掩膜板a是8×8孔洞的Al板，一次離子注入條件為所述的一次離子為金屬離子，能量為50keV，一次離子注入劑量為ds1；第二步第1次二次離子注入將第二掩膜板b覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放在注入機的樣品架上，進行第1次二次離子注入，第二掩膜板b是4×8孔洞的Al板，第一掩膜板a的一半被覆蓋，第1次二次離子注入條件為所述的二次離子為組成所述的擬改性材料的一種金屬元素的離子，能量為50keV，第1次二次離子注入劑量ds21；第三步第2次二次離子注入將第二步中的第二掩膜板b旋轉90度后覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放在注入機的樣品架上，進行第2次二次離子注入，第二掩膜板b是4×8孔洞的Al板，第一掩膜板a的一半被覆蓋，第2次二次離子注入條件為所述的二次離子為第二步中所述的離子，能量為50keV，第2次二次離子注入劑量ds22＝2ds21；第四步第3次二次離子注入取下第二掩膜板b，將第三掩膜板c覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放在注入機的樣品架上，進行第3次二次離子注入，第三掩膜板c是有兩個2×8孔洞的Al板，第一掩膜板a各兩行交替被覆蓋，第3次二次離子注入條件為所述的二次離子為第二步中所述的離子，能量為50keV，第3次二次離子注入劑量ds23＝4ds21；第五步第4次二次離子注入將第四步中的第三掩膜板c旋轉90度后覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放在注入機的樣品架上，進行第4次二次離子注入，第三掩膜板c是有兩個2×8孔洞的Al板，第一掩膜板a各兩行交替被覆蓋，第4次二次離子注入條件為所述的二次離子為第二步中所述的離子，能量為50keV，第4次二次離子注入劑量ds24＝8ds21；第六步第5次二次離子注入取下第三掩膜板c，將第四掩膜板d覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放入注入機內樣品架上，進行第5次二次離子注入，第四掩膜板d是有四個1×8孔洞的Al板，第一掩膜板a各行交替被覆蓋，第5次二次離子注入條件為所述的二次離子為第二步中所述的離子，能量為50keV，第5次二次離子注入劑量ds25＝16ds21；第七步第6次二次離子注入將第六步中的第四掩膜板d旋轉90度后覆蓋在第一掩膜板a的上方，連同所述的襯底和第一掩膜板a一起放入注入機內樣品架上，進行第6次二次離子注入，第四掩膜板d是有四個1×8孔洞的Al板，第一掩膜板a各行交替被覆蓋，第6次二次離子注入條件為所述的二次離子為第二步中所述的離子，能量為50keV，第6次二次離子注入劑量ds26＝32ds21，ds21+ds22+ds23+ds24+ds25+ds26＝5～15ds1，至此，在所述的襯底的表面上排列著用64種二次離子注入條件制成的64個樣品單元；第八步快速退火N2氣氛中，所述的襯底快速熱退火，退火條件為800℃，10s；第九步篩選出結晶品質最好的樣品單元使用Raman散射技術來表征材料重結晶后的結晶品質，所述的襯底上每個樣品單元的拉曼測量在Dilor LabRam-INFINITY顯微拉曼光譜儀上進行，激發光為Ar+激光的514.5nm線，采用背散射的幾何配置，激發光入射方向垂直于樣品表面，最后篩選出結晶品質最好的樣品單元；第十步制備結晶品質最好的襯底取一片擬改性材料的襯底，按第九步篩選得到的結晶品質最好的樣品單元所對應的二次離子注入條件對其進行二次離子注入處理，再將經上述處理的襯底進行上述的第八步的快速退火處理，得結晶品質最好的襯底。
2.根據權利要求1所述的能提高材料結晶品質的組合離子注入技術，其特征在于，第一步中，所述的半導體材料是GaAs，所述的金屬離子是Mn，ds1＝1016/cm2；在第二～七步中，所述的二次離子是所述的GaAs材料的主晶格離子Ga或As或易揮發性的離子H，ds21＝1.6*1015/cm2，ds21+ds22+ds23+ds24+ds25+ds26＝10.24*1015/cm2。
全文摘要
一種能提高材料結晶品質的組合離子注入技術，屬于離子束材料改性的技術領域。使用組合材料技術先在一塊擬改性材料的襯底上制備大量的具有各不相同的二次離子注入參數的樣品單元，并對該塊襯底上的樣品單元進行高效、并行的測試，篩選出結晶品質最好的樣品單元，該單元對應的二次離子注入參數就是最佳的二次離子注入條件，用最佳的二次離子注入條件對另一塊擬改性襯底進行離子束材料改性處理，使擬改性襯底表面的非晶結構能得到最大限度的重結晶，使晶格的完整性能得到最大限度的恢復，從而提高擬改性襯底的結晶品質。有穩定可靠、操作規范、針對性強、易于實現等優點。該技術還可以推廣到對半導體功能材料或金屬材料氫化或氮化的研究。
文檔編號C23C14/54GK101021003SQ200710038298
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月22日 優先權日2007年3月22日
發明者申曄, 王基慶, 茅惠兵, 趙強, 俞建國 申請人:華東師范大學