新型材料制造技术

本发明专利技术涉及一种包括离子注入层，例如阳离子注入层，的基板，其中，所述离子注入层的注入离子在比之前可能的深度明显更大的深度均匀分布。本发明专利技术还包括所述基板，其中所述基板是硅基基板，比如玻璃。本发明专利技术也可以包括将所述材料用作波导和/或将所述材料用于测量设备中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】新型材料本专利技术涉及一种包括离子注入层，例如阳离子注入层，的基板，其中，所述离子注入层的注入离子在比之前可能的深度明显更大的深度均匀分布。本专利技术还包括所述基板，其中所述基板是硅基基板，比如玻璃。本专利技术也可以包括将所述材料用作波导和/或将所述材料用于测量设备中。相比其纳秒脉冲相对物，飞秒脉冲激光等离子体沉积（fs-PLD）是一项相对新的技术。在90年代中期，在固体装置实现了该技术，目前，由于飞秒激光器的使用，fs-PLD作为新兴的有前途的技术之一出现在薄膜沉积领域。取决于fs的重复率和脉冲持续时间，可以将激光-物质的相互作用调整为具有热扩散的热过程，或由于缺乏热扩散过程的冷过程，因此，在其它一些领域，比如在离子注入中，激光用于生产等离子体羽和高能离子。在最近的报道中，fs-PLD薄膜主要是基于晶体和半导体材料。目前，已报道规模只有几十纳米的注入，或称为子注入。我们已经发现，注入到大得多的深度是可能的。这个观察结果具有生产以别的方式不可能制造的新材料和结构的潜力。注入离子，比如稀土离子，的唯一的可能性打开了相对于通过掩蔽实现的位点选择掺杂的光子器件工程、光子电路直接打印、新型材料中的集成光学放大器、具有集成泵浦源和数据读出器的多传感器、单芯片多传感器设计的可能性、通过多靶沉积的超晶格结构的新领域。公开号为WO2011/030157的国际专利申请描述了一种通过用来自激光器的辐射烧蚀目标将膜应用到基板的方法。SkellandandTownsend(1995)JournalofNon-CrystallineSolids188,243-253描述了将离子注入到加热的钠钙玻璃基板，由此注入的离子的分布图表现出明显的峰，并且两侧离子密逐渐下降。申请人已经发现一种能使离子层注入到基板，比如玻璃，的方法，其中注入的深度比以前可能的深度大得多的。因此，根据本专利技术的第一方面，提供一种包含离子注入层的基板，其中注入离子的穿透深度为至少50nm，或至少200nm，例如，至少500nm。申请人还发现，由于离子扩散/注入的主要结构障碍，该方法以其离子深度超出常规扩散和高能离子注入的离子深度的方式在注入层提供分布密度基本均匀的注入离子，而不是表现出峰并且注入离子密度下降的密度分布图。申请人还发现，该方法在基板内的注入层的终止边界提供非常快速并且基本上不连续终止的注入离子的分布密度，而不是在注入离子密度中表现出渐进和连续下降的密度图。离子分布，或浓度水平，在约30nm左右或更小，或更优选为大约20nm或更小，或还更优选为约10nm或更小的距离可以从该层的平均（例如，基本均匀的）水平下降至基本无离子浓度水平或分布。这使注入层中能够形成轮廓分明的内部终止“边缘”。因此，根据本专利技术的另一方面，提供一种包括离子注入层的基板，其中所述离子注入层的注入离子基本均匀分布。基本均匀性可以沿横向和水平剖面/方向，都是在横穿注入基板表面和横切该表面（即，进入该表面）的方向。离子分布的基本均匀性可以使其本身表现为变化不超过作为整体的层的平均离子浓度水平的+/-10%，或更优选不超过作为整体的层的平均离子浓度水平的+/-8%，或还更优选不超过作为整体的层的平均离子浓度水平的+/-5%的基本均匀的注入离子浓度水平。该变化可以根据离子浓度水平的标准偏差值量化。据推测，但不能断言，离子分布的均匀性可以按如下产生：可以通过强大的脉冲激光照射目标玻璃，例如，通过激光烧蚀产生离子云以注入基板表面中，从而形成在此所述的功能表面。起始烧蚀脉冲导致第一离子通量到达基板表面，随后该离子基本在表面而不是在有效深度注入。后续的激光烧蚀脉冲在基板表面产生第二离子通量，这进一步将预注入的离子（第一离子通量）进一步移入基板中并且这样做时，实质上占据了之前被第一离子通量占据的基板表面区域。在基板中，通过在基板表面输入连续的离子使之前的所有注入离子向内移动的过程被认为是“堆叠”注入离子，甚至进一步使注入离子进入基板体中，分布延伸（至下面）在其表面。分布的均匀性可以部分从烧烛激光特性（光能量、光的波长、烧蚀脉冲持续时间、脉冲重复率等）的均匀性产生。根据本专利技术的另一方面，提供一种包括离子注入层的基板，其中所述离子注入层基本上从所述基板的最外层表面上延伸。该离子注入层可具有从基板最外层表面延伸到所述基板中的基本均匀分布的注入离子。这不同于通过将高能离子激发至基板中以在基板的表面下的一段显著距离形成埋层而形成的现有离子注入层。延伸至基板表面的离子注入法具有优点，包括增加本专利技术的一个方面的生物传感器的灵敏度，以及直接形成表面光学结构，比如增加折射率的区域和/或基板中的波导结构（例如：光子电路图）。我们还发现，比起现有技术的方法，该工艺有利于离子注入到更高的密度。因此，根据本专利技术的另一方面，提供一种包含离子注入层的基板，其中取决于用于fs激光烧烛的目标材料中的离子浓度，所述离子注入层的注入离子密度为约10,000以​​数十万ppm。例如，当使用具有80mol%TeO2-10mol%ZnO-9mol%NazO和1mol%Er203氧化物的碲酸盐玻璃目标在700°C，干净的二氧化硅表面上进行激光等离子体注入时，Te4+、Na+、Zn2+，和Er3+的注入离子浓度相当于整批目标材料中近一半的阳离子浓度（例如，50ion%Si4+、40ion%Te+、5ion%Zn2+、4.5ion%Na+、和0.5ion%Er3+）。这些密度大于1021ionscm-3。在常规方法中，可实现的密度的数量级更小。实现非常高的离子浓度的这种特殊能力使我们可以设计在过去一直无法在光导应用实现的定制表面。这种方法使我们能够设计注入层中的电介质和光谱特性。例如，注入层可以掺杂用于设计激光器和放大器的稀土离子，但也与相关的反射镜和光活化/敏感材料，例如，金属、聚合物、半导体、用于变频和操纵的铁电陶瓷、具有蛋白质的生物表面，垂直整合在一起。通过将化学异种材料结合至电介质表面（玻璃、聚合物和陶瓷）可以实现多种光学活化和钝化功能。根据本专利技术的另一方面，提供一种包括离子注入层的基板，其中（ⅰ）所述离子注入层的注入离子基本均匀分布；（ⅱ）其中所述注入离子的穿透深度为至少50nm，或至少200nm，例如，至少500nm。根据本专利技术的另一方面，提供一种包括离子注入层的基板，其中（ⅰ）所述离子注入层的注入离子基本均匀分布；以及（ⅱ）所述注入离子密度为至少1018ionscm-3（例如，1021ionscm-3或更多，比如，约1023ionscm-3）。根据本专利技术的另一方面，提供一种包括离子注入层的基板，其中（ⅰ）所述注入离子的穿透深度为至少50nm，或至少200nm，例如，至少500nm；以及（ⅱ）所述注入离子密度为至少1018ionscm-3（例如，1021ionscm-3或更多，比如，约1023ionscm-3）。根据本专利技术的另一方面，提供一种包括离子注入层的基板，其中（ⅰ）所述离子注入层的注入离子基本均匀分布；（ⅱ）其中所述注入离子的穿透深度为至少50nm，或至少200nm，以及（ⅲ）所述注入离子密度为至少1018ionscm-3（例如，1021ionscm-3或更多，比如，约1023ionscm-3）。所述离子层的穿透深度取决于使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含离子注入层的基板，其中注入离子的渗透深度为至少50nm，或至少200nm。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.08 GB 1202128.31.一种在基板中制造离子注入层的方法，所述方法包括：提供目标层；提供接近所述目标层的基板，其中所述基板与所述目标层隔开50mm～70mm的距离；并且在存在压力范围为80mTorr～90mTorr的气体的情况下，通过所述目标层和所述基板，将来自激光器的入射辐射引至所述目标层，从而以所述入射辐射烧烛所述目标层的材料，以从中产生包括能够注入所述基板中的离子的等离子体，籍此来自所述等离子体的离子注入所述基板中，使得所述注入的离子进入所述基板的基质中，而不是在所述基板的表面上形成膜，因此形成所述离子注入层，所述离子注入层延伸至所述基板中，从所述基板的表面延伸至至少50nm的渗透深度并且注入离子密度为每立方厘米至少1021个离子。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子注入层的注入离子从所述基板的表面起均匀分布。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述离子注入层的注入离子密度为每立方厘米至少1023个离子。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述目标层为碲基玻璃。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述目标层为碲基玻璃。6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基板被加热。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基板被加热。8.一种包含离子注入层的基板，所述离子注入层包括在所述基板的基质内的注入离子而不是在所述基板的表面上的膜，籍此所述离子注入层延伸至所述基板中，从所述基板的表面延伸至至少50nm的渗透深度且注入离子密度为每立方厘米至少1021个离子，其中并且所述离子注入层的注入离子从所述基板的表面起均匀分布。9.根据权利要求8所述的基板，其特征在于，所述注入离子的渗透深度为至少200nm。10.根据权利要求8所述的基板，其特征在于，所述注入离子的渗透深度为至少500nm。11.根据权利要求8至10中任一项所述的基板，其特征在于，所述离子注入层的注入离子密度为每立方厘米至少1023个离子。12.根据权利要求8至...

【专利技术属性】
技术研发人员：琴·乔斯，托尼泰迪·费尔南德斯，皮特约翰·格兰特，阿尼姆什·贾，西卡·萨哈，大卫保罗·斯廷森，
申请(专利权)人：利兹大学，
类型：发明
国别省市：英国;GB