專利名稱：一種快速合成材料芯片的組合離子注入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及組合離子注入技術(shù)和新材料制備技術(shù)，特別是一種快速合成材料芯片的組合離子注入方法。
傳統(tǒng)的材料研究方法是“炒菜式”，即一步步配制成分，然后經(jīng)合成后測量其性能，再根據(jù)經(jīng)驗或理論來調(diào)整成分，如此循環(huán)往復(fù)。但對于大部分材料，其成分與性能之間的關(guān)系至今并無完整的理論體系，新材料的研究、發(fā)現(xiàn)周期長，費時費力。
組合技術(shù)廣泛應(yīng)用于新藥的發(fā)明和優(yōu)選。九十年代中期，這種新技術(shù)開始向材料研究領(lǐng)域滲透，并使材料的合成和優(yōu)化速率提高幾個數(shù)量級。一九九五年，美國University of California(Berkeley)的項曉東等(X.D.Sun,etal.,Applied Physics Lett.,70,3353,1997)率先用該技術(shù)并結(jié)合磁控濺射研究了超導(dǎo)材料、鐵電材料、磁性材料、熒光材料，由此發(fā)現(xiàn)了一些具有特殊性能和結(jié)構(gòu)的新材料體系。緊接著，硅谷Symyx高技術(shù)公司成立，由杜邦公司和其它公司投資，開發(fā)高度自動化的合成和篩選機器手，用于催化劑和新藥的研究。項曉東等發(fā)明了一種新型顯微鏡(T.Wei,etal.,Appl.Phys.Lett.,68,3506,1996)，可在一天內(nèi)完成五千種超導(dǎo)體的性能測試。目前，平行組合技術(shù)的應(yīng)用研究已在世界上形成了一個全新的領(lǐng)域。
離子注入技術(shù)可用于納米晶的形成[C.W.White,etal.,NuclearInstruments and Methods in Physics Research B 127/128,545-552,1997]然而，組合離子注入技術(shù)的應(yīng)用研究在世界上尚屬空白。組合離子束技術(shù)可精確控制組元離子的種類和成分深度分布，與組合鍍膜技術(shù)相比，其單元的純度有較大的提高，各單元內(nèi)注入的離子易均勻擴散結(jié)合，避免了組合鍍在熱處理過程中出現(xiàn)的成分不均和熱裂問題；并且，組合離子束技術(shù)與硅平面工藝完全相容，在發(fā)現(xiàn)新材料和功能集成器件(特別是光電子集成)制備方面有很大的應(yīng)用前景，使傳統(tǒng)的材料研究方法和制備技術(shù)產(chǎn)生實質(zhì)性的進展。
本發(fā)明的目的在于提供一種基底上快速集成大量具有不同成份的材料單元的組合離子注入方法。該方法既可用于新材料的快速發(fā)現(xiàn)和篩選，也可用于快速集成納米基發(fā)光單元，如發(fā)光二極管器件等。
本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案達到快速合成材料芯片的組合離子注入方法，包括掩膜組合工藝和離子注入工藝。將所需結(jié)構(gòu)的掩膜逐次組合定位掩蓋在基底材料上，順序用離子注入工藝注入所需的材料種類，經(jīng)過熱處理后快速合成大量具有不同成分的材料芯片；掩膜結(jié)構(gòu)包括各種開閉相間的結(jié)構(gòu)，注入離子的種類為元素周期表內(nèi)第一至第五周期元素中可產(chǎn)生的任一離子，掩膜組合方式可根據(jù)需要進行不同次數(shù)、不同角度的組合，如也可僅用附圖1的一種組合，附圖2也可在360度之內(nèi)組合。
所述的掩膜可以是普通的機械加工或光刻膠的方法加工的組合掩膜，該掩膜每片整體為正方形，其間的開孔部分和掩蔽部分均勻分布，構(gòu)成平行條紋結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明


如下圖1至圖8為采用相應(yīng)掩膜組合離子注入過程的示意圖。其中圖1為1/2型掩膜示意圖；圖2為采用1/2掩膜平行注入A離子(以黑圓點為標記)后基底的示意圖；圖3為1/2型掩膜順時針方向轉(zhuǎn)90°的掩膜狀態(tài)示意圖；圖4為采用轉(zhuǎn)90°的1/2型掩膜平行注入B離子(以白圓點為標記)后基底的示意圖；圖5為1/4型掩膜示意圖；圖6為采用1/4型掩膜平行注入C離子(以白三角點為標記)后基底的示意圖；圖7為1/4型掩膜逆時針轉(zhuǎn)90°的1/4型掩膜示意圖；圖8為采用轉(zhuǎn)90°的1/4型掩膜平行注入D離子(以白方塊點為標記)后基底的示意圖。
圖9為通過6次掩膜組合，在硅基底上形成64個(26個)具有不同成分的發(fā)光單元的材料芯片放大示意圖。
圖10為注入Pb和Sn的試樣和SiO2在不同加速電壓下的陰極射線激活光譜曲線圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明。
本發(fā)明所說的掩膜為用機械加工或光刻膠的方法加工的組合掩膜，該組合掩膜每片整體呈正方形，其間空心和實心部分呈矩形，相間分布呈平行條紋狀結(jié)構(gòu)，分別起透過和阻擋離子束的作用。
將所需結(jié)構(gòu)的掩膜逐次組合定位掩蓋在基底材料上順序用離子注入工藝注入所需的材料種類，經(jīng)過熱處理后快速合成大量具有不同成分的材料芯片。在基底中形成納米晶和非納米晶復(fù)合化合物，不同單元具有不同的發(fā)光特性；該技術(shù)也可快速集成光電材料器件。例如具體操作步驟如下步驟1，采用1/2型掩膜，在基底上平行注入A離子；步驟2，在上述基礎(chǔ)上，將1/2型掩膜旋轉(zhuǎn)90°，在基底上平行注入B離子；步驟3，在上述基礎(chǔ)上，采用1/4型掩膜，在基底上平行注入C離子；步驟4，在上述基礎(chǔ)上，將1/4型掩膜轉(zhuǎn)90°，在基底上平行注入D離子；步驟5，在上述基礎(chǔ)上，采用1/8型掩膜，在基底上平行注入E離子；步驟6，在上述基礎(chǔ)上，將1/8型掩膜轉(zhuǎn)90°，在基底上平行注入F離子；步驟7，在上述基礎(chǔ)上，采用結(jié)構(gòu)越來越精細的掩膜，經(jīng)過幾次組合注入所需的離子，在基底上形成2n個不同單元的材料芯片。
離子注入在離子注入機(EMIS-SINR-02)上進行，配有電磁控制的同位素分離器，可對同位素進行精確分離。離子束可均勻地掃描至直徑為7cm的面積。試樣放入法拉地盤中，通過離子束探針精確測量注入試樣離子的劑量。
本發(fā)明方法試用于下述材料芯片的制備選用硼摻雜的P型單晶硅片為基底，硅片為<100>取向，在其上用濕氧化法生長400nm的SiO2膜。離子束通過一組不同結(jié)構(gòu)的掩膜組合注入SiO2膜中，離子注入種類和順序為(1)C,(2)Ga,(3)N,(4)Pb,(5)Sn,(6)Y；(注入劑量1-10×1016/cm2，能量20-80KeV)，通過6次掩膜組合，在硅基材料上形成了64(26)個具有不同成分的發(fā)光單元(參見圖9)；在200-11000℃和Ar或H2氣氛中，經(jīng)5-100分鐘熱處理后每個單元中會析出不同的納米晶，每個單元的發(fā)光特性不一樣。圖3是用本方法注入Pb和Sn后的試樣的陰極射線發(fā)光譜。
本發(fā)明具有如下有益效果通過組合離子注入技術(shù)與硅平面工藝結(jié)合，可快速合成大量具有不同成分材料單元的芯片，其單元的分布和成分可精確控制。既可用于新材料的快速發(fā)現(xiàn)和篩選，也可用于快速集成納米基發(fā)光單元。
權(quán)利要求
1．一種快速合成材料芯片的組合離子注入方法，包括掩膜組合工藝和離子注入工藝，其特征在于將所需結(jié)構(gòu)的掩膜逐次組合定位掩蓋在基底材料上順序用離子注入工藝注入所需的材料種類，經(jīng)過熱處理后而快速合成大量具有不同成分的材料單芯片。
2．如權(quán)利要求1所述的快速合成材料芯片的組合離子注入方法，其特征在于所說的掩膜為機械加工或光刻膠的方法加工的組合掩膜，該掩膜每片整體為正方形，其間的開孔部分和掩蔽部分均勻分布，構(gòu)成平行條紋結(jié)構(gòu)。
3．如權(quán)利要求1所述的快速合成材料芯片的組合離子注入方法，其特征在于所說的組合離子注入種類和順序為3-1，采用1/2型掩膜，在基底上平行注入A離子；3-2，在3-1基礎(chǔ)上，將1/2型掩膜旋轉(zhuǎn)90°，在基底上平行注入B離子；3-3，在3-2基礎(chǔ)上，采用1/4型掩膜，在基底上平行注入C離子；3-4，在3-3基礎(chǔ)上，將1/4型掩膜轉(zhuǎn)90°，在基底上平行注入D離子；3-5，在3-4基礎(chǔ)上，采用1/8型掩膜，在基底上平行注入E離子；3-6，在3-3基礎(chǔ)上，將1/8型掩膜轉(zhuǎn)90°，在基底上平行注入F離子；3-7，在上述基礎(chǔ)上，采用結(jié)構(gòu)越來越精細的掩膜，經(jīng)過幾次組合注入所需種類的離子，在基底上形成2n個不同單元的材料芯片；A,B,C,D,E,F為元素周期表內(nèi)第一至第五周期元素中可產(chǎn)生的任一離子。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種快速合成材料芯片的離子注入方法,是將所需結(jié)構(gòu)的掩膜逐次組合定位掩蓋在基底材料上,順序注入所需種類的離子,經(jīng)熱處理而快速合成大量具有不同成分材料單元的芯片,其單元和成分的分布可精確控制。該工藝與硅平面工藝相容,既可用于新材料的快速發(fā)現(xiàn)和篩選,也可用于快速集成納米基發(fā)光單元器件。
文檔編號C30B31/00GK1226078SQ99113420
公開日1999年8月18日 申請日期1999年1月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月15日
發(fā)明者李民乾, 陳昌明, 朱德彰, 潘浩昌, 胡鈞 申請人:中國科學(xué)院上海原子核研究所