專利名稱：材料的選擇性摻雜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在權(quán)利要求1的引言中定義的用于材料的選擇性摻雜的方法，涉及在權(quán)利要求14的引言中定義的選擇性摻雜的材料，涉及在權(quán)利要求27的引言中定義的制備選擇性摻雜的材料的系統(tǒng)，和涉及根據(jù)權(quán)利要求30的用途。
現(xiàn)有技術(shù)摻雜的材料用于制造各種產(chǎn)品。例如摻雜的多孔玻璃材料用于制造光波導(dǎo)(optical waveguide)。光波導(dǎo)指的是例如用于光功率轉(zhuǎn)移的元件，光纖，平面光波導(dǎo)和/或任何其它相似元件。各種方法先前已知用于制備和摻雜材料和用于改變材料的特性。作為例子可以提及CVD(化學(xué)氣相沉積)，OVD(外部氣相沉積)，VAD(軸向氣相沉積)，MCVD(改進的化學(xué)氣相沉積)，PCVD(等離子體增強的化學(xué)氣相沉積)，DND(直接納米顆粒沉積)和溶膠凝膠方法。關(guān)于玻璃材料，先前進一步已知氫能夠與二氧化硅一起產(chǎn)生羥基(OH基團)。例如可以通過在高溫下采用氫處理玻璃材料將羥基加到玻璃材料的表面上。也可以通過輻射和氫處理的組合將羥基加到玻璃材料的表面上。采用此方式，在玻璃材料的表面上產(chǎn)生Si-H和Si-OH基團。然而，通過輻射和原子層沉積方法(ALD)的組合的材料的選擇性摻雜是先前未知的。因此，現(xiàn)有技術(shù)方法不能夠僅在材料的預(yù)定點實現(xiàn)材料的選擇性和精確摻雜。此外，例如光波導(dǎo)在實際三維狀態(tài)中的制造還不能夠通過現(xiàn)有技術(shù)方法進行。本發(fā)明的目的是消除用于摻雜材料的已知方法的問題。特別地，本發(fā)明的目的是提供采用僅在材料預(yù)定點達到摻雜劑層形成的方式，選擇性摻雜材料的新的、簡單和精確方法。本發(fā)明的方法的目的是提供能夠?qū)崿F(xiàn)材料的選擇性改性的方法，因此提供具有所需特性的材料。本發(fā)明的進一步目的是提供采用簡單方式精確和選擇性摻雜的材料，制備選擇性摻雜的材料的系統(tǒng)，和該方法對于不同目的的用途。
發(fā)明概述用于材料選擇性摻雜的本發(fā)明的方法，選擇性摻雜的材料，制備選擇性摻雜的材料的系統(tǒng)，和該方法的用途的特征在于權(quán)利要求中所述。本發(fā)明基于完成的研究工作，該研究工作令人驚奇地顯示可以由包括如下操作的方法對材料提供預(yù)定摻雜的圖案/區(qū)域a)首先對材料輻射預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域，b)然后處理材料用于產(chǎn)生對預(yù)處理的圖案/區(qū)域的反應(yīng)性基團，和c)最終由原子層沉積方法摻雜材料用于對材料產(chǎn)生由所需摻雜劑摻雜的圖案/區(qū)域。本發(fā)明基于如下觀察內(nèi)容通過在材料的預(yù)定點輻射所謂的預(yù)定圖案/區(qū)域，與材料的非輻射點相比在這些點達到產(chǎn)生摻雜劑層要求的更大反應(yīng)性的基團。在ALD方法中，在材料中需要所謂的反應(yīng)性基團，摻雜劑可粘合到該基團。當反應(yīng)性基團在給定圖案/區(qū)域時，摻雜劑層在該點產(chǎn)生，而剩余的材料保持未摻雜。預(yù)定的圖案/區(qū)域是指任何所需的圖案/區(qū)域，如直線，曲線，圓形或矩形區(qū)域，和任何其它預(yù)定的圖案/區(qū)域。為由輻射產(chǎn)生預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域，可以使用電離輻射和/或非電離輻射。在電離輻射中，α，β，γ，中子和X-射線可以提及作為例子。非電離輻射包括例如紫外輻射，可見光，紅外輻射，射頻輻射，和低頻和靜電場和磁場。當對材料形成預(yù)定的圖案/區(qū)域時，一個輻射束的強度或兩個或多個輻射束的強度必須在它們的相交點控制。在輻射之后，通過對預(yù)處理的圖案/區(qū)域產(chǎn)生反應(yīng)性基團而處理材料。反應(yīng)性基團表示預(yù)定摻雜劑能夠?qū)ζ湔澈系娜魏位鶊F，即摻雜劑與該基團以產(chǎn)生所需預(yù)定摻雜劑層的方式反應(yīng)。預(yù)定摻雜劑的氧化物層或其它化合物的層可以提及作為例子。反應(yīng)性基團可以O(shè)H基團、OR基團(烷氧基)，SH基團、NH1-4基團和/或?qū)诫s劑反應(yīng)的任何其它基團。為產(chǎn)生反應(yīng)性基團，可以采用氣態(tài)和/或液體物質(zhì)處理在預(yù)定點/區(qū)域中輻射的材料。在實施方案中，采用包含氫的氣體和/或液體和/或氫化合物處理材料。在產(chǎn)生反應(yīng)性基團之后，由ALD方法使用所需摻雜劑摻雜材料。換言之，所需的摻雜劑層對材料的預(yù)定圖案/區(qū)域生長。在ALD方法中，將母物質(zhì)每次一個引導(dǎo)到襯底。在每個母物質(zhì)脈沖之后，將襯底采用惰性氣體清洗，因此一種母物質(zhì)的化學(xué)吸附單層保留在表面上。此層與隨后的母物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生所需材料的給定部分單層。精確地通過重復(fù)循環(huán)要求的時間數(shù)，ALD方法可用于確定摻雜劑層的厚度。在本發(fā)明中，ALD方法表示任何常規(guī)ALD方法自身和/或?qū)Ρ绢I(lǐng)域技術(shù)人員顯然的該方法的任何應(yīng)用和/或改進。用于ALD方法的摻雜劑可包括一種或多種包括稀土金屬，如鉺、鐿、釹和鈰的物質(zhì)，硼族，如硼和鋁的物質(zhì)，碳族，如鍺、錫和硅的物質(zhì)，氮族，如磷的物質(zhì)，氟族，如氟的物質(zhì)，和/或銀和/或適于摻雜的任何其它材料。所述物質(zhì)可以為元素或化合物形式。當多孔玻璃材料通過ALD方法摻雜時，當摻雜劑與該反應(yīng)性基團反應(yīng)時，從材料有效脫除反應(yīng)性基團。如果需要，可以在摻雜之后通過脫除任何反應(yīng)性基團和任何其中可能剩余的任何其它雜質(zhì)而精制摻雜的材料。選擇性摻雜的材料指的是玻璃，陶瓷，聚合物，金屬和/或其復(fù)合材料。根據(jù)本發(fā)明處理的陶瓷例如包括Al2O3，BeO，MgO，TiO2，ZrO2，BaTiO3。根據(jù)本發(fā)明處理的陶瓷也可以是任何其它已知的陶瓷。作為聚合物的例子，可以提及天然聚合物，如蛋白質(zhì)、多糖和橡膠；合成聚合物，如熱塑性和熱固性塑料，和彈性體，如合成彈性體和天然彈性體。金屬可以是自身已知的任何金屬或其混合物。Al，Be，Zr，Sn，F(xiàn)e，Cr，Ni，Nb和Co可以提及作為例子。金屬也可以是任何其它金屬或其混合物。除以上以外，材料也可以是包括硅的化合物或硅化合物。3BeO·Al2O3·6SiO2、ZrSiO4、Ca3Al2Si3O12、Al2(OH)2SiO4和NaMgB3Si6O27(OH)4提及作為例子。在實施方案中，材料是多孔玻璃材料。玻璃材料可以是任何常規(guī)氧化物生產(chǎn)玻璃，如SiO2，B2O3，GeO2和P4O10。玻璃材料也可以是磷玻璃，氟化物玻璃，硫化物玻璃，和/或任何其它相似玻璃材料。玻璃材料可以由包括鍺、磷、氟、硼、鋇、錫、鈦的一種或多種物質(zhì)和/或任何其它相似物質(zhì)摻雜。K-Ba-Al-磷酸鹽、Ca-偏磷酸鹽、1PbO-1，3P2O5、1PbO-1，5SiO2、0，8K2O-0，2CaO-2，75SiO2、Li2O-3B2O3、Na2O-2B2O3、K2O-2B2O3、Rb2O-2B2O3、晶體玻璃，蘇打玻璃，和硼硅酸鹽玻璃可以提及為玻璃材料的例子。多孔玻璃材料可以是，例如希望用于制造光纖的玻璃預(yù)成型品。多孔玻璃材料也可以是用于制造其它光波導(dǎo)，如用于制造平面光波導(dǎo)或三維狀態(tài)的光波導(dǎo)的多孔玻璃材料。在實施方案中，從至少兩個不同方向以一定的方式導(dǎo)引輻射使得預(yù)定圖案在三維狀態(tài)中對材料產(chǎn)生。反應(yīng)性基團在該圖案中產(chǎn)生，和摻雜在三維狀態(tài)的圖案。在實施方案中，光波導(dǎo)在三維狀態(tài)下生產(chǎn)。在實施方案中，由如下方式在用于制造光纖的多孔玻璃預(yù)成型品中產(chǎn)生張力產(chǎn)生區(qū)域通過部分覆蓋的輻射源以輻射僅在玻璃預(yù)成型品的預(yù)定點產(chǎn)生預(yù)處理區(qū)域的方式輻射玻璃預(yù)成型品和然后產(chǎn)生反應(yīng)性基團，和最終在該區(qū)域中生產(chǎn)所需摻雜劑的生長層。在實施方案中，將預(yù)定摻雜的圖案/區(qū)域輻射到平面表面上。在實施方案中，光波導(dǎo)生產(chǎn)到水平面上。例如根據(jù)本發(fā)明的方法可以與光波導(dǎo)，如光纖，平面光波導(dǎo)，三維狀態(tài)的光波導(dǎo)或任何其它相似元件的制造相關(guān)地應(yīng)用。當選擇性摻雜材料時，如需要該材料可以通過常規(guī)步驟進一步處理。例如在多孔玻璃材料的選擇性摻雜中和在其光纖的生產(chǎn)中，在摻雜之后可以將該多孔玻璃材料精制，燒結(jié)和拉伸成光纖。當燒結(jié)材料時，摻雜劑擴散入材料。為制造根據(jù)本發(fā)明的選擇性摻雜的材料，可以使用以下的方法，該方法包括用于對材料輻射預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域的輻射源，用于處理材料以產(chǎn)生對材料的預(yù)處理的圖案/區(qū)域的反應(yīng)性基團的裝置，和用于由摻雜劑摻雜材料以對材料產(chǎn)生摻雜的圖案/區(qū)域的原子層沉積設(shè)備。系統(tǒng)可包括產(chǎn)生電離輻射和/或非電離輻射的一個或多個源。例如，系統(tǒng)可包括兩個，三個，四個等輻射源。系統(tǒng)可包括至少兩個輻射源用于從至少兩個不同方向?qū)б椛?。當從兩個或多個不同方式輻射材料時，預(yù)處理的圖案/區(qū)域可以三維狀態(tài)對材料產(chǎn)生。產(chǎn)生反應(yīng)性基團的裝置包括能夠由氣態(tài)和/或液體物質(zhì)處理材料的任何常規(guī)裝置。用于生長摻雜劑層的ALD設(shè)備可以是任何常規(guī)ALD設(shè)備和/或?qū)Ρ绢I(lǐng)域技術(shù)人員顯然的其應(yīng)用和/或改進。例如系統(tǒng)可進一步包括用于進一步加工選擇性摻雜的材料，用于精制，燒結(jié)等的裝置和/或設(shè)備。本發(fā)明的優(yōu)點在于輻射，反應(yīng)性基團的產(chǎn)生和ALD方法的組合能夠在材料的預(yù)定點實現(xiàn)材料的選擇性摻雜。輻射保證材料中精確所需點的圖案形成和摻雜。此外，ALD方法的使用保證摻雜劑層厚度的精確、預(yù)定增加。這達到精確方法及沒有摻雜劑的損失。本發(fā)明的方法的進一步優(yōu)點是材料的選擇性摻雜允許通過生長預(yù)定摻雜劑的層到材料的預(yù)定區(qū)域以所需方式改變材料，例如多孔玻璃材料的特性。這能夠以所需、預(yù)定方式實現(xiàn)材料和/或其制備的產(chǎn)物的特性的改進。方法的進一步優(yōu)點是方法能夠產(chǎn)生具有預(yù)定形狀和處于三維狀態(tài)的光波導(dǎo)。ALD方法在材料選擇性摻雜中的使用相對于現(xiàn)有技術(shù)摻雜方法是有利的在于當要求時，ALD方法能夠由任何先前已知的方法，如CVD(化學(xué)氣相沉積)，OVD(外部氣相沉積)，VAD(軸向氣相沉積)，MCVD(改進的化學(xué)氣相沉積)，PCVD(等離子體增強的化學(xué)氣相沉積)，DND(直接納米顆粒沉積)，溶膠凝膠方法或任何其它相似方法實現(xiàn)制備的材料的摻雜。換言之，可以將由已知方法制備的材料貯存和，當需要時根據(jù)本發(fā)明處理以生產(chǎn)所需的最終產(chǎn)物。ALD方法的進一步優(yōu)點在于方法可用于加工由稀土金屬摻雜的材料，特別地玻璃材料。本發(fā)明的進一步優(yōu)點在于本發(fā)明的方法適于制造各種產(chǎn)品，如光波導(dǎo)。
附圖列舉在以下內(nèi)容中，本發(fā)明通過例示實施方案參考附圖更詳細地描述，其中

圖1顯示要用于制造光纖的多孔玻璃預(yù)成型品的選擇性輻射的原理。
發(fā)明詳述實施例1在纖維預(yù)成型品中產(chǎn)生B2O3/SiO2區(qū)域通過在用于制造光纖的多孔玻璃預(yù)成型品中產(chǎn)生B2O3摻雜的區(qū)域研究本發(fā)明的功能性，即輻射和ALD方法的組合在材料選擇性摻雜中的用途?？梢圆捎脤?yīng)的方式產(chǎn)生由任何其它預(yù)定摻雜劑產(chǎn)生的區(qū)域。如圖1所示，二氧化硅層2首先采用常規(guī)方式在二氧化硅管1內(nèi)部產(chǎn)生。然后將輻射源5引入管1，由輻射罩4保護輻射源5使得僅輻射多孔二氧化硅層的預(yù)定部分/區(qū)域3a，b。輻射源5沿它的整個長度通過玻璃預(yù)成型品輸送。在輻射之后，采用氫氣處理多孔玻璃預(yù)成型品使得在其表面上產(chǎn)生包含多個羥基的區(qū)域。然后將多孔玻璃預(yù)成型品引入ALD反應(yīng)器，其中生長B2O3層。作為B2O3的母物質(zhì)，例如可以使用如下物質(zhì)BX3，其中X是F，Cl，Br，I，ZBX2，Z2BX或Z3B，其中X是F，Cl，Br，I和Z是H，CH3，CH3CH2或一些其它有機配體，和BX3，其中X是從氧或氮配位的配體，如甲氧基化物、乙氧基化物、2，2，6，6，-四甲基庚烷二酮、乙酰丙酮化物，六氟乙酰丙酮化物或N，N-二烷基乙酰胺化物(acetamidinate)。作為母物質(zhì)，也可以使用不同的硼烷BxHy或碳硼烷CzBxHy。作為例子，可以提及B2H6，B4H10，CB5H9或其衍生物，如不同的金屬碳硼烷，例如[M(η5-C5H5)x(C2B9H11)]，其中M是金屬。除以上內(nèi)容以外，可以使用其中配體是以上的組合的化合物。在此試驗中，(CH3)3B用作母物質(zhì)，和它與多孔玻璃材料的預(yù)定區(qū)域中產(chǎn)生的羥基反應(yīng)。試驗顯示摻雜劑層僅精確地在由輻射產(chǎn)生的預(yù)定區(qū)域，和不在玻璃坯料的其它點產(chǎn)生。最終，ALD摻雜的多孔玻璃預(yù)成型品由常規(guī)步驟處理使得光纖從選擇性摻雜的多孔玻璃材料生產(chǎn)。本發(fā)明不僅限于上述的例示實施方案，但各種改進在權(quán)利要求中定義的本發(fā)明范圍中是可能的。
權(quán)利要求
1.一種材料的選擇性摻雜方法，其特征在于，a)對材料輻射預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域，b)處理材料用于產(chǎn)生對預(yù)處理的圖案/區(qū)域的反應(yīng)性基團，和c)由原子層沉積方法摻雜材料用于對材料產(chǎn)生由摻雜劑摻雜的圖案/區(qū)域。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，采用電離輻射和/或非電離輻射在步驟a)中對材料輻射預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，采用氣態(tài)和/或液體物質(zhì)在步驟b)中處理材料以產(chǎn)生反應(yīng)性基團。
4.權(quán)利要求1-3中任意一項的方法，其特征在于，采用包括氫的氣體和/或液體和/或氫化合物在步驟b)中處理材料以產(chǎn)生反應(yīng)性基團。
5.權(quán)利要求1-4中任意一項的方法，其特征在于，反應(yīng)性基團是OH基團、OR基團、SH基團和/或NH1-4基團。
6.權(quán)利要求1-5中任意一項的方法，其特征在于，摻雜劑包括一種或多種包括稀土金屬，如鉺、鐿、釹和鈰的物質(zhì)，硼族，如硼和鋁的物質(zhì)，碳族，如鍺、錫和硅的物質(zhì)，氮族，如磷的物質(zhì)，氟族，如氟的物質(zhì)，和/或銀。
7.權(quán)利要求1-6中任意一項的方法，其特征在于，材料是玻璃，陶瓷，聚合物，金屬和/或其復(fù)合材料。
8.權(quán)利要求7的方法，其特征在于，材料是多孔玻璃材料。
9.權(quán)利要求1-8中任意一項的方法，其特征在于，以產(chǎn)生預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域的方式，控制一個輻射束的強度或兩個或多個輻射束在它們相交點的強度。
10.權(quán)利要求1-9中任意一項的方法，其特征在于，以在材料中在三維狀態(tài)產(chǎn)生預(yù)定圖案的方式，從至少兩個不同方向?qū)б襟Ea)中的輻射。
11.權(quán)利要求10的方法，其特征在于，在材料中在三維狀態(tài)產(chǎn)生光波導(dǎo)。
12.權(quán)利要求1-11中任意一項的方法，其特征在于，在用于制造光纖的多孔玻璃預(yù)成型品中產(chǎn)生張力產(chǎn)生區(qū)域。
13.權(quán)利要求1-12中任意一項的方法，其特征在于，在平面表面上產(chǎn)生光波導(dǎo)。
14.一種選擇性摻雜的材料，其特征在于，材料由如下方式生產(chǎn)a)對材料輻射預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域，b)處理材料用于產(chǎn)生對預(yù)處理的圖案/區(qū)域的反應(yīng)性基團，和c)由原子層沉積方法摻雜材料用于對材料產(chǎn)生由摻雜劑摻雜的圖案/區(qū)域。
15.權(quán)利要求14的材料，其特征在于，采用電離輻射和/或非電離輻射在步驟a)中輻射預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域。
16.權(quán)利要求14或15的材料，其特征在于，采用氣態(tài)和/或液體物質(zhì)在步驟b)中處理材料以產(chǎn)生反應(yīng)性基團。
17.權(quán)利要求14-16中任意一項的材料，其特征在于，采用包括氫和/或氫化合物的氣體和/或液體在步驟b)中處理材料以產(chǎn)生反應(yīng)性基團。
18.權(quán)利要求14-17中任意一項的材料，其特征在于，反應(yīng)性基團是OH基團、OR基團、SH基團和/或NH1-4基團。
19.權(quán)利要求14-18中任意一項的材料，其特征在于，摻雜劑包括一種或多種包括稀土金屬，如鉺、鐿、釹和鈰的物質(zhì)，硼族，如硼和鋁的物質(zhì)，碳族，如鍺、錫和硅的物質(zhì)，氮族，如磷的物質(zhì)，氟族，如氟的物質(zhì)，和/或銀。
20.權(quán)利要求14-19中任意一項的材料，其特征在于，材料是玻璃，陶瓷，聚合物，金屬和/或其復(fù)合材料。
21.權(quán)利要求20的材料，其特征在于，材料是多孔玻璃材料。
22.權(quán)利要求14-21中任意一項的材料，其特征在于，以產(chǎn)生預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域的方式控制一個輻射束的強度或兩個或多個輻射束在它們相交點的強度。
23.權(quán)利要求14-22中任意一項的材料，其特征在于，以在材料中在三維狀態(tài)產(chǎn)生預(yù)定圖案的方式，從至少兩個不同方向?qū)б襟Ea)中的輻射。
24.權(quán)利要求23的材料，其特征在于，在材料中在三維狀態(tài)產(chǎn)生光波導(dǎo)。
25.權(quán)利要求14-24中任意一項的材料，其特征在于，在用于制造光纖的多孔玻璃預(yù)成型品中產(chǎn)生張力產(chǎn)生區(qū)域。
26.權(quán)利要求14-25中任意一項的方法，其特征在于，在平面表面上產(chǎn)生光波導(dǎo)。
27.一種生產(chǎn)權(quán)利要求14-26中任意一項的選擇性摻雜的材料的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括用于對材料輻射預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域的輻射源，用于處理材料以產(chǎn)生對材料的預(yù)處理的圖案/區(qū)域的反應(yīng)性基團的裝置，和用于由摻雜劑摻雜材料以對材料產(chǎn)生摻雜的圖案/區(qū)域的原子層沉積設(shè)備。
28.權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其特征在于，輻射源包括產(chǎn)生電離輻射和/或非電離輻射的源。
29.權(quán)利要求27或28的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括用于從至少兩個不同方向?qū)б椛涞闹辽賰蓚€輻射源。
30.權(quán)利要求1-13中任意一項的方法與在三維狀態(tài)制造光纖，和平面光波導(dǎo)和/或光波導(dǎo)相關(guān)的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及由如下方式選擇性摻雜材料的方法a)輻射預(yù)定預(yù)處理的圖案/區(qū)域入材料，b)處理材料用于在預(yù)處理的圖案/區(qū)域中產(chǎn)生反應(yīng)性基團，和c)由原子層沉積方法摻雜材料用于在材料中產(chǎn)生由摻雜劑摻雜的圖案/區(qū)域。本發(fā)明進一步涉及選擇性摻雜的材料，制備選擇性摻雜的材料的系統(tǒng)，和該方法的用途。
文檔編號C30B25/02GK1972879SQ200580020698
公開日2007年5月30日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者M·拉亞拉, M·普特科寧, J·皮緬諾夫, L·尼尼斯特, J·佩伊韋薩里, J·庫爾基 申請人:Beneq有限公司