二元稀土化合物薄膜是新型功能材料的重要组成部分，目前在各个 领域都有广泛的应用。特别是，随着近年来电子信息技术的巨大发展， 这类材料在半导体领域中的微电子、光电子及磁电子等方面的开发与应 用也越来越受关注。比如，一些具有高介电常数的稀土氧化物薄膜(如 氧化铈(CeO2)、氧化钇(Y2O3)等)很可能会替代目前微电子技术常用 的二氧化硅(SiO2)，成为未来的微电子器件的新型栅介质绝缘材料；而 一些稀土金属氮化物(如ScN)却是良好的阻挡层材料和金属欧姆接触 层材料；一些稀土氧化物(如Gd2O3)和搀杂稀土元素(如铒(Er))的 半导体材料，还将可能是新型的发光材料；特别是，近年来利用具有磁 性的稀土元素(如Gd等)制备高Tc的铁磁性稀磁半导体材料(如Si1-xGdx、 Ga1-xGdxAs)的研究更是热点，这种稀磁半导体材料可同时利用电子的电 荷和自旋性能，是未来实现量子计算的基础。
目前用来制备二元稀土化合物薄膜材料的方法有许多种，如磁控溅 射、脉冲激光沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、等离子体 增强化学气相沉积、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等，但采用这些方 法制备半导体领域应用的二元稀土化合物薄膜，对含稀土元素的原材料 的纯度要求都很高。众所周知，稀土材料大都具有难提纯、高熔点、及 易氧化等特性，原材料纯度越高，其薄膜材料的制备成本也就越高，特 别是对那些矿藏含量很低的稀土元素，高纯度(如99.999％以上)的原 材料价格相当昂贵；就稀土薄膜制备中最常用的磁控溅射和脉冲激光沉 积(PLD)方法而言，其烧结制备高熔点的稀土化合物靶材(如稀土氧化 物)或熔炼制备稀土金属靶材，工艺复杂不说，纯度也很难保证，此外， 稀土金属靶材的制备过程很容易被氧化。因原材料难提纯而带来的高成 本问题极大的制约了稀土薄膜材料的应用和推广，故发展一种对原材料 纯度要求不高的低成本稀土薄膜制备方法，仍是目前稀土薄膜材料生长 研究和开发的迫切需求。
20世纪九十年代初，出现一种新的薄膜材料制备方法--质量分离的 低能双离子束沉积方法，因其具有独特的质量分离功能与荷能离子沉积 特点，被认为是生长难提纯、高熔点、易氧化及难化合的优质二元稀土 化合物薄膜材料的理想方法。该方法所采用的生长系统，其离子束部分 具有双束结构，每束各有独立的离子源、磁分析器、电或磁四极透镜及 静电偏转电极等装置，双束共用的减速透镜装置位于生长室内，整个生 长系统的真空设计采用差分抽气的方式设计，从离子源到生长室的真空 逐级提高，超高真空生长室的动态真空度≤5.0×10-7Pa。该系统的离子 源几乎可产生元素周期表中质量数从1(H)到208(Pb)的所有元素的 离子，并通过该系统的磁分析器装置按照质量数进行选择提纯。用纯度 不是很高的原材料能产生出同位素纯的材料离子，并在超高真空生长室 内实现薄膜的超纯生长和低温优质外延，是该方法的一大特色。虽早在 1995年人们就开始利用低能双离子束沉积方法制备稀土薄膜，如氧化铈 (CeO2)薄膜，但到目前为止该方法还没有真正走向实用并广泛推广， 分析原因，主要有如下几个方面：1)原有的低能双离子束沉积方法， 大都采用弗瑞曼(Freeman)型固体离子源，利用稀土氧化物作为产生稀 土元素离子的原材料，并与四氯化碳气体内氯化反应生成稀土氯化物的 工作气氛来产生稀土元素离子，但因在离子源工作的气压下(10-3Pa到 10-2Pa)，通入的四氯化碳反应气体的量有限，且高熔点、稳定性好的稀 土氧化物，在较高的弗瑞曼型离子源工作温度(有时800℃以上)下， 还易烧结硬化，故只能生成少量的稀土氯化物工作气氛进入离子源的弧 室体内离化，产生的稀土元素离子束流较小，薄膜沉积效率低；2)原 有的低能双离子束沉积方法，也有直接利用稀土氯化物作为弗瑞曼型离 子源的工作物质的尝试，但因弗瑞曼型离子源工作的起始温度较高，工 作时，灯丝受离子的直接溅射作用会很快消耗，致使离子源的温度也随 之降低，离子源工作温度的不稳定，致使作为离子源工作物质的稀土氯 化物很难稳定的挥发出满足离子源工作需要的材料气氛，产生的稀土元 素离子束束流忽大忽小，难于控制；3)原有的低能双离子束沉积方法， 制备二元稀土化合物薄膜大都采用稀土元素离子和与之化合材料离子的 双束共淀积方式制备生长，两种离子束经偏转会聚在衬底上的束斑重合 度不是很好，这影响了成膜的均匀性，此外，双束共淀积的两种离子的 剂量和配比只能由减速后的离子束束流大小决定，无法准确控制材料生 长所需要沉积的离子剂量与配比，致使生长的薄膜重复性不是很好，更 不利于生长工艺的进一步优化。综上所述，原有的质量分离的低能离子 束沉积方法虽然在解决稀土薄膜材料的原材料提纯方面有独特之处，但 要把它发展成为一种能真正实用的稀土薄膜材料制备方法仍还有一些技 术问题需要解决。

本发明提供一种新的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，特别是 指一种利用质量分离的低能双离子束沉积设备制备生长二元稀土化合物 薄膜材料的方法。目的在于：1、实现二元稀土化合物薄膜低原材料成 本的高纯、高效优质生长和低温外延；2、提高原有的低能双离子束沉积 方法制备二元稀土化合物薄膜的工作稳定性和成膜效率；3、改进原有的 低能双离子束沉积方法制备二元稀土化合物薄膜的生长工艺；4、发展一 种可制备的材料种类范围广且经济实用的稀土薄膜材料制备生长新方 法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案：
利用低能双离子束沉积设备的质量分离功能与荷能离子沉积特点， 以纯度要求不高的稀土氯化物作为I束伯纳斯型固体离子源的原材料， 产生一束同位素纯低能稀土元素离子，并与II束伯纳斯型气体离子源 产生的与之化合的另一同位素纯低能离子在超高真空生长室内交替 沉积生长，通过准确控制参与生长的同位素纯低能离子的能量、束斑形 状、束流剂量和配比及生长温度，实现了难提纯、高熔点、易氧化及难 化合的二元稀土化合物薄膜的高纯、高效优质生长及低温外延。
根据本发明的利用质量分离的低能双离子束沉积设备制备生长二元 稀土化合物薄膜材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选取稀土氯化物作为I束的伯纳斯型固体离子源产生稀 土元素离子的原材料，将无结晶水的稀土氯化物原材料装入伯纳斯型 固体离子源的蒸发器型坩埚内；
步骤2：选取气体物质作为II束的伯纳斯型气体离子源产生与稀 土元素离子化合的另一种离子的原材料，将盛装气体物质的容器与 伯纳斯型气体离子源外进气导管连接，通过其上的针阀控制进气流 量；
步骤3：将清洗后的衬底置入生长室；
步骤4：抽生长系统的真空；
步骤5：离子源烘烤去气，I束的伯纳斯型固体离子源可通过调 整其灯丝加热电流、坩埚加热电流及弧室加热电流来控制烘烤加热的温 度，II束的伯纳斯型气体离子源可通过调整其灯丝加热电流来控制烘 烤加热的温度；
步骤6：超高真空生长室内的衬底烘烤去气
步骤7：调整I束的伯纳斯型固体离子源的灯丝加热电流、坩埚 加热电流及弧室加热电流，继续升高伯纳斯型固体离子源的温度，使 其缓慢蒸发出稀土氯化物气氛；
步骤8：打开II束的伯纳斯型气体离子源外的进气针阀，向源内 通工作气体；
步骤9：由I束的伯纳斯型固体离子源产生含有稀土元素离子的 高能离子束；
步骤10：由II束的伯纳斯型气体离子源产生出含有与稀土元素 离子化合的另一离子的高能离子束；
步骤11：用两个离子束上各自的磁分析器装置对两个离子源产 生出来的高能离子束按照质量数进行分离，分别选择出生长所需要 的同位素纯的稀土元素离子束和与之化合的另一种离子束；
步骤12：用两个离子束上的电或磁四极透镜装置将质量分离得到 的两束同位素纯高能离子束进行二次聚焦；
步骤13：用静电偏转电极装置将二次聚焦后的两束同位素纯高能 离子束偏转去除高能中性粒子后，打开生长室与离子束汇合处的真空隔 断阀，按照离子源束流调控装置调控的分时切割导通周期，两束同位素 纯的高能离子束交替地的直入射进超高真空生长室内的减速透镜装置 中；
步骤14：用减速透镜装置将进入超高真空生长室内的两束同位素 纯高能离子束减低能量；
步骤15：再通过调整电或磁四极透镜和其辅助的电或磁导向装 置及静电偏转电极装置的电磁场，使得交替沉积到衬底上的两束低 能同位素纯离子的束斑形状大小相同，且位置重合；
步骤16：按照离子束束流测量装置设定的交替沉积的离子剂量 和配比，在超高真空生长室内，两束低能同位素纯离子交替地在衬底 上沉积生长，其生长温度由衬底加热装置提供；
步骤17：利用RHEED装置测试分析得到薄膜样品的结晶质量；
步骤18：利用XPS与AES装置测试分析得到薄膜样品的化学状 态、成分配比及膜层中的成分分布。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中步骤1中 所述的无结晶水的稀土氯化物原材料，是先利用真空烘箱在≤10-2Pa 真空度下烘烤含结晶水的稀土氯化物，完全去除结晶水后得到的， 含结晶水的稀土氯化物烘烤去除结晶水的具体步骤如下：
1)将含结晶水的稀土氯化物原材料置入真空烘箱；
2)抽真空烘箱的真空；
3)保持真空烘箱的真空≤10-2Pa，以1~10℃/分钟的加热速率升 高烘箱的温度，最高加热温度为200~300℃，不同的含结晶水稀土氯化 物的升温速率和最高加热温度不同；
4)去除结晶水后，在≤10-2Pa的真空度下自然降温；
5)将降到室温的无水稀土氯化物取出，并迅速装瓶密封或装入固 体离子源装置的蒸发器型坩埚内。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中步骤5中 的离子源烘烤去气前的真空度≤10-4Pa。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中步骤5中 I束伯纳斯型固体离子源烘烤去气的最高温度通常不超过450℃。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中进行步骤 7前，伯纳斯型固体离子源烘烤去气后的真空度≤10-4Pa，继续升温 的离子源内的稀土氯化物气氛的气压升到1.5×10-3Pa时，暂时停止继 续升温，以维持该离子源内的气压稳定。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中进行步骤 8前伯纳斯型气体离子源烘烤去气后的真空度应达到10-4Pa，所通工 作气体的进气流量以维持该离子源内的气压在1.5×10-3Pa左右为准。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中步骤9、10 中所述的产生的高能离子束的能量大小范围为15~40KeV，由双离子 束沉积设备工作时加的加速电压决定。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中进行步骤 9时，以无结晶水的稀土氯化物作为I束的伯纳斯型固体离子源的工 作物质产生稀土元素离子，其离子源的工作温度范围通常为500到750 ℃，工作气压范围通常为0.8×10-3Pa到4.0×10-3Pa，可根据生长速 率的需要，适当升高或降低该离子源的工作温度和气压，其中，产生出 含有稀土元素离子的离子束的具体过程如下：
1)、离子源开始工作前，先适当减小伯纳斯型固体离子源的弧室 加热电流、坩埚加热电流和灯丝加热电流，防止起弧后离子源内温度突 然升高，致使稀土氯化物原材料大量喷出；
2)、加离子束系统工作的加速电压、离子源的弧室电压和聚焦引出 极电压；
3)、升离子源源磁场电流和灯丝加热电流，使进入离子源弧室体内 的稀土氯化物气氛起弧离化出含有稀土元素离子的离子；
4)、离化出来的离子经离子束系统的加速电压加速成形后，在离 子源引出聚焦极的负高压电场作用下引出离子束；
5)调整离子源灯丝加热电流和源磁场电流来控制产生的弧流大小， 待弧流稳定后，再适当增加离子源弧室加热电流和坩埚加热电流，通过 调控离子源内工作温度，维持蒸发出来的稀土氯化物气氛的工作气 压稳定，并使得离子源稳定地产生出大的含有稀土元素离子的离子 束流。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中进行步骤 10时，利用伯纳斯型气体离子源以直接通入的气体作为工作物质产 生与稀土元素离子化合的另一种离子，离子源的工作气压范围通常为 0.8×10-3Pa到4.0×10-3Pa，可根据生长速率的需要，适当调节进气针 阀的开关来升高或降低该离子源的工作气压，其产生出含有与稀土元 素离子化合的另一种离子的离子束具体过程如下：
1)、加离子束系统工作的加速电压后，加离子源的弧室电压和引出 聚焦极电压；
2)、升离子源的源磁场电流和灯丝加热电流，使进入离子源弧室体内 的工作气体的气氛起弧，离化出含有与稀土元素离子化合的另一种离 子的离子；
3)、离化出来的离子经离子束系统的加速电压加速成形后，在离子 源的引出聚焦极的负高压电场作用下引出离子束；
4)、调整离子源的灯丝加热电流和源磁场电流来控制产生的弧流大 小，并使得离子源稳定地产生出大的含有与稀土元素离子化合的另 一种离子的离子束流。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中进行步骤 13时，两个离子源束流调控装置的分时切割导通周期，由离子束束 流测量装置设定的每种离子单次沉积到衬底上的离子剂量计数值调 控，其范围为0.1--∞秒。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中进行步骤 14时，离子减速后可达到的低能量范围为15eV到1KeV，可根据生 长需要通过改变减速透镜装置所加的电压来获得。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中进行步骤 16时，超高真空生长室内的真空度≤5.0×10-6Pa，衬底加热的温度 范围为室温到800℃，在薄膜生长过程中，可通过衬底的小角度左右 摆动扫描，来进一步提高薄膜生长的均匀性。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中所述II束 的伯纳斯型气体离子源的工作物质为一氧化碳气体，用于高熔点的二元 稀土氧化物薄膜材料的制备，所产生氧离子与I束的伯纳斯型固体离子 源产生的稀土元素离子化合生长二元稀土氧化物薄膜。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中用单束离 子进行难提纯、易氧化的稀土磁性半导体材料的制备，只开启I束，由 I束固体离子源产生的大束流稀土磁性元素离子，经质量选择提纯、二 次聚焦和静电偏转去除高能中性粒子后进入超高真空生长室内减低能 量，最后将得到同位素纯的稀土磁性元素低能离子浅结注入掺杂进半导 体衬底材料中来进行稀土磁性半导体薄膜的制备生长。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中所述I 束的伯纳斯型固体离子源的工作物质为无结晶水的氯化铈，产生稀土铈 离子(Ce+)，II束的伯纳斯型气体离子源的工作物质为一氧化碳，产生 的氧离子(O+)，在超高真空生长室内，利用得到的具有100eV的这两种 同位素纯离子进行氧化铈薄膜的制备生长，在硅衬底上，以300℃～350 ℃的生长温度制备得到高纯的单晶氧化铈薄膜材料。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中所述I 束的伯纳斯型固体离子源的工作物质为无结晶水的氯化钆，产生稀土钆 离子(Gd+)，II束的伯纳斯型气体离子源的工作物质为一氧化碳，产生 氧离子(O+)，在超高真空生长室内，利用得到的具有300eV的这两种同 位素纯离子进行氧化钆薄膜的制备生长，在硅衬底上，以250℃～300℃ 的生长温度制备得到高纯的氧化钆薄膜材料。
根据本发明的制备二元稀土化合物薄膜材料的方法，其中所述I 束的伯纳斯型固体离子源的工作物质为无结晶水的氯化钆，产生稀土磁 性元素的钆离子(Gd+)，在超高真空生长室内，将得到的1000eV的单束 钆离子浅结注入到硅衬底中，在室温下制备得到具有室温铁磁性的 Si1-xGdx薄膜材料。
附图说明
图1：低能双离子束沉积设备制备生长二元稀土化合物薄膜材料 示意图；
图2：Si(100)衬底上，利用质量分离的低能双离子束沉积设备制 备生长得到的二氧化铈(CeO2)薄膜样品的X射线衍射(XRD)谱；
图3：Si(100)衬底上，利用质量分离的低能双离子束沉积设备制 备生长得到的二氧化铈(CeO2)薄膜样品的高频C-V曲线；
图4：Si(100)衬底上，利用质量分离的低能双离子束沉积设备制 备生长得到的三氧化二钆(Gd2O3)薄膜样品的X射线衍射(XRD)谱；
图5：Si(100)衬底上，利用质量分离的低能双离子束沉积设备制 备生长得到的三氧化二钆(Gd2O3)薄膜样品的光致发光(PL)谱；
图6：利用质量分离的低能双离子束沉积设备，在硅(Si)衬底上浅结 注入大剂量的稀土磁性元素钆(Gd)离子，制备得到具有室温铁磁性和高 饱和磁化强度的GdxSi1-x薄膜样品的磁滞回线图。

请参阅图1所示，本发明用于二元稀土化合物薄膜材料制备生长的 低能离子束沉积设备具有双束结构，I束和II束，每束各有独立的离子 源装置(1.1与1.2)、离子源束流调控装置(2)、磁分析器装置(3)、 电或磁四极透镜装置(5.1与5.2)、静电偏转电极装置(6)，双束共用 的减速透镜装置(7)、衬底(8)和离子束束流测量装置(9)位于超 高真空生长室(10)内，RHEED装置(11)和XPS装置(12)可对制 备得到的薄膜样品的成膜质量进行原位测量。整个系统的真空采用差分 抽气式设计，从离子源(1.1与1.2)到生长室(靶室)(10)的真空逐 次提高，生长室(10)的本底真空可高达5×10-7Pa。稀土元素离子束(4.1) 和与之化合的另一离子束(4.2)的产生及二元稀土化合物薄膜材料的制 备生长包括如下步骤：
步骤1：选择纯度要求不高的稀土氯化物作为I束带有蒸发器型 坩埚的伯纳斯型固体离子源(1.1)产生稀土元素离子束的原材料，如 所选的稀土氯化物原材料含有结晶水，先利用真空烘箱在≤10-2Pa 真空度下烘烤，完全去除结晶水，真空烘箱的升温速率为1~10℃/分 钟，最高加热温度为200~300℃。不同的含结晶水稀土氯化物的升温速 率最高加热温度不同，如表1所示。将无结晶水的稀土氯化物原材料 装入I束的伯纳斯型固体离子源(1.1)的蒸发器型坩埚内；
表1含结晶水稀土氯化物真空烘烤去除结晶水的最高加热温度   氯化物   LaCl3·7H2O   CeCl3·7H2O   PrCl3·7H2O   SmCl3·6H2O   GdCl3·6H2O   最高加热   温度   200℃   240℃   250℃   260℃   240℃   氯化物   TbCl3·6H2O   DyCl3·6H2O   HoCl3·6H2O   ErCl3·6H2O   TmCl3·6H2O   最高加热   温度   270℃   280℃   260℃   260℃   250℃   氯化物   YbCl3·6H2O   YCl3·6H2O   ScCl3·6H2O   最高加热   温度   250℃   300℃   200℃
步骤2：选择纯度要求不高的气体物质作为II束的伯纳斯型气体 离子源(1.2)产生与稀土元素离子化合的另一离子束的原材料，将盛 装气体物质的容器与II束的伯纳斯型气体离子源(1.2)外的带有针 阀的进气导管连接；
步骤3：将清洗后的衬底(8)置入生长室(10)；
步骤4：抽生长系统的真空；
步骤5：I束的伯纳斯型固体离子源(1.1)与II束的伯纳斯型气 体离子源(1.2)内的真空度≤10-4Pa后，烘烤去气。I束的伯纳斯 型固体离子源(1.1)可通过调整其灯丝加热电流、坩埚加热电流及弧 室加热电流来控制烘烤加热的温度，最高烘烤温度不超过450℃，II 束的伯纳斯型气体离子源(1.2)可通过调整其灯丝加热电流来控制烘 烤加热的温度；
步骤6：超高真空生长室(10)内的衬底(8)烘烤去气
步骤7：烘烤去气后的I束的伯纳斯型固体离子源(1.1)的真 空再次≤10-4Pa后，调整其灯丝加热电流、坩埚加热电流及弧室加热电 流，继续升高该离子源的温度，使其缓慢蒸发出稀土氯化物气氛， 当离子源(1.1)内的气压升到1.5×10-3Pa后，暂时停止升温；
步骤8：烘烤去气后的II束伯纳斯型气体离子源(1.2)的真空 再次达到10-4Pa后，打开源外进气管上的针阀，将工作气体直接通到 源内的弧室体内，进气流量以维持该离子源内的气压在1.5×10-3Pa 左右为准；打开外的进气针阀，向源内通工作气体；
步骤9：由I束的伯纳斯型固体离子源(1.1)产生含有稀土元 素离子的高能离子束，其能量范围在15~40KeV之间，大小由离子束 系统工作时加的加速电压决定。产生出含有稀土元素离子的离子束的 具体过程如下：先适当减小伯纳斯型固体离子源(1.1)的弧室加热电 流、坩埚加热电流和灯丝加热电流，然后加离子束系统工作的加速电压、 离子源(1.1)的弧室电压和聚焦引出极电压，接下来升离子源(1.1) 的源磁场电流和灯丝加热电流，使进入离子源(1.1)弧室体内的稀土氯 化物气氛起弧离化出稀土元素离子，产生的离子经离子束系统工作的 加速电压加速成形后，由离子源(1.1)引出聚焦极的负高压电场作用 引出离子束。可通过调整离子源(1.1)的灯丝加热电流和源磁场电流 来控制产生的弧流大小，待弧流稳定后，再适当增加离子源(1.1)的弧 室加热电流和坩埚加热电流，通过控制离子源(1.1)内的工作温度， 维持蒸发出来的稀土氯化物气氛的工作气压稳定，以使得离子源 (1.1)稳定地产生出大的含有稀土元素离子的离子束流。利用伯纳 斯型固体离子源(1.1)，以无结晶水的稀土氯化物作为工作物质来产 生稀土元素离子的工作温度范围通常为500到750℃，工作气压范围 通常为0.8×10-3Pa到4.0×10-3Pa，可根据生长速率的需要，适当升高 或降低该离子源(1.1)的工作温度和气压；
步骤10：由II束的伯纳斯型气体离子源(1.2)产生出与稀土元 素离子化合的另一离子的高能离子束，其能量范围在15~40KeV之 间，大小由离子束系统工作时加的加速电压决定。具体的过程如下： 加离子源(1.2)的弧室电压和引出聚焦极电压，接下来升离子源(1.2) 的源磁场电流和灯丝加热电流，使进入离子源(1.2)弧室体内的工作气 体的气氛起弧离化出含有与稀土元素离子化合的另一离子，这些离子 经离子束系统工作的加速电压加速成形后，由该离子源(1.2)的引出 聚焦极的负高压电场作用引出离子束。可通过调整离子源(1.2)的灯 丝加热电流和源磁场电流来控制产生的弧流大小，离子源(1.2)产生与 稀土元素离子化合的另一离子的工作气压范围通常为0.8×10-3Pa到4.0 ×10-3Pa，可根据生长速率的需要，适当调节进气针阀开关来升高或降低 离子源(1.2)的工作气压；
步骤11：用I、II两个离子束上各自的磁分析器装置(3)对 两个离子源产生出来的高能离子束按照质量数进行分离，分别选择 出生长所需要的同位素纯的稀土元素离子束(4.1)和与之化合的另 一离子束(4.2)；
步骤12：用I离子束上的电四极透镜装置(5.1)和II离子束上 的磁四极透镜装置(5.2)将质量分离得到的两束同位素纯高能离子 束进行二次聚焦；
步骤13：用静电偏转电极装置(6)将二次聚焦后的两束同位 素纯高能离子束(4.1)和(4.2)偏转去除高能中性粒子后，打开生 长室与离子束汇合处的真空隔断阀，按照离子源束流调控装置(2)调 控的分时切割导通周期，同位素纯高能离子束(4.1)和(4.2)交替 地直入射进超高真空生长室内的减速透镜装置(7)中，其中，离子 源束流调控装置(2)的分时切割导通周期，由离子束束流测量装置 (9)设定的每种离子单次沉积到衬底(8)上的离子剂量计数值调 控，其导通周期的范围为0.1~∞秒；
步骤14：用减速透镜装置(7)将进入超高真空生长室(10) 的同位素纯高能离子束(4.1)和(4.2)减低能量，减低后的离子能 量范围在15eV到1KeV之间，其大小可根据生长需要确定；
步骤15：再通过调整电四极透镜装置(5.1)与其辅助的电导 向装置、磁四极透镜装置(5.2)与其辅助的磁导向装置及静电偏转 电极装置(6)的电磁场，使得交替沉积到衬底(8)上的两束低能 同位素纯离子的束斑形状大小相同，且位置重合；
步骤16：按照离子束束流测量装置(9)设定的交替沉积的离 子剂量和配比，两束低能同位素纯离子交替地在衬底(8)上沉积生 长。交替沉积的离子剂量计数值和配比，可根据生长需要由离子束 束流测量装置(9)设定，薄膜样品的生长温度由衬底(8)的加热 装置提供，加热温度范围为室温到800℃，在薄膜生长过程中，还可 通过衬底(8)的小角度左右摆动扫描，来进一步提高薄膜生长的均 匀性。
步骤17：利用RHEED装置(11)测试分析得到的薄膜样品的结 晶质量；
步骤18：利用XPS与AES装置(12)测试分析得到的薄膜样品 的化学状态、成分配比及膜层中的成分分布。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
1、本发明选用纯度要求不高的稀土氯化物和气体工作物质作为原 材料，利用低能双离子束沉积设备的质量分离功能，分别得到具有很好 化学活性和带有较低能量的原子态同位素纯稀土元素离子和与之化 合的材料离子，利用这两种低能离子在超高真空生长室内进行薄膜 材料的制备生长，并且参与生长的低能离子与衬底和生长中的薄膜相 互作用，还可起局部加热作用，实现了难提纯、高熔点、易氧化及难 化合的二元稀土化合物薄膜的低成本的高纯、高效优质生长和低温外 延；
2、本发明通过准确调控带有蒸发器型坩埚的伯纳斯型固体离子源 的工作温度，使得作为离子源工作物质的无结晶水稀土氯化物稳定地产 生出大束流稀土元素离子，提高了现有的低能双离子束沉积方法制备二 元稀土化合物薄膜的工作稳定性和成膜效率；
3、本发明通过准确调控电四极透镜装置与其辅助的电导向装置 和磁四极透镜装置与其辅助的磁导向装置的电磁场来调整二次聚焦 后的两种同位素纯离子束的束斑形状大小和位置，再利用离子源束 流调控装置的分时切割导通功能及静电偏转电极装置的偏转会聚功 能，使两束同位素纯的材料离子交替的按照位置重合的垂直方向入 射到生长室内，并以相同的束斑形状和大小在衬底的同一位置上交 替沉积生长，再配合衬底的小角度左右摆动扫描，提高了现有的低 能双离子束沉积方法所制备的二元稀土化合物薄膜的成膜均匀性，并 增大了成膜面积；
4、本发明通过改变离子束束流测量装置设定的交替沉积的离子 的剂量计数值和配比，来调控参与沉积生长的两种离子的剂量和配 比，从而实现生长所需要的膜层厚度和膜成分化学比，比现有的低 能双离子束沉积方法更易进行二元稀土化合物薄膜的生长工艺优化；
综上所述，本发明的方法，除与目前常用的制备二元稀土化合物薄 膜材料的方法，如磁控溅射、脉冲激光沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、 电子束蒸发、等离子体增强化学气相沉积、金属有机化学气相沉积 (MOCVD)等相比，具有可制备的材料种类范围广和可实现二元稀土化 合物薄膜材料的低成本的高纯、高效优质生长及低温外延等优点外，还 比现有的质量分离低能双离子束沉积方法的生长工艺更易于调控和优 化，且具有更高的成膜效率和更好的工作稳定性。
本发明是一种制备半导体技术领域或其他领域应用的稀土薄膜材料 的经济实用方法。
实现发明的最好方式：
1、实现发明的主要设备：
低能双离子束沉积设备、真空设备(机械真空泵、涡轮分子泵、低 温泵、离子泵等)、真空烘箱、半导体衬底材料的清洗设备等；
2.根据生长设备的具体情况和所要制备的二元稀土化合物薄膜的种类， 设计本发明的实施的技术路线。
具体实施例1：
超大规模集成电路(ULSI)的规模不断增大，使得器件特征尺寸不断 减小，这就需要寻找一种新的理想高介质材料代替目前MOS器件中常用 的SiO2材料，一些二元稀土氧化物材料，如氧化铈(CeO2)薄膜，除了 具有较高的介电常数，能与硅的晶格有很好的匹配之外，还具有良好的 热稳定性。但因这类稀土氧化物材料大都具有难提纯、高熔点等特性， 所以采用通常的材料生长工艺，很难制备得到高纯的优质薄膜，利用本 发明的质量分离的低能双离子束沉积方法制备得到了高纯优质的稀土氧 化铈(CeO2)薄膜，其中相关的实验参数与结果参见表2。因本发明采 用低成本的无水氯化铈(CeCl3))材料作为带有蒸发器型坩埚的伯纳 斯型固体离子源的原材料，通过准确控制离子源的工作温度，产生得 到具有较大束流的同位素纯低能稀土元素Ce+离子，减低到100eV的 Ce+离子束流可达20μA以上，而原有的采用氧化铈(CeO2)作为弗瑞曼 型离子源的原材料的低能双离子束沉积方法，通过与四氯化碳(CCl4) 内氯化反应产生的100eV的Ce+离子束流仅几个μA，可见本发明能明 显提高低能双离子束沉积方法制备稀土氧化铈(CeO2)薄膜材料的成膜 效率，并且增大了成膜的面积和提高了薄膜的均匀性。
表2：Si(100)衬底上，利用质量分离的低能双离子束沉积设备制备生 长稀土氧化铈(CeO2)薄膜材料的实验参数与结果。   离子源类型   I束   伯纳斯型固体离子源   II束   伯纳斯型气体离子源   离子源原材料   氯化铈(CeCl3)   (纯度98.5％)   一氧化碳(CO)气   体   (纯度99.5％)   离子   源   烘烤   去气   参数   I灯丝加热   60A   60A   I弧室加热   5A      I坩埚加热   5A      T坩埚温度   450℃   400℃   P离子源烘烤前后真空   2.5×10-4Pa   2.5×10-4Pa   离子   源   二次   升温   参数   I灯丝加热   110A      I弧室加热   5A      I坩埚加热   8.5A      T坩埚温度   580℃      P源1工作前气压   1.5×10-3Pa      离子   源   工作   V离子束加速电压   15KV   15KV   V引出聚焦极电压   2KV   2KV   I源磁场电流   0.1A   0.35A   V弧室电压   60V   100V   I弧室电流  3A  2A   I灯丝加热  90A  55A   V灯丝加热  3.5V  5V   I弧室加热  11A     V弧室加热  10V     I坩埚加热  0A     V坩埚加热  0V     T坩埚温度  650℃     P离子源工作气压  1.2×10-3Pa  1.2×10-3Pa  (通CO气体后的工作  气压)  I束稀土铈离子  (Ce+)  II束氧离子(O+)   离   子   束   电   参   数   V离子束加速电压  15KV  15KV   V磁分析器测谱电压  666.5mV  227.0mV   I分析器后法拉第筒束流  35μA  700μA   VI束电四极透镜纵向电压  1.8KV     VI束电四极透镜横向电压  1.8KV     VII束磁四极透镜纵向电压    218mV   VII束磁四极透镜横向电压    200mV   V静电偏转电极(正负)电压  1.6KV  1.6KV   V减速透镜电压  100V  100V   I靶面束流   20μA   140μA   生   长   参   数   衬底加热温度   350℃   沉积离子的能量   100eV   离子交替沉积的   剂量配比   I束Ce+∶II束O+＝500计数∶3000计数   ＝1∶6，(每个计数的剂量为1.25×1012dose)   离子交替沉积的   总周期计数与剂   量   总周期计数400×(I束Ce+500计数+II束   O+3000计数)，Ce+剂量＝2.5×1017dose，O+   剂量＝1.5×1018dose   双离子束交替沉   积的面积   4cm2(生长时衬底做左右小角度的摆动扫   描)   测试   结果   结晶质量测试   X射线衍射结果(见图2)表明利用低能   双离子束沉积方法在Si(100)衬底上制备生   长得到单晶CeO2薄膜。   电学性质测试   由厚度约为80nm的CeO2薄膜样品的高频C-   V曲线(如图3)，计算得到该样品的介电常数为   15.4。
具体实施例2：
近年来，关于二元稀土氧化物材料的发光性质的研究也引起人们的 关注，通过对二元稀土氧化物发光机制的研究，来掌握它的机理和规律， 可为硅衬底上稀土氧化物薄膜的光学应用，如在光源、显示、显象、光 电子器件、辐射场的探测及辐射剂量的记录等方面的应用奠定基础。本 发明利用质量分离的低能双离子束沉积方法，在Si(100)衬底上成功 制备得到稀土氧化钆(Gd2O3)薄膜材料(见图4)，并首次在Gd2O3薄 膜样品中同时发现4个发光峰(见图5)，这一结果很好的符合了“单态- 三重态交换作用”模型，而在已有相关实验工作中未见4个发光峰同时出 现的报道，具体的相关的实验参数与结果参见表3。本发明采用低成本 的无水氯化钆(Gd Cl3))材料作为带有蒸发器型坩埚的伯纳斯型固体 离子源的原材料，通过准确控制离子源的工作温度，产生得到具有 较大束流的同位素纯低能稀土元素Gd+离子，减低到300eV的Gd+离 子束流可达40μA以上，而原有的采用氧化钆(Gd2O3)作为弗瑞曼型离 子源的原材料的低能双离子束沉积方法，通过与四氯化碳(CCl4)进行 内氯化反应，很难获得较大的Gd+离子束流。
表3：利用质量分离的低能双离子束沉积设备在Si(100)衬底上制备 生长稀土氧化钆(Gd2O3)薄膜材料的实验参数与结果。   离子源类型   I束   伯纳斯型固体离子源   II束   伯纳斯型气体离子源   离子源原材料   氯化铈(Gd Cl3)(纯   度98.5％)   一氧化碳(CO)气   体(纯度99.5％)   离子   源   烘烤   去气   参数   I灯丝加热   60A   60A   I弧室加热   5A      I坩埚加热   5A      T坩埚温度   450℃   400℃   P离子源烘烤前后真空   2.5×10-4Pa   2.5×10-4Pa   离子   源   二次   升温   参数   I灯丝加热   90A      I弧室加热   6A      I坩埚加热   5A      T坩埚温度   580℃      P源1工作前气压   1.5×10-3Pa      离   子   源   工   作   参   V离子束加速电压   15KV   15KV   V引出聚焦极电压   2KV   2KV   I源磁场电流   0.2A   0.4A   V弧室电压   70V   100V   I弧室电流   3A   2A   I灯丝加热   80A   60A   V灯丝加热   3.5V   5V   I弧室加热   10A      V弧室加热   8V      I坩埚加热   4A     V坩埚加热   7V     T坩埚温度   630℃     P离子源工作气压   1.2×10-3Pa  2.0×10-3Pa  (通CO气体后的工作  气压)   I稀土钆离子(Gd+)  II束氧离子(0+)   离   子   束   电   参   数   V离子束加速电压   15KV  15KV   V磁分析器测谱电压   709.7mV  225.6mV   I分析器后法拉第筒束流   80μA  700μA   VI束电四极透镜纵向电压   2.0KV     VI束电四极透镜横向电压   2.2KV     VII束磁四极透镜纵向电压     218mV   VII束磁四极透镜横向电压     200mV   V静电偏转电极(正负)电压   1.6KV  1.6KV   V减速透镜电压   300V  300V   I靶面束流   40μA  160μA   生   长   参   数   衬底加热温度   300℃   沉积离子的能量   300eV   离子交替沉积的剂量配比   I束Gd+∶II束O+＝500计   数∶2000计数＝1∶4，(每个计   数的剂量为1.25×1012dose)   离子交替沉积的总周期计数与   剂量   总周期计数400×(I束   Gd+500计数+II束O+2000   计数)，Gd+剂量＝2.5×1017   dose，O+剂量＝1.O ×1018dose   双离子束交替沉积的面积   4cm2(生长时衬底做左右   扫描摆动)   测试   结果   结晶质量测试   X射线衍射结果(见图4)   表明利用低能双离子束沉   积方法在Si(100)衬底上生   长得到多晶Gd2O3薄膜   光学性质测试   由Gd2O3薄膜样品的PL谱   测试结果(见图5)，首次同   时观察到Gd2O3薄膜样品中   的4个发光峰
具体实施例3：
稀磁半导体材料可同时利用电子的电荷和自旋性能，是未来实现量 子计算的基础。但因难于获得具有室温铁磁性和高饱和磁化强度的材料， 而制约其广泛应用和推广。近年来，采用具有磁性的稀土元素来制备高 Tc的铁磁性稀磁半导体材料的研究也逐渐引起人们的关注，但由于这些 稀土磁性元素大都具有难提纯、易氧化的特性，采用通常的材料制备工 艺很难在半导体材料中获得较高的溶解度。本发明利用低能离子束沉积 技术的质量提纯与荷能离子沉积功能，获得大束流的磁性稀土元素钆 (Gd+)离子，产生Gd+离子的相关实验参数参见表3，利用本发明的方 法产生的磁性稀土元素钆(Gd+)离子的束流，减低到1000eV时的Gd+ 离子靶面束流可达60μA以上，本发明将具有1000eV的Gd+离子大剂量 (3.0×1018dose/cm2)的浅结注入到硅衬底上，在硅衬底表面制备得到 制备得到具有室温铁磁性和高饱和磁化强度的二元稀土磁性半导体材料 GdxSi1-x，其室温磁滞回线谱如图6所示。