CN101865676B

CN101865676B - 一种测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法

Info

Publication number: CN101865676B
Application number: CN2009100819869A
Authority: CN
Inventors: 彭银生; 徐波; 叶小玲; 王占国
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: CN101865676A

Abstract

本发明公开了一种测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法，包括：在半绝缘砷化镓衬底上，外延生长一定厚度的AlGaAs牺牲层；在AlGaAs牺牲层上外延生长一定厚度的砷化镓；在砷化镓层上外延生长一定密度InAs量子点；外延生长一定厚度的砷化镓，将InAs量子点埋住；在砷化镓上采用等离子体化学气相淀积法(PECVD)镀上一层SiO₂薄膜；在SiO₂薄膜上悬涂一层电子束胶；采用电子束曝光法在电子束胶上制作光子晶体图形；采用反应离子刻蚀方法将电子束胶上的光子晶体图形转移至SiO₂上，并去胶；采用扫描电镜(SEM)对样品进行测试，观测并计算光子晶体孔洞的垂直度。利用本发明，不用观察光子晶体孔洞截面，只测试光子晶体表面，便可测试出光子晶体孔洞侧壁垂直度。

Description

一种测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法

技术领域

本发明涉及光子晶体技术领域，尤其涉及一种测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法。

背景技术

近年来，基于对量子密码学，量子通讯和量子计算的研究，国际上许多科研人员都在从事量子点单光子源的研究。但是，为了提高单光子的萃取效率，人们往往将量子点置入微腔内。比如，微柱微腔，微盘微腔等。与其它光学微腔相比，二维光子晶体微腔具有较小的模式体积与较高的品质因子，以及缺陷模式易于调节等特点，近年来成为人们研究的热点之一。然而，制作高质量光子晶体成为目前难点之一，其中最重要一点是要求孔洞侧壁尽可能垂直。

目前，检测光子晶体侧壁是否垂直的方法一般是将含有光子晶体的样品随意解离，切开空气孔洞截面，通过SEM扫描观察其垂直度。这种方法缺点是程序比较复杂，并且由于光子晶体微腔及光子晶体孔洞尺寸均比较小，在解离时，解离线很难准确无误地经过光子晶体孔洞，导致的结果可能需要解离若干块样品，才可能获得光子晶体孔洞截面图。

因此，寻求一种既简单可行，同时又能检测光子晶体孔洞垂直度的方法成为目前需解决的一个重点和难点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种不用观察光子晶体孔洞截面，只测试光子晶体表面，便可测试光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法，该方法包括：

步骤1：在半绝缘砷化镓衬底上，外延生长一定厚度的AlGaAs牺牲层；

步骤2：在AlGaAs牺牲层上外延生长一定厚度的砷化镓；

步骤3：在砷化镓层上外延生长一定密度InAs量子点；

步骤4：外延生长一定厚度的砷化镓，将InAs量子点埋住；

步骤5：在砷化镓上采用PECVD镀上一层SiO₂薄膜；

步骤6：在SiO₂薄膜上悬涂一层电子束胶；

步骤7：采用电子束曝光法在电子束胶上制作光子晶体图形；

步骤8：采用反应离子刻蚀方法将电子束胶上的光子晶体图形转移至SiO₂上，并去胶；

步骤9：采用SEM对样品进行测试，观测并计算光子晶体孔洞的垂直度。

上述方案中，所述外延采用分子束外延方法。

上述方案中，步骤1中所述AlGaAs牺牲层的组份为Al_0.7Ga_0.3As，厚度为1000nm。

上述方案中，步骤5中所述SiO₂薄膜的厚度为150nm。

上述方案中，步骤6中所述电子束胶为ZEP胶，厚度为300nm。

上述方案中，步骤9中所述采用SEM对样品进行测试，观测并计算光子晶体孔洞的垂直度，包括：采用SEM对样品进行测试，获得光子晶体表面图，再旋转一定角度，使SiO₂上光子晶体孔洞上边缘与孔洞相对底部边缘在同一直线上，记下此时旋转角度大小α；根据公式tanθ＝tanβ-tanα计算光子晶体孔洞侧壁的垂直度大小，其中，α为光子晶体孔洞上边缘与相对底部边缘在同一直线上时，对应样品台面与平面之间的夹角；β为理想情况下，即光子晶体孔洞侧壁垂直，孔洞上边缘与相对底部边缘在同一直线上时，对应样品台面与平面之间的夹角；θ为孔洞侧壁与竖直方向的夹角。

上述方案中，所述光子晶体平板厚度为200nm，所述InAs量子点置于光子晶体平板中间，所述光子晶体孔洞半径为75nm。

(三)有益效果

本发明提供的这种测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法，不用观察光子晶体孔洞截面，只测试光子晶体表面，便可测试出光子晶体孔洞侧壁垂直度。

附图说明

图1是光子晶体示意图；

图2是本发明提供的测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法流程图；

图3是用扫描电镜测量光子晶体示意图；

图4是本发明提供的光子晶体制作工艺过程示意图；

图5是光子晶体扫描电镜表面图和截面图，其中，a是表面图，b是截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法，首先将制作有光子晶体的样品粘贴在样品台上，然后将样品送入扫描电镜真空腔内，接着测试相品。测试步骤如下：首先调整好焦距和放大倍数，在显示屏上能比较清晰地观察到光子晶体表面孔洞图像；然后将扫描电镜转轴旋转至一定角度α，使圆孔顶部一边缘与孔底部相对应的另一边缘，从显示屏上观察正好处于同一竖直线上，记下此时样品对应倾斜角度应为α，根据以下公式可以得出孔洞的垂直度为：

tanθ＝tanβ-tanα

公式右边均为已知值。为此我们可以获得孔洞侧壁的垂直度大小。

假设光子晶体刻蚀后，空气孔形状为截顶锥体，锥体顶部直径为d，高度即为SiO₂掩膜的厚度，设为h，锥体侧壁与竖直方向夹角为θ，如图1所示。将样品粘贴在样品台面上，送入测试腔内，适当转动样品台面倾角，使孔洞上表面边缘与底部相对应边缘从显示屏上观察，恰好处于同一直线上，记录此时旋转的倾角角度α，此倾角也是样品所处斜面的角度。

接下来我们用一些变量来表示角度。如图3a所示为光子晶体的截面示意图，从截面图看，空气孔的形状为倒梯形。当样品正好处在如上所述倾角为α的斜面上时，从梯形的角A向斜面引垂线与并斜面相交，交点C离梯形角B的距离为c。则有

tanα＝c/h (1)

tanθ＝(d-c)/h (2)

另外，为了求得角度θ，假设上述光子晶体孔洞垂直，在SEM观测时，同样要求A’与B’在显示屏上观察重合(见图3b)，此时样品台转动的角度记为β，该角度可以表示为

tanβ＝d/h (3)

联解(1)(2)(3)式，计算得出，

tanθ＝tanβ-tanα (4)

公式(4)右边项为可以测量或计算得出的已知项，所以很容易通过该式获得光子晶体侧壁的垂直度。

图2是本发明提供的测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法流程图，该方法包括：

步骤2：在AlGaAs牺牲层上外延生长一定厚度的砷化镓；

步骤3：在砷化镓层上外延生长一定密度InAs量子点；

步骤4：外延生长一定厚度的砷化镓，将InAs量子点埋住；

步骤5：在砷化镓上采用PECVD镀上一层SiO₂薄膜；

步骤6：在SiO₂薄膜上悬涂一层电子束胶；

步骤7：采用电子束曝光法在电子束胶上制作光子晶体图形；

请参阅图3、图4和图5，本发明是采用扫描电镜观察光子晶体表面来获得光子晶体侧壁垂直度，包括如下步骤：

(A)、在衬底50上，使用分子束外延方法外延生长AlGaAs牺牲层40，该衬底50为半绝缘砷化镓，牺牲层40的厚度为1000nm；

(B)、在牺牲层40上生长GaAs波导层30，该波导层厚度为200nm，InAs量子点层置于波导层中间；

(C)、在波导层30上，使用PECVD沉积掩膜层20，该掩膜层20为二氧化硅，其厚度为150nm；

(D)、在掩膜层20上，再悬涂电子束胶10，该电子束胶10为ZEP520胶，其厚度为300nm；

(E)、使用电子束曝光方法在电子束胶10上形成光子晶体图形；

(F)、使用RIE刻蚀将电子束胶10上的图形转移至20上；

(G)、将样品置于样品台面上并放入SEM腔内测试，适当转动样品台，使光子晶体孔洞上边缘与孔洞底部对面边缘从图形上看重合，如图3a所示，此时斜面对应倾角为α；

(H)、将测试角度代入公式(4)，获得光子晶体孔洞侧壁的垂直度θ。

(I)、根据θ的大小进一步调节RIE刻蚀参数，直至达到满意为止。

(J)、当获得了满意的SiO₂刻蚀结果后，我们将光子晶体图形通过感应耦合等离子(ICP)刻蚀转至GaAs上；

(K)、之后，将表面的SiO₂层和AlGaAs牺牲层去掉；

(L)、将样品固定在样品台面上并送入SEM测试腔内，采用与以上相同的方法测试GaAs光子晶体孔洞侧壁的垂直度。

(M)、根据垂直度的大小进一步调节ICP刻蚀参数，直至达到满意为止。

实例说明：

在GaAs衬底上用PECVD沉积一层150nm厚的SiO₂作为掩膜层，再在掩膜层上涂上一层电子束胶，用电子束曝光方法在电子束胶上制作光子晶体图形，之后采用反应离子刻蚀将电子束胶上的图形转移至SiO₂上。我们采用以上方法用SEM测量了空气孔侧壁的垂直度。其中α≈43.5°，得到tanα＝0.95，而tanβ＝d/h值，可以通过已知数据得到，h即为SiO₂的厚度150nm，而d为空气孔的直径，约为150nm，所以tanβ＝1，这样得到tanθ＝tanβ-tanα＝0.05，对应θ≈3°，所以空气孔侧壁与竖直方向夹角约为87°。为了验证该方法的可靠性，我们也观察了光子晶体空气孔截面图，从直观上观察，其垂直度约为90°(见图5b)，这种误差在实际器件中可以接受。误差主要来源于孔洞边缘并非十分光滑，另外孔径较小，不易测量。

该方法比较适应于测量孔径较小但孔洞深度较浅的光子晶体，特别适合于测量孔径较大的光子晶体，准确性更高，对于孔径较小，深度较深的光子晶体不太适合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤2：在AlGaAs牺牲层上外延生长一定厚度的砷化镓；

步骤3：在砷化镓层上外延生长一定密度InAs量子点；

步骤4：外延生长一定厚度的砷化镓，将InAs量子点埋住；

步骤5：在埋住InAs量子点的砷化镓上采用PECVD镀上一层SiO₂薄膜；

步骤6：在SiO₂薄膜上悬涂一层电子束胶；

步骤7：采用电子束曝光法在电子束胶上制作光子晶体图形；

步骤9：采用SEM对样品进行测试，观测并计算光子晶体孔洞侧壁垂直度；

其中，步骤9中所述采用SEM对样品进行测试，观测并计算光子晶体孔洞侧壁垂直度，包括：采用SEM对样品进行测试，获得光子晶体表面图，再旋转一定角度，使SiO₂上光子晶体孔洞上边缘与孔洞相对底部边缘在同一直线上，记下此时旋转角度大小α；根据公式tanθ＝tanβ-tanα计算光子晶体孔洞侧壁的垂直度大小，其中，α为光子晶体孔洞上边缘与相对底部边缘在同一直线上时，对应样品台面与平面之间的夹角；β为理想情况下，即光子晶体孔洞侧壁垂直，孔洞上边缘与相对底部边缘在同一直线上时，对应样品台面与平面之间的夹角；θ为孔洞侧壁与竖直方向的夹角。

2.根据权利要求1所述的测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法，其特征在于，所述外延采用分子束外延方法。

3.根据权利要求1所述的测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法，其特征在于，步骤1中所述AlGaAs牺牲层的组份为Al_0.7Ga_0.3As，厚度为1000nm。

4.根据权利要求1所述的测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法，其特征在于，步骤5中所述SiO₂薄膜的厚度为150nm。

5.根据权利要求1所述的测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法，其特征在于，步骤6中所述电子束胶为ZEP胶，厚度为300nm。

6.根据权利要求1所述的测量光子晶体孔洞侧壁垂直度的方法，其特征在于，所述光子晶体的厚度为200nm，所述InAs量子点置于光子晶体中间，所述光子晶体孔洞半径为75nm。