專利名稱：一種測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子晶體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方 法。
背景技術(shù)：
近年來，基于對量子密碼學(xué)，量子通訊和量子計算的研究，國際上許多科研人員都 在從事量子點單光子源的研究。但是，為了提高單光子的萃取效率，人們往往將量子點置入 微腔內(nèi)。比如，微柱微腔，微盤微腔等。與其它光學(xué)微腔相比，二維光子晶體微腔具有較小 的模式體積與較高的品質(zhì)因子，以及缺陷模式易于調(diào)節(jié)等特點，近年來成為人們研究的熱 點之一。然而，制作高質(zhì)量光子晶體成為目前難點之一，其中最重要一點是要求孔洞側(cè)壁盡 可能垂直。目前，檢測光子晶體側(cè)壁是否垂直的方法一般是將含有光子晶體的樣品隨意解 離，切開空氣孔洞截面，通過SEM掃描觀察其垂直度。這種方法缺點是程序比較復(fù)雜，并且 由于光子晶體微腔及光子晶體孔洞尺寸均比較小，在解離時，解離線很難準(zhǔn)確無誤地經(jīng)過 光子晶體孔洞，導(dǎo)致的結(jié)果可能需要解離若干塊樣品，才可能獲得光子晶體孔洞截面圖。因此，尋求一種既簡單可行，同時又能檢測光子晶體孔洞垂直度的方法成為目前 需解決的一個重點和難點。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的主要目的在于提供一種不用觀察光子晶體孔洞截面，只測試光子晶體表 面，便可測試光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法，該方 法包括步驟1 在半絕緣砷化鎵襯底上，外延生長一定厚度的AlGaAs犧牲層；步驟2 在AlGaAs犧牲層上外延生長一定厚度的砷化鎵；步驟3 在砷化鎵層上外延生長一定密度InAs量子點；步驟4 外延生長一定厚度的砷化鎵，將InAs量子點埋?。徊襟E5 在砷化鎵上采用PECVD鍍上一層Si02薄膜；步驟6 在Si02薄膜上懸涂一層電子束膠；步驟7 采用電子束曝光法在電子束膠上制作光子晶體圖形；步驟8 采用反應(yīng)離子刻蝕方法將電子束膠上的光子晶體圖形轉(zhuǎn)移至Si02上，并 去膠；步驟9 采用SEM對樣品進(jìn)行測試，觀測并計算光子晶體孔洞的垂直度。上述方案中，所述外延采用分子束外延方法。
上述方案中，步驟1中所述AlGaAs犧牲層的組份為Ala 7GaQ. 3As，厚度為lOOOnm。上述方案中，步驟5中所述Si02薄膜的厚度為150nm。上述方案中，步驟6中所述電子束膠為ZEP膠，厚度為300nm。上述方案中，步驟9中所述采用SEM對樣品進(jìn)行測試，觀測并計算光子晶體孔洞的 垂直度，包括采用SEM對樣品進(jìn)行測試，獲得光子晶體表面圖，再旋轉(zhuǎn)一定角度，使Si02i 光子晶體孔洞上邊緣與孔洞相對底部邊緣在同一直線上，記下此時旋轉(zhuǎn)角度大小a ；根據(jù) 公式tane = tan ^-tan a計算光子晶體孔洞側(cè)壁的垂直度大小，其中，a為光子晶體孔 洞上邊緣與相對底部邊緣在同一直線上時，對應(yīng)樣品臺面與平面之間的夾角；0為理想情 況下，即光子晶體孔洞側(cè)壁垂直，孔洞上邊緣與相對底部邊緣在同一直線上時，對應(yīng)樣品臺 面與平面之間的夾角；0為孔洞側(cè)壁與豎直方向的夾角。上述方案中，所述光子晶體平板厚度為200nm，所述InAs量子點置于光子晶體平 板中間，所述光子晶體孔洞半徑為75nm。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法，不用觀察光子晶體孔洞 截面，只測試光子晶體表面，便可測試出光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度。


圖1是光子晶體示意圖；圖2是本發(fā)明提供的測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法流程圖；圖3是用掃描電鏡測量光子晶體示意圖；圖4是本發(fā)明提供的光子晶體制作工藝過程示意圖；圖5是光子晶體掃描電鏡表面圖和截面圖，其中，a是表面圖，b是截面圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供的測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法，首先將制作有光子晶體的樣 品粘貼在樣品臺上，然后將樣品送入掃描電鏡真空腔內(nèi)，接著測試相品。測試步驟如下首 先調(diào)整好焦距和放大倍數(shù)，在顯示屏上能比較清晰地觀察到光子晶體表面孔洞圖像；然后 將掃描電鏡轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至一定角度a，使圓孔頂部一邊緣與孔底部相對應(yīng)的另一邊緣，從顯 示屏上觀察正好處于同一豎直線上，記下此時樣品對應(yīng)傾斜角度應(yīng)為a，根據(jù)以下公式可 以得出孔洞的垂直度為tan 6 = tan ^ -tan a公式右邊均為已知值。為此我們可以獲得孔洞側(cè)壁的垂直度大小。假設(shè)光子晶體刻蝕后，空氣孔形狀為截頂錐體，錐體頂部直徑為d，高度即為Si02 掩膜的厚度，設(shè)為h，錐體側(cè)壁與豎直方向夾角為e，如圖1所示。將樣品粘貼在樣品臺面 上，送入測試腔內(nèi)，適當(dāng)轉(zhuǎn)動樣品臺面傾角，使孔洞上表面邊緣與底部相對應(yīng)邊緣從顯示屏 上觀察，恰好處于同一直線上，記錄此時旋轉(zhuǎn)的傾角角度a，此傾角也是樣品所處斜面的角 度。
接下來我們用一些變量來表示角度。如圖3a所示為光子晶體的截面示意圖，從截 面圖看，空氣孔的形狀為倒梯形。當(dāng)樣品正好處在如上所述傾角為a的斜面上時，從梯形 的角A向斜面引垂線與并斜面相交，交點C離梯形角B的距離為c。則有tana = c/h(1)tan 0 = (d_c) /h(2)另外，為了求得角度0，假設(shè)上述光子晶體孔洞垂直，在SEM觀測時，同樣要求A’ 與B’在顯示屏上觀察重合(見圖3b)，此時樣品臺轉(zhuǎn)動的角度記為0，該角度可以表示為tan 3 = d/h(3)聯(lián)解(1)⑵(3)式，計算得出，tan 0 = tan ^ -tan a(4)公式(4)右邊項為可以測量或計算得出的已知項，所以很容易通過該式獲得光子 晶體側(cè)壁的垂直度。圖2是本發(fā)明提供的測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法流程圖，該方法包括步驟1 在半絕緣砷化鎵襯底上，外延生長一定厚度的AlGaAs犧牲層；步驟2 在AlGaAs犧牲層上外延生長一定厚度的砷化鎵；步驟3 在砷化鎵層上外延生長一定密度InAs量子點；步驟4 外延生長一定厚度的砷化鎵，將InAs量子點埋?。徊襟E5 在砷化鎵上采用PECVD鍍上一層Si02薄膜；步驟6 在Si02薄膜上懸涂一層電子束膠；步驟7 采用電子束曝光法在電子束膠上制作光子晶體圖形；步驟8 采用反應(yīng)離子刻蝕方法將電子束膠上的光子晶體圖形轉(zhuǎn)移至Si02上，并 去膠；步驟9 采用SEM對樣品進(jìn)行測試，觀測并計算光子晶體孔洞的垂直度。請參閱圖3、圖4和圖5，本發(fā)明是采用掃描電鏡觀察光子晶體表面來獲得光子晶 體側(cè)壁垂直度，包括如下步驟(A)、在襯底50上，使用分子束外延方法外延生長AlGaAs犧牲層40，該襯底50為 半絕緣砷化鎵，犧牲層40的厚度為lOOOnm ；(B)、在犧牲層40上生長GaAs波導(dǎo)層30，該波導(dǎo)層厚度為200nm，InAs量子點層 置于波導(dǎo)層中間；(C)、在波導(dǎo)層30上，使用PECVD沉積掩膜層20，該掩膜層20為二氧化硅，其厚度 為 150nm ；(D)、在掩膜層20上，再懸涂電子束膠10，該電子束膠10為ZEP520膠，其厚度為 300nm ；(E)、使用電子束曝光方法在電子束膠10上形成光子晶體圖形；(F)、使用RIE刻蝕將電子束膠10上的圖形轉(zhuǎn)移至20上；(G)、將樣品置于樣品臺面上并放入SEM腔內(nèi)測試，適當(dāng)轉(zhuǎn)動樣品臺，使光子晶體 孔洞上邊緣與孔洞底部對面邊緣從圖形上看重合，如圖3a所示，此時斜面對應(yīng)傾角為a ；(H)、將測試角度代入公式(4)，獲得光子晶體孔洞側(cè)壁的垂直度9。(I)、根據(jù)e的大小進(jìn)一步調(diào)節(jié)RIE刻蝕參數(shù)，直至達(dá)到滿意為止。
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(J)、當(dāng)獲得了滿意的Si02刻蝕結(jié)果后，我們將光子晶體圖形通過感應(yīng)耦合等離子 (ICP)刻蝕轉(zhuǎn)至GaAs上；(K)、之后，將表面的Si02層和AlGaAs犧牲層去掉；(L)、將樣品固定在樣品臺面上并送入SEM測試腔內(nèi)，采用與以上相同的方法測試 GaAs光子晶體孔洞側(cè)壁的垂直度。(M)、根據(jù)垂直度的大小進(jìn)一步調(diào)節(jié)ICP刻蝕參數(shù)，直至達(dá)到滿意為止。實例說明在GaAs襯底上用PECVD沉積一層150nm厚的Si02作為掩膜層，再在掩膜層上涂 上一層電子束膠，用電子束曝光方法在電子束膠上制作光子晶體圖形，之后采用反應(yīng)離子 刻蝕將電子束膠上的圖形轉(zhuǎn)移至Si02上。我們采用以上方法用SEM測量了空氣孔側(cè)壁的 垂直度。其中a 43. 5°，得到tan a = 0.95，而tan 0 = d/h值，可以通過已知數(shù)據(jù)得 到，h即為Si02的厚度150nm，而d為空氣孔的直徑，約為150nm，所以tan 3 = 1，這樣得到 tan6 = tan ^ -tan a =0.05，對應(yīng)0 3°，所以空氣孔側(cè)壁與豎直方向夾角約為87°。 為了驗證該方法的可靠性，我們也觀察了光子晶體空氣孔截面圖，從直觀上觀察，其垂直度 約為90° (見圖5b)，這種誤差在實際器件中可以接受。誤差主要來源于孔洞邊緣并非十 分光滑，另外孔徑較小，不易測量。該方法比較適應(yīng)于測量孔徑較小但孔洞深度較淺的光子晶體，特別適合于測量孔 徑較大的光子晶體，準(zhǔn)確性更高，對于孔徑較小，深度較深的光子晶體不太適合。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法，其特征在于，該方法包括步驟1在半絕緣砷化鎵襯底上，外延生長一定厚度的AlGaAs犧牲層；步驟2在AlGaAs犧牲層上外延生長一定厚度的砷化鎵；步驟3在砷化鎵層上外延生長一定密度InAs量子點；步驟4外延生長一定厚度的砷化鎵，將InAs量子點埋住；步驟5在砷化鎵上采用PECVD鍍上一層SiO2薄膜；步驟6在SiO2薄膜上懸涂一層電子束膠；步驟7采用電子束曝光法在電子束膠上制作光子晶體圖形；步驟8采用反應(yīng)離子刻蝕方法將電子束膠上的光子晶體圖形轉(zhuǎn)移至SiO2上，并去膠；步驟9采用SEM對樣品進(jìn)行測試，觀測并計算光子晶體孔洞的垂直度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量光子晶體孔洞側(cè)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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法，其特征在于，步驟1中 所述AlGaAs犧牲層的組份為AlQ.7GaQ.3AS，厚度為lOOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法，其特征在于，步驟5中 所述Si02薄膜的厚度為150nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法，其特征在于，步驟6中 所述電子束膠為ZEP膠，厚度為300nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法，其特征在于，步驟9中 所述采用SEM對樣品進(jìn)行測試，觀測并計算光子晶體孔洞的垂直度，包括采用SEM對樣品進(jìn)行測試，獲得光子晶體表面圖，再旋轉(zhuǎn)一定角度，使Si02i光子晶 體孔洞上邊緣與孔洞相對底部邊緣在同一直線上，記下此時旋轉(zhuǎn)角度大小a ；根據(jù)公式 tan6 = tan ^-tan a計算光子晶體孔洞側(cè)壁的垂直度大小，其中，a為光子晶體孔洞上邊 緣與相對底部邊緣在同一直線上時，對應(yīng)樣品臺面與平面之間的夾角；0為理想情況下， 即光子晶體孔洞側(cè)壁垂直，孔洞上邊緣與相對底部邊緣在同一直線上時，對應(yīng)樣品臺面與 平面之間的夾角；0為孔洞側(cè)壁與豎直方向的夾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法，其特征在于，所述光 子晶體平板厚度為200nm，所述InAs量子點置于光子晶體平板中間，所述光子晶體孔洞半 徑為75nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度的方法，包括在半絕緣砷化鎵襯底上，外延生長一定厚度的AlGaAs犧牲層；在AlGaAs犧牲層上外延生長一定厚度的砷化鎵；在砷化鎵層上外延生長一定密度InAs量子點；外延生長一定厚度的砷化鎵，將InAs量子點埋??；在砷化鎵上采用等離子體化學(xué)氣相淀積法(PECVD)鍍上一層SiO2薄膜；在SiO2薄膜上懸涂一層電子束膠；采用電子束曝光法在電子束膠上制作光子晶體圖形；采用反應(yīng)離子刻蝕方法將電子束膠上的光子晶體圖形轉(zhuǎn)移至SiO2上，并去膠；采用掃描電鏡(SEM)對樣品進(jìn)行測試，觀測并計算光子晶體孔洞的垂直度。利用本發(fā)明，不用觀察光子晶體孔洞截面，只測試光子晶體表面，便可測試出光子晶體孔洞側(cè)壁垂直度。
文檔編號G02F1/355GK101865676SQ20091008198
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者葉小玲, 彭銀生, 徐波, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所