（微电子学与固体电子学专业论文）gaas微探尖的制备、剥离与集成.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 扫描近场光学显微术( s c 觚i l i n gn e 盯f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p y 或s n o m ) 是一种新型 纳米尺度结构和信息研究的强有力的光电子工具。它利用局限在物体表面小于一个光波 长范围内的隐失场( 非辐射场) 来提供物体表面结构的细节，其分辨率可远远超过经典 光学的衍射极限，达到纳米尺度。它的问世不仅会促进物理、化学、生物和材料等学科 的研究与发展，还将引起信息技术和生命科学的变革。s n o m 最重要的潜在应用领域之 一就是超高密度光信息存储。一种用于此目的的以垂直腔表面发射激光器( v e r t i c a l c a v i 哆 s u r 阻；纠油i t t i n gl a s e r s 或v c s e l ) 、p 烈探测器和金字塔状微探尖三个基本单元为基础构 造的微型单片集成式s n o m 传感器结构已被提出。在现有的技术条件下，仍需解决的 关键问题有两个：一是如何制备适合s n o m 的高质量的微探尖，二是怎样将微探尖制 作在带有p 玳探测器的v c s e l 上形成集成式结构。 本文介绍了选择液相外延法制备吼s 微探尖的工艺。采用不同方法制备s i 0 2 掩膜 以获得更高质量的微探尖；提出两种选择腐蚀法剥离微探尖：浓h c l 选择腐蚀 灿o 舳0 3 a s 法剥离微探尖和氨水双氧水腐蚀g a a s 衬底法剥离微探尖。在腐蚀过程中， q a s 微探尖被掩埋在正型光刻胶里以抵抗损伤。利用扫描电子显微镜对转移后的微探 尖进行表征，结果表明：通过此种方法能够成功地将魄s 微探尖与衬底剥离，并且在 剥离过程中微探尖不会受到损伤；在此基础上提出粘合集成的方法实现微探尖与 v c s e l 的集成。实验中分别采用了正型光刻胶和u v 胶进行微探尖的粘合集成，并测 试了两种胶的透光情况。测试结果表明，u v 胶具有非常高的透光率，更适合用于微探 尖的粘合集成。实验中分别将吼s 微探尖集成到了v c s e l 出光口、a f m 的悬臂、光 纤的端面上。s e m 图片显示集成后的微探尖保持了较高的形貌质量，在粘合集成过程 中没有受到明显的损伤。这些初步实验结果表明，该种方法能够实现g a a s 微探尖的集 成。 关键词：粘合集成；湿法刻蚀；液相外延；徼探尖；扫描近场光学显微术 q u 虹微探尖的制备、剥离与集成 f a b r i c a t i n g 、p e e l i n ga n di n t e g r a t i n go f ( a a sm i c r - o t i p s a b s t r a c t s c 锄i l i n gn e 盯一f i e l do p t i c a jm i c m s c o p y ( s n o m ) i san 0 v e la n du s e 伽t 0 0 lf o r 1 er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o nd o 帅t on 觚o m e t e rs c a l e i tu t i l i z e st l l ee v 锄e s c e n tf i e l dc o n 丘n e da tt h et i n y a p e r t u r ef o rp r o v i d i n g 岫a g e so fo b j e c ts 删e sw 池a 麟o l u t i o nb e y o n d 协ec l 鹤s i c a lo p t i c a l d i h i t i o nl i m i t ，柚d 、v i l lh a v eg r e a ti n n u e n c e sn o to i l l yi i l l ef i e l d so fp h y s i c s ，c h e m i s t d r ， b i o l o g ) ，锄dm a t e ：r i a ls c i e n ，b u ta l s 0i nm e d i c i 鹏柚di i l | o 咖a t i o n 池l o g ) ，o 鹏o ft h e m o s ti m p o n a n tp ( t e n t i a la p p l i c a t i o 船m a yb ef 0 岫di i lu l 饥l i l i 曲d 哪i 够o p t i c a l 批蜘g e f 0 rt h i s a p p l i c a l i o l l ，ap m 面s 洫ga r c m t e c t i 鹏o fm o n o l i “ci n t e 卿e d s n o m n s o r c o m p o s e do fap 胛n i d a l 面c 硎p ，av e n i c a j - c a v 时吼j r f 砬e e i i l i t t i i 培l 弱e r ( v c s e l ) c a v 毋 a n dap i nm o i l i t o rh 笛b e e n 哪s e d t a l 【ec u 朋印t 协曲o l o g yi i l t oa c c o u i 】叱f 曲d c a 血l gt l 圮 ( 乩缸m i 硎p 埘t l lb e t t e rq u a l 时a n di i l t e g r a l 曲gt h et i po n t 0 廿l ev c s e l 、7 l 旅f 、i t hap i n n 1 0 i l i t o rb e c o n l c st l l ek e yt 0r e 甜泌m ei n t e g r a t e ds n o m n s o r i i lt l l i sp a p e r ，t l l et c c h i l o l o g yo fg a a s 面c r o t i p sf 苔嘶c a t i o nb y l e c t i v el i q l i i dp l l a 辩 印i t a x yi si m r o d u c e d a n dt i 伦t i p sa r ei m p r o v e db yc k m g m g t l l em e t l l o do ff a b r i c a t i n gs i 0 2 k 巧，e r ；t w o l e c t i v ee t c h i i l g 删油o d s 矗时m i c r o t i p sp e e l i n go f fh 嬲b e e np r e n t e d ：h c l l 嘶o n l e c t i v ew 战咖h i 】唱仙7 g a o 3 a 心l a y e r 锄dn h 3 h 2 0 - h 2 0 2 l u t i o ns e l e c t i v ew e t e t c l l i i 培g “虹洲【b s 咖：t c p o s i t i v ep h o t o r e s i s ti si 1 1 瞰) d 眦e dt op r o t e c tt i p s 缸胁a t t a c kd u r i i l g n l ep c e s s s c 锄血ge l e c t nm i c r o s c o p yi m a g e ss h o wm a tg a a st i p sc 蚰b cs u c c c s s 如l l y p e e l e do f fw i t l l o u ta n y 出毗l a g eb y “st e c h i l i q u e t h e na 础- wa g g l u t i n 弛gi i l t e g r a t i o no ft i p s h 雒b np r e 辩n t e d p o s i t i v ep h o t o r e s i s t 觚du v 酉u eh a v e b e e nu t i l i z e dt 0i n t e g r a 把t i p s 锄d n 圮l o s so f b o t l lo f t h e mh 笛b e e nm e a s u r e d 1 k 陀s u l ts h o w st l l a tt h eu vg i u ei sas u i t a b l e m a t 耐a lf - 0 rt i p si n t e g m t i o nb e c 砒l 辩o fi t st i n yl i g h tl o s s t h i sm “h o dc 蚰i n t e g r a t et i p s s u c c e s s 如i l y 锄d l et i p s1 1 a v eb e e ni n t e g m t eo n t ov c s e l 、a f mc a n t i l e v e r a n df i b e r s c 删n ge l e c t r o nm i c r o s c o p yi l i l a g e ss h o wt h a tg a a st i p sh a v en o tb e e nd a i l l a g e dd 面n gt 1 1 e 缸洲i o np r o c e s s k e yw o r d s ：a g g i u t i 彻t i i l gi n t e 刚i o n ；w e te t c h i n g ；l i 删dp h a s ee p i t a ) 【y ；m i c r o t i p s ；s n o m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 枷莎否l 大连理工人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定升，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 导师签名： 大连理丁大学硕士学位论文 1绪论 近场光学是随着科学技术向小尺度和低维空间推进在光学领域中所出现的一个新 型交叉学科，研究对象是距离物体表面一个波长以内的光学现象。扫描近场光学显微术 ( s c a i 衄鹏小f i e l do p t i c a lm i c r 0 s c 叩y ，简称s n o m ，也有学者称之为n s o m ) 是于上 世纪八十年代在扫描探针技术的基础上发展起来的，它突破了传统光学显微镜由于光的 衍射效应产生的分辨率限制，分辨率可达入射光波长的十几分之一，甚至几十分之一， 实现了纳米量级的光学成像。与传统光学显微镜相比，近场光学显微镜最大的区别在于： a ) 以纳米级的光学探针代替了传统显微镜镜头：b ) 在探测过程中探针被控制在样品 表面一个波长以内的近场区域，而样品表面的近场区域存在携带物体表面精细结构的非 辐射场。所以，处于近场区域内的探针可探测到亚微米级的光学信息，突破衍射极限的 限制。在理论上，其分辨率是无限大的，但由于技术上探针针尖不能做的太小，探针亦 不能太接近样品表面，所以在实际应用中，分辨率还是有限的。 近场光学显微镜在纳米尺度观察上起到其他显微镜所不能取代的作用。相对于扫描 电子显微镜s e m ( s c 锄n i l l ge l e c 缸伽m i c r o s c o p e ) 和扫描隧道显微镜s t m ( s c 锄i l i l l g t l m n e l i n gm i c m s c o p e ) 等技术以电子为信息载体，扫描近场光学显微镜技术则以光子为 载体。光子没有静止质量也不携带电荷，容易聚焦和改变方向甚至偏振状态：可以在大 气中及许多其它介质中传播，并且在与样品作用中不易造成对样品的损伤，对样品的限 制极少，对样品的形态、导电性甚至生物活体都没有要求；对观察环境也没有真空和温 度的严格限制。此外，许多样品都可以通过吸收、散射、反射、折射、偏振和光致效应 等与光发生作用来揭示样品丰富的物理、化学性质和变化。 s n o m 可以同时采集到样品的三种信息：表面形貌、近场光学信号和光谱信号。在 纳米尺度光学成像，纳米尺度光学微加工与光刻，磁光畴与超高密度磁光存储器件，量 子器件、纳米材料、微腔激光器的纳米局域发光与光谱，生物样品的原位与动态观察等 不同领域中取得一系列研究成果。它在物理、化学、材料科学、生命科学、光学微加工 以及光谱测量等诸多领域里得到了r 益广泛的应用。 ( 1 ) 高分辨率光学成像 由于近场光学显微镜具有对所观察的生物样品无损伤的优点，被广泛应用于生物样 品的观察，成为探索生物大分子活动奥秘的光学手段。利用近场光学显微镜，已在生物 学研究所涉及的许多领域展开了工作，包括静态的形貌像的观察研究以及利用观察形貌 像随时间变化的动力学过程的研究。如细胞的有丝分裂，染色体的分辨与局域荧光，原 位d n a ，r n a 的测序，基因识别，单个荧光分子的标记l l l ，对细胞精细结构的观察等。 q 叭s 微探尖的制备、剥离与集成 ( 2 ) 近场光存储 光信息存储作为继磁存储之后新兴起的重要信息存储技术已成为现代信息社会中 不可缺少的信息载体。与磁存储相比，现有的光盘存储技术具有数据存储密度高、容量 大、寿命长、功能多、非接触式读写、信息的载噪比高和信息位的价格低等优点。 首先利用扫描探针实现近场光学存储的是d w p o t l l 等人1 2 j ，他们在1 9 8 4 年用外表 镀金属，尖端开有微孔的石英棒实现数据的读写。1 9 9 0 年，h j m a 而n 等人【3 】利用扫描 隧道显微镜( s t m ) 的针尖在金属表面上记录信息，信息位尺度最小达到5 硼，该技术 利用镀金针尖在表面问的场致原子转移方式实现记录。1 9 9 1 年，美国斯坦福大学e l g 实验室的r b 锄傩等人1 4 j 利用原子力显微镜( 创瞰) 来记录数据，记录密度达到 1 姒m 2 。该技术利用a f m 的探针发射电脉冲，使少量电荷存储在薄绝缘体中，少量 电荷的存在改变了材料的电容特性，从而记录了比特信息。1 9 9 2 年b e l l 实验室的e b 删g 等人1 5 ，6 j 成功的将s n o m 用于薄膜磁光材料进行磁畴成像和记录，写入磁畴尺寸约6 0 n m ， 最大记录密度为7 g b c m 2 。比普通的光盘高两个数量级，但记录速度较慢，仅为1 0 i a b s 。 1 9 9 3 年h i t h i 公司的s n a k l 蚰u m 等人利用半导体激光器作为光源，利用相似的办法对 磁光材料的磁畴进行了成像和记录。1 9 9 6 年，日本的s h o s a k a i7 j 利用s n o m 在相变介 质上也完成了高密度光存储实验。他利用的光源为7 8 5 姗的半导体激光器，结果显示最 小纪录点寸为6 0 姗，这就意味着相变s n o m 记录的潜在存储密度可以达到2 6 4 g b c i n 2 。 为提高数据传输速度，1 9 9 9 年m b l e e 等人1 8 】用硅探尖阵列记录信息，得到了2 5 0 n m 的 记录斑，改善记录速度；同年，b e l l 实验室的a p a r t o v i 等人【9 j 为了解决探针通光效率低， 采用了微小孔径通光( v e 巧s i i l a j la p e m 鹏l a s v s a l ) ，实现2 4 m b s 较高速度近场数 据记录的实验结果。记录斑尺寸为2 5 0 衄。记录密度为1 1 6 g b e m z 。 ( 3 ) 近场光谱 目前的各类光谱测量方法大都在宏观平均值水平，即使用微区光谱也只限于微米尺 度观察。对于微观物理体系的器件，如量子线、量子点，其特征尺度为1 0 劬左右，传 统的光谱方法无法分辨诸如纳米尺度的发光区域与本征频谱等。而与近场光学显微镜联 用的近场光谱则填补了这一空缺。用低温近场光谱研究仇s a l g a a s 单量子线、多量 子线的光致发光现象，可以在纳米尺度明确无误地揭示不同光谱的来源及其本征值【l o j 。 由于量子线的尺度是已知的，因而可以准确地测定分辨率而无须用附加的校正方法来确 定仪器的响应函数。 g o r e c k i 等人j 在2 0 0 0 年提出了一种以垂直腔表面发射激光器( v c s e l ) 为基础构 造的微型单片集成式s n o m 传感器的新概念。这种单片式s n o m 传感器由三个基本单元 人连理i ：人学颁十。学位论文 构成，分别是p i n 探测器、垂直腔表面发射激光器( v e n i c a l c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n gl a s e r ， v c s e l ) 和金字塔状微探尖。微探尖生长任v c s e l 腔项曲上，p i n 探测器集成在v c s e l 结构的底部。其结构如图1 1 所示。这种s n o m 传感器具有结构小j - 0 紧凑( 最人0 寸为 自微米量级) 、i ：作稳定性好的突出优点。 n g 吐s 幽s 扯抛 n a l g a 地 i g a a s p a 】g 幽 r ( a 1 g a a s 衄城s ) i a c 妇r e ( q w ) r ( a 1 g a a s a k ) a 1 眺s 旋嘶 哗 e k c 伽d e 吣。碰血d 蛳岱 哗 e l e c 词e 图1 1微型单片集成式s n o m 传感器 f i g 1 1 t h em i n i s i z em o n o l i t h i ci n t e g r a t e ds n o ms e n s o r 其工作过程是：微探尖被放置在距离被测样品表面2 0 4 0 n m 的地方。从微探尖发出的 非常微弱的暂态光，与样品相互作用后，被样品表面反射回来，再通过微探尖进入v c s e l 腔，经过放大后转变为电信号。s n o m 探测系统的探测原理就是通过调整v c s e l 的发射 参数，用p 探测器来探测光能量的变化。这样，近场扣揣光学显微探尖就起到了光的 发射和接收的双莺作月j 。 近场光学探针足s n o m 的一个重要部件，不同的材质及制备方法可制得形状、尺寸、 光学性质各异的探针，其不仅决定了s n o m 的分辨能力，也使得s n o m 可以和其它扫 描力显微技术结合，在获得样品近场光学信息的l 司时得到样品光、电、磁等其它方面的 特征信息。光学探针技术的推陈出新，必将推动近场光学显微镜性能的提高和功能的拓 展。因此，探针的制备4 直是近场光学显微技术关注的重点。近场探测用探针大致t 叮分 为小孔探针和无孑l 探针两人类。 o|j_6：10一耸芒-iu 一 一 -|i；0：0i 一：i=， ，厶_ 厶 g 丑a s 微探尖的制备、剥离与集成 s n o m 最广泛采用的小孔探针是小孔锥型光纤探针。光纤探针常用的制备方法有两 种：c 0 2 激光熔拉法和化学腐蚀法。熔拉法是用c 0 2 激光器加热光纤并在其两端加一大 小可调的力，快速拉断，自然形成锥型针尖，针尖尺寸通过调节拉力、温度来控制。这 样制备的探针表面光滑且重现性较好，但窗口锥度一般较小，光的传输效率较低：化学 腐蚀法是将光纤置于覆盖了有机保护层的h f 溶液中刻蚀出锥型针尖，通过调节腐蚀液 的浓度、作用时间及所用的有机溶剂来调节探针的锥角角度。光通量的大小主要取决于 探针的锥角，因此化学腐蚀法制备的针尖可望提高光通量，其缺点是表面粗糙且重现性 较差。另外，可在针尖外侧镀一金属层( 常用铝镀层) ，电磁场在金属中的穿透深度小， 可以减少能量损耗。也有人1 1 2 j 将两种方法结合起来，制备性能更佳的探针。光纤探针的 不足之处在于：光纤材质较脆，易折损；光纤探针制备条件较难控制，制得的探针其锥 度、孔径均较难重现，不利于获得重复可靠的测试结果；光纤探针用于测量时针尖不能 与样品充分逼近，影响成像的分辨率。 s n o m 用小孔探针也可用其它材料制成。为了克服光纤探针的缺点，v 绷h l l l 甜1 3 】等 人采用带有金字塔型针尖的氮化硅悬臂作为近场光学探针，将扫描力显微镜( s f m ) 和光 子扫描隧道显微镜( p s t m ) 结合起来获取近场信息。o e s t e r s c h u l z e 【悼”】小组对微加工工艺 作了改进，在硅悬臂顶端集成了一个带有小孔的金属金字塔型针尖使探针既能批量制 备，又具有很好的重复性。s a t i 曲和w a t a n a b e 【1 6 j 等制各的氮化硅探针作了新的改进，在 功能上又有新的提高。这种探针的优点是在a f m 的操作中不需其它测量悬臂偏转的光 学系统，因此方便与s n o m 、开尔文力显微镜( k e l v i i lf o r c el i l i c r 0 o p y ，k f m ) 结合以 同时探测物质表面的形貌及相应的光电性质。c i 柚一1 。7 】介绍了一种应用聚焦离子束 ( f m ) 纳米加工技术加工制备s n o m 用硅小孔探针的方法，是在非接触式a f m 探针 的基础上制备新的探针，曲率半径小于l o i m 。为了使探针适用于s n o m 成像，其表面 镀了不透光的铝层。d m 1 ( i m 和j t o k 等人结合湿法刻蚀和干法刻蚀在硅衬底上面刻 蚀出微探尖i l 引。采用反应离子刻蚀机( e ) 刻蚀出阵列窗口，用四甲基氢氧化铵( 聊a h ) 腐蚀硅衬底，由于腐蚀的各向异性形成v 型沟槽i l9 j ；随后在1 0 0 0 下进行热氧化，在 v 型沟槽内形成一层氧化膜，膜的顶端部分比较薄【2 岫i 】；反向刻蚀硅衬底，用h f 各向 同性腐蚀在氧化物的顶端形成小孔，尺寸为纳米量级。最后在氧化膜上面镀上一层铝膜 即形成了微探尖。此种方法制备的微探尖顶端小孔的孔径大约可控制在几十纳米至几百 纳米之间。 自从f e i l l l 邮锄等于1 9 9 4 年提出无孔近场扫描光学显微镜以来田j ，已经发展出许多 不同的无孔微探尖的制备方法。湿法刻蚀是目前使用最为广泛的一种无孔微探尖的制作 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 方法。所谓的湿法刻蚀就是利用配置好的腐蚀液在独立的衬底上腐蚀出微探尖，具体的 操作因人而异，根据微探尖的材料的不同也分为很多种。g o r e c l 【i ，s h e i s i g 等人已经从 多方面报道了他们采用湿法刻蚀g a a s 微探尖的实验结果【2 3 _ 2 6 l 。传统的腐蚀方法是将微 探尖浸入到腐蚀液中，它的一大弊病就是腐蚀液扩散受限，导致浓度不均，进而使腐蚀速 率发生了巨大变化，使整个腐蚀过程难以控制。他们采用喷淋腐蚀的方法取代了传统的 蘸尖技术，这样使腐蚀的速度更加容易控制，并且腐蚀层的厚度可以被精确的控制在一 个很小的范围之内。经过反复的实验和分析，y a m a 目i c h i 和t a d a 发现采用h 3 p 0 4 ：h 2 0 2 ： h 2 0 = 1 0 ：l ：l 作为g 如的腐蚀液可以获得最佳的实验结果【2 7 1 ，它表现出很高的可控 性和很好的重复性，得到的微探尖品格缺陷很少，顶端的曲率半径小于l o o 珊。另外也 有报道称h c l ：h 2 0 z ：l 【2 0 ，l ：琢：h 2 0 2 ：h 舳，h 2 s 0 4 ：h 2 0 2 ：h 2 0 也可作为g a a s 的腐蚀液 【2 3 - 2 5 l o g j b 硼h u i s 等人利用低压高温的m o c v d 系统在( 0 0 1 ) 方向的g a a s 衬底上制 备微探尖瞄j 。对于吼s 而言各个面的生长速率各不相同， l l1 ) b 面最为稳定，其生长 速率最为缓慢， ( 0 0 1 ) 表面生长速率最快， o l l 和 1 l l a 次之。晶体生长过程中快 面隐没、慢面显露1 2 9 l 。由于两组 l l l 面生长速率不同，所以无法获得对称的由四个 1 1 1 ) 围成的金字塔形状的微探尖。如果在( 1l o ) 方向的g a a s 衬底上重复此项研究，应该可 以生长出规则的金字塔形状的微探尖。 我们实验室在2 0 0 1 年提出一种自组织液相外延方法。这种方法的基本思想就是利 用含的a l 蛐表面容易部分氧化、自动生成外延生长窗口的原理，在常规的液相外 延装置上，通过控制生长条件，仅由一次外延过程在q 叭s 表面自动形成类金字塔状 小岛1 1 煳。利用这种方法，可以制备出底边长度多数为l o 至2 0 岬，顶尖曲率半径最小 约为5 0 衄的类金字塔状灿魄镭微探尖。此种方法可以减少工艺环节，克服化学腐蚀 方法带来的缺点，有利于实现与激光器的集成。但是利用这种技术制备的微探尖在晶片 表面的分布规律无法控制，这样难以解决微探尖与激光器出光窗口的对准问题。 为了制备出分布规律的微探尖，我们实验室又提出了一种新的以选择生长为基础的 分布周期和尺寸可控的适合单片式s n o m 微探尖制备的l p e 方法【3 2 羽l 。这种方法的基本 思想是：首先在g a a s 衬底表面上沉积一层s i 0 2 薄膜，并采用常规的光刻和腐蚀手段在氧 化物薄膜上形成周期和尺寸一定的窗口阵列。根据液相外延生长的条件，氧化膜对g a a s 的外延生长起到了阻止的作用，通过传统的外延系统在阵列窗口上生长出可以与v c s e l 窗口尺寸匹配并对准的金字塔状微探尖。此种方法制备的仇心微探尖分布周期和尺寸可 控，最适合s n o m 传感头的需求，并且，此工艺操作简单，安全可靠，重复性强。但是， 选择液相外延法制备的微探尖依然存在一些瑕疵，比如g n s 微探尖形状有时不够规则 g a a s 微探尖的制备、剥离与集成 等。 在实现微探尖的制备之后，进一步需要解决的问题就是怎样将g a a s 微探尖制作在带 有p i n 探测器的v c s e l 上形成集成式结构。g o r e c k i 等人l l l 】提出两种方案：一是将g a a s 微探尖直接生长在v c s e l 外延片上；二是先在独立衬底上制备微探尖，再将微探尖转移 到v c s e l 结构上。在现有的工艺条件下我们选择第二种方法，这样就需要先将微探尖从 衬底上剥离下来再集成到v c s e l 上。 为此我们提出一套工艺方案来实现这种设想。首先在g a a s 衬底上生长a l g a a s g a a s 复合外延层，形成g a a s a l g a a s g a a s 结构；然后通过选择液相外延技术在此结构上生 长仇s 微探尖：接着利用选择腐蚀法实现g a a s 微探尖的剥离；再将剥离下来的微探尖 转移到v c s e l 结构上实现粘合集成。实验中采用了两种方法实现微探尖的剥离：浓h c l 选择腐蚀仙7 g a 0 3 a s 法剥离微探尖和氨水双氧水腐蚀g a a s 衬底法剥离微探尖。并利用 粘合集成法将微探尖集成到v c s e l 的出光口。利用扫描电子显微镜( 锄血n ge l e m n m i c m o p e ，s e m ) 对集成后的微探尖及v c s e l 结构进行表征，结果表明该方法能够成 功实现微探尖与v c s e l 的集成，并且整个过程中对微探尖几乎没有出现损伤现象，这对 实现由带有p i n 光探测器的垂直腔面发射激光器与瓯s 微探尖的混合集成式s n o m 传感 头有着非常重要的应用价值。 本文介绍了魄s 微探尖的液相外延法制备、与衬底的选择腐蚀法剥离、与v c s e l 结构的粘合集成及光纤辅助通光情况的测量，并对实验结果进行了分析。 大连理工大学硕士学位论文 2g a a s 微探尖阵列的制备 本实验中采用了两种不同的晶片作为微探尖生长的衬底片：购买的m o c v d 方法制 备的g a a s a l o 7 瓯3 a 粥a a s 晶片和用液相外延方法制备的g a a s a l o 3g a o 7a 粥a a s 晶 片。前者的a l o 7 g a o 3 a s 层厚l m ，q a s 外延层的厚0 5 p m ；后者的a l o 3g a 0 7a s 层的厚 度大约是2 呲g a a s 层的厚度大约是l 岬。在此两种结构上通过选择液相外延法制备 蛐微探尖的步骤是相同的，分为三个大步骤： 一在g a a s a l 瓯s q a s 复合结构衬底晶片上生长氧化物掩膜，本实验使用的掩 膜为s i 0 2 薄膜。 二在s i 0 2 掩膜上光刻出周期性生长窗口。实验中主要采用尺度在几十微米的正 方形周期阵列窗口。 三利用选择液相外延法在适宜的条件下生长g 乜吣微探尖。 2 1 掩膜的制备 采用不同方法生长的不同的氧化物薄膜对微探尖生长质量的影响有很大的差别。经 过实验比较，s i 0 2 薄膜具有很大的优越性，是比较好的掩膜材料。本实验使用的掩膜 s i 0 2 薄膜分别经液相沉积( l i q l l i dp h a d e p o s “i o n ，l p d ) 法，磁控溅射法( m a 驴e 昀n s p u 蛐) 和电子束蒸发法( e l 昀nb e 锄e v a p o m t i o n ) 获得。结果表明，磁控溅射法和 电子束蒸发法制备的s i 0 2 薄膜比液相沉积法制备的s i 0 2 薄膜具有更高的稳定性和致密 性，经光刻腐蚀后获得的生长窗口更适合微探尖生长，使微探尖的质量更高，周期性分 布更有规律。 2 1 i电子束蒸发法制备s i 0 2 薄膜 ( 1 ) 电子束蒸发法制备s i 0 2 薄膜的原理 电子束蒸发是把电子束聚焦在待蒸发材料上，利用高能电子束轰击靶材的热效应使 材料达到蒸发点而汽化，待冷却后( 冷凝) 把材料淀积在晶片上。电子束蒸发可以将膜 材料表面加热到3 0 0 0 一6 0 0 0 ，这就为蒸发难熔金属和非金属提供了较好的热源。由 于靶材是放在水冷坩埚内，因而可以避免容器材料的蒸发以及容器与靶材之间的反应， 这对提高膜的纯度是极为重要的：热量可以直接加到靶材表面，因而热效率高，热传导 和热辐射损失小。但电子枪结构复杂，加速电压较高，所产生的射线对人体有害，设备 投资大。 其工作原理简单表示如图2 1 1 3 4 1 。将阴极灯丝加热后发出具有0 3 “初始动能的热 电子。这些热电子在灯丝阴极和阳极之间受极问电场的制约，不但可以按一定的会聚角 g a a s 微探尖的制备、剥离与集成 会聚成束状，而且在磁场的作用下沿e 口的方向偏转。到达阳极时其能量可提高到 1 0 k e v ，通过阳极孔后，电子束只运行于磁场空间，在偏转磁场的控制下，电子束偏转 2 7 0 0 角之后入射到坩埚内的靶材上，轰击靶材，使靶材加热蒸发。 卜发射体2 一阳极3 一电磁线圈4 一水冷坩埚5 一电子轨迹 图2 1 电子束蒸发 f i g 2 1 e l e c 仃0 nb 洲e v a p o 枷伽 ( 2 ) 电子束蒸发法制备s i 0 2 薄膜的工艺 电子束蒸发法制备s i 0 2 薄膜的工艺流程如下：用甲苯，丙酮，乙醇分别擦拭衬底， 然后再将衬底分别用甲苯，丙酮，乙醇超声清洗；接下来将衬底放入蒸发室内，然后抽 真空，当真空度达到4 o 1 0 dp a 时，开始蒸发。蒸发用的是二氧化硅靶，放在蒸发室的 下侧，而衬底倒放在蒸发室的上侧，进行上蒸。当膜厚达到3 0 n m 左右停止蒸发，将控制 电压降为零，关上挡板。冷却后取片，关闭系统。 2 1 2 磁控溅射法制备s i 0 2 薄膜 ( 1 ) 磁控溅射法制备s i 0 2 膜的原理 用高能粒子( 大多数是由电场加速的j 下离子) 撞击固体表面，在与固体表面的原子 或分子进行能量或动量交换后，从固体表面飞出原子或分子的现象称为溅射。溅射出来 的物质淀积到基片或工件表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法。磁控溅射是一种新型的 高速，低温溅射镀膜方法1 3 熨，电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生 碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶 材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子( 或分子) 沉积在基片上成膜。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 磁控溅射的特点是电场和磁场的方向相互垂直。从物理学中可知，处在电场e 与磁 场口j 下交的电子，其运动方程为： 半：三饵+ 矿 讲，打 式中p 和册分别是电子的电量和质量。电子的运动轨迹为以轮摆线的形式沿着靶子 表面向垂直于e ，曰平面的方向前进，电子运动被束缚在一定空问内，从而大大减少了 电子在容器壁上的复合损耗。如图2 2 所示。 x z y 图2 2 磁控溅射中电子运动轨迹 f i 各2 - 2m a | f 咖s p 棚妊d n ge l 戗翩i c 仃苟戗知雨嚣 这样的正交电磁场可以有效地将电子的运动路程限制在靶面附近，从而显著地延长 了电子的运动路程，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率，因而 使等离子体密度加大，致使磁控溅射速率数量级地提高。由于电子每经过一次碰撞损失 一部分能量，经多次碰撞后，丧失了能量成为“最终电子一进入离阴极靶面较远的弱电 场区，最后到达阳极时已经是能量消耗殆尽的低能电子，也就不再会使基片过热，因此 基片温度可大大降低。同时高密度等离子体被磁场束缚在靶面附近，又不与基片接触， 这样电离产生的正离子能十分有效的轰击靶面，而基片又可免受等离子体的轰击，因而 基片温度又可降低。此外，由于工作气压低，减少了对溅射出来的原子或分子的碰撞， 故提高了沉积率。 ( 2 ) 磁控溅射法制备s i 0 2 膜的生长工艺 本实验所用设备是超高真空多功能磁控溅射系统( j g p 4 5 0m u l t i f u n c t i o nu h v m a 鲫e 们ns p 删时i n gs y s t e m ) 。该设备可以进行氧化物、氮化物等的单层、多层膜制备。 真空系统：机械泵+ 分子泵，背底真空度lx 1 0 巧p a ；磁控溅射靶：三个靶，以1 2 0 度相 隔分布，靶尺寸为6 0 h 曲；基片温度：2 5 一8 0 0 ；电源功率：5 0 0 w 。 g a a s 微探尖的制备、剥离与集成 磁控溅射法制备s i 0 2 膜的工艺流程如下：首先清洗衬底：用甲苯，丙酮，乙醇分 别擦拭衬底，然后将衬底分别用甲苯，丙酮，乙醇超声清沈；接下来将衬底放入溅射室 内，然后抽真空，当真空度达到4 0 l o dp a 时，开始溅射。溅射用的是硅靶，斜放。 同时通氩气和氧气，氧气氧化硅靶生成s i 0 2 。溅射到复合结构的衬底晶片上。其中溅 射参数为：靶功率：2 5 0 w ；基片清洗：电压为4 0 0 v ，清洗时间1 0 l i l i i l ；微波功率：8 5 0 w ； 沉积条件：电压为1 0 0 v ，沉积时间为1 2 面n 。沉积结束后，待冷却后取出样品，关闭系 统。 2 2 周期性窗口的形成一光刻与腐蚀 光刻法是一种综合复印图形与化学腐蚀相结合的综合性技术。光刻的目的就是在被 加工物的表面上刻出与掩膜完全一致的图形。在薄膜技术中，利用光刻技术将制得的薄 膜加工成一定的图形，使之完成某种功能。光刻法按刻蚀过程中是否使用腐蚀液分为湿 法刻蚀和干法刻蚀。 该实验中我们采用的是湿法刻蚀。该法是将需要刻蚀加工的样品放入一定的腐蚀液 中，使没有保护的部分膜被腐蚀掉，而被保护的部分保留下来。 光刻的实验装置为j k g 1 a 型光刻机，k w 4 a 型台式匀胶机和8 0 和1 2 0 恒温 干燥箱。所用的药品为甲苯，丙酮，乙醇，去离子水，b p 2 1 2 正性光刻胶，显影液( 显 影液：去离子水= l ：1 ) 和腐蚀液( 耶酸：去离子水= 1 ：l o ) 光刻工艺流程如下： 1 、衬底的表面处理 将长有s i 0 2 膜的q 徂s 衬底分别用甲苯、丙酮、无水乙醇棉球擦拭。检查膜是否有 脱落现象，如果没有经洗耳球吹干待用。 2 、涂胶 所谓涂胶就是在待光刻基片表面敷上一层光刻胶。实验中分为两段：一，时间9 秒， 转速9 0 0 转分；二，时间3 0 秒，转速3 3 0 0 转分。 3 、前烘、 前烘的目的是使胶膜体内的溶剂完全挥发，使胶膜干燥，以增加胶膜与衬底的粘附 性和胶膜的耐磨性。前烘的温度为8 0 ，适宜时间为1 5 2 0 n l i l l 4 、曝光 大连理：l ：大学硕士学位论文 曝光就是在涂好光刻胶的衬底表面覆盖掩膜版，用汞灯紫外光进行选择性照射，使 受光部分的光刻胶发生光化学反应本实验采用接触曝光法，最佳曝光时间为3 5 秒。光 刻板使用边长4 5 6 0 肛m 的方形窗口版图。 5 、显影 显影的目的是将感光部分的光刻胶溶除，留下未感光部分的胶膜，从而显现出所需 要的图形。实验中条件所用显影时间一般为4 0 秒左右。 6 、坚膜 由于显影使胶膜发生软化、膨胀，所以显影后必须进行坚固胶膜的工作，简称坚膜。 坚膜可以使胶膜与衬底之间粘附得更好，同时也增加了胶膜的抗腐蚀能力。将显影后的 衬底放入铅盒，送入1 2 0 的恒温干燥箱中后烘坚膜3 0 分钟，以使胶膜与衬底之间紧贴 得更牢，同时增强胶膜本身的抗蚀能力。 7 、腐蚀 腐蚀是用适当的腐蚀液，将无光刻胶覆盖的衬底的表面层腐蚀掉，而有光刻胶覆盖 区域保存下来因此所选用的腐蚀液必须能腐蚀裸露的衬底、又不损伤衬底表面的光刻 胶。对于s i 0 2 薄膜，本实验选择稀释的h f 作为腐蚀液。腐蚀时间由s i 0 2 膜厚和h f 的 浓度决定，般腐蚀后用去离子水清洗晶片。 8 、去胶。 将腐蚀后的衬底片放入丙酮溶液中，将光刻胶溶解。 2 3 选择液相外延法生长g a 缸微探尖 z3 1选择液相外延法生长g a a s 微探尖的原理 所谓液相外延( 1 i q u i d - p t 艘e p i t 瓢y ，l p e ) 就是由饱和或过饱和溶液在单晶衬底上 定向生长一层晶体材料。它的基础是溶质在液态溶剂中的溶解度随温度的降低而减少。 因此，一个饱和溶液在它与单晶衬底接触后被冷却时，如果条件适宜，就会有溶质析出， 析出的溶质就外延生长在衬底上。液相外延的生长条件是品格失配不要大于1 。本实 验制备舢。g a l x a s 舰s 复合外延层而不是a l 。( h 1 。舡单层外延层，是因为砧x g a l 选 在空气中极易被氧化，而使得其与g a a s 的晶格失配大于l ，而不能在其表面生长微 探尖。 l p e 生长过程可由平衡相图来描述【3 6 l 。下面以g a 触衬底上生长g a 触外延层为例 作以说明。图2 3 为g a a s 二元体系的t c 图。 g a a s 微探尖的制各、剥离与集成 6 ac l 2 c i 1 g 出b 图2 3g a a s 液相外延生长原理 f i g 2 3p r i l l c i p l eo fl i q u i d - p h a s ec p i 觚i a lg w t ho f g a a s 由图可知，可以用g a 作溶剂，在低于眦的熔点温度下生长甑s 晶体：一如果 g a 溶液组分为c l l ，当温度为t a 时，溶液与q 叭s 衬底接触，这时由于a 点处于液相 区，未饱和，所以它将溶掉吼s 衬底( 吃片子) 。衬底被溶掉以后，溶液中a s 含量 增加，相点a 向右移动至b 后，g a a s 衬底才停止溶解，溶液饱和。如果溶液组分为c l l 的g a 溶液，在t b 的温度下与g a a s 衬底接触，此时溶液处于饱和状态，衬底将不会 溶解。这时，如果降温，溶液呈过饱和状态，若溶液不存在过冷，就会有g a a s 析出。 溶液组分将沿着相线上箭头方向向c l 2 移动，析出的g a a s 将外延生长在衬底上。 在液相外延的过程中，由于动力学因素对生长速率的影响很大，为此人们建立了几 种理论模型来解决这个问题。对于从稀溶液进行的外延生长，一般采用简单扩散控制模 型。该模型除假设生长溶液中不存在对流外，还包括以下三个假设： l生长溶液处于等温状态。对于富g a 的g a a s 溶液来说，这个假设可以认为是正 确的，至少在与溶液扩散长度相当的距离之内是j 下确的。因为热扩散速率( 0 5 c n 以) 远大于溶质扩散速率( j 幸1 0 。c n l s ) 。 2 生长界面处于平衡状态。这样，界面上溶液中溶质的浓度可由液相线给出。这 个假设对于从稀溶液中进行扩散控制的很缓慢的外延生长来说也是j 下确的。 3 从溶液中析出的溶质，只生长在衬底上，不在溶液内或溶液边界处沉积。这个 假设在大多数情况下也是正确的。 一般说来，晶体在自由的生长体系中生长，晶体的各晶面生长速率是不同的，即晶 体生长的速率是各向异性的。在给定的生长驱动力作用下，界面的生长速率决定于界面 大连理工人学硕士学位论文 的生长机制和生长的动力学规律。而界面的生长机制与生长动力学规律又决定于界面的 微观结构。在低的驱动力作用下，粗糙界面生长的最快，光滑界面的螺位错机制次之， 二维成核机制生长的最慢。对于半导体晶体，大部分晶面为粗糙界面，但是也有少数为 光滑界面，故生长速率表现为各向异性。 通常所说的晶体的晶面生长速率r 是指在单位时间内晶面( h l d ) 沿其外法线方向向 外平行推移的距离d ，并称为线性生长速率。晶体生长的驱动力来源于生长环境相( 汽 相，溶液，熔体) 的过饱和