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方法論記事

フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

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DOI：

10.3791/50216

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2012年11月30日

 ,  ,  ,  , 
1School of Physics & Astronomy, University of St Andrews

この記事について

サマリー

フォトニック結晶スローライト導波路と空洞の使用は、広く多くの異なるアプリケーションでフォトニクスコミュニティによって採用されています。したがって、これらのデバイスの作製および特性は非常に興味深いです。干渉計（導波路）と共鳴散乱（キャビティ）：本論文では、すなわち私たちの製造技術と二つの光学特性評価方法を概説します。

要約

遅い光は、ビューの基本的なポイントから、実用化のために、そのかなりの可能性の両方の偉大な関心を集め、過去10年間でフォトニクスコミュニティでホットな話題の一つとなっている。主要な役割を果たしていると正常に光信号1-4と5-7と両方の線形、非線形デバイスの強化を遅らせるために使用されてきた、特に、光フォトニック結晶導波路を遅らせる。8月11日

フォトニック結晶キャビティが遅い光導波路と同様の効果を達成しますが、帯域幅が減少以上。これらの空洞は高Q-factor/volume比を提供し、光学的に12の実現に向けて、電気的に13は超低閾値レーザと非線形効果の増強を汲み上げ、さらに14-16、受動フィルタ17および変調器18から19まで実証されている、超狭線幅、高い自由スペクトルRを展示低エネルギー消費のアンジュとレコードの値。

これらのエキサイティングな結果を達成するために、堅牢な再現性のある製造プロトコルが開発されなければならない。本稿では、フォトニック結晶パターンの定義については、電子ビームリソグラフィを採用しており、ウェットとドライエッチング技術を使用して私達の製造プロトコルを詳細に見てみましょう。垂直に苦しむしないフォトニック結晶における当社の最適な製造レシピの結果が非対称と非常に良好なエッジ内壁粗さを示す。我々は、同様の問題を特定し、排除するために撮影することができ、診断経路につながる、エッチングパラメータおよびそれらがデバイス上に持つことができる有害な影響を変化させた結果を議論する。

スローライト導波路を評価するための鍵は、送信と群屈折率スペクトルの受動的特性です。様々な方法が最も顕著なの透過スペクトル20から21のファブリペロー干渉縞を解決して、報告されているD干渉技術。ここ22から25まで 、我々は、フーリエ変換分析とスペクトル干渉法を組み合わせた直接、ブロードバンド測定技術について説明します。我々は必要とせずに、アクセス導波路と裸のフォトニック結晶を特徴づけることができるように26我々の手法は、そのシンプルさとパワーのために際立っているオンチップの干渉成分、およびセットアップのための部分のみと遅延スキャンを移動するための必要とせず、マッハツェンダー干渉計で構成されています。

それによって歪めフォトニック結晶キャビティ、キャビティ自体のパフォーマンスに直接影響キャビティ27に結合された内部または外部ソース21導波路を含む技術、測定を特徴付けるとき。ここでは、交差偏波プローブビームを利用して、プローブが平面外の客観を通じてキャビティに結合され、共鳴散乱（RS）として知られている小説と非侵入型の手法を説明します。テクニックは最初demonstraだっテッドマカッら28により、さらにガリらによって開発された29

プロトコル

免責事項：以下のプロトコルは、フォトニック結晶導波路と空洞の製作と特性評価技術をカバーする一般的なプロセスフローを提供します。プロセスフローは、我々の研究室で利用可能な特定の機器用に最適化されており、他の試薬や機器が使用されている場合はパラメータが異なる場合があります。

1。試料調製

  1. サンプル裂は - シリコン·オン·インシュレータ（SOI）ウェハを取ると、シリコン表面の端から約1〜2 mmの線に傷を付け、ダイヤモンドスクライブを使用し、スクラッチ、ウェハの縁の上に延びていることが保証されます。直線エッジに傷の位置を合わせます（ 例えば顕微鏡スライドのもの）とスクラッチの両側にあっても肯定的な圧力をかける：スクラッチの場所で結晶面に沿ってウェハが意志を切断。チップ全体を定義するには、この手順を繰り返します。
  2. サンプルクリーニング - ピンセットを使用して注意アセトンに試料を置き、ndは1〜2分間超音波浴で洗浄してください。アセトンからサンプルを取り出し、注意イソプロパノール（30秒）（アセトン、イソプロパノールの両方が可燃性である：十分な換気を使用して、すべての発火源を避ける）を使用したサンプルから、残っているアセトンをすすぎます。クリーンドライ窒素銃を使用してサンプルを乾燥させてください。
  3. レジストのスピン - スピンコーターにサンプルを置きます。敏感ピペット電子が試料に注意ZEP520Aを（ZEP520Aは可燃性であり、皮膚や目に吸入や接触による有害避けるべきである）レジスト - エッジ上を流れる抵抗することなく、試料を​​完全にカバーするために抵抗する十分な使用。約を与えるようにサンプルをスピン。 10分間180℃でホットプレート上で350 nmの厚膜と焼く。我々は、この厚さは、（後述参照）の解像度とエッチング耐性のバランスを最適な厚さであることがわかった。

2。パターン定義

  1. デザイン - 適切なソフトウェアを使用しては、必要なフォトニック結晶パターンをシミュレートします。無感覚MITの電磁式伝播（MEEP）、全波（RSoft）、MITのフォトニックバンド（MPB）：有用なソフトウェアパッケージのERは含むがこれらに限定されなく、用意されています。
  2. パターン生成-暴露ファイル（一般的にはGDSフォーマット）と近接誤差適切なソフトウェアを使用して修正を作成する30。
  3. パターン露光 - 電子ビームリソグラフィーシステム（LEO：1530 / Raith Elphy）のチャンバ内にサンプルをロードして、ポンプダウン。一度真空が達成された、EHT電源に切り替えると30 kVに設定してください。サンプルステージとチャンバは平衡温度に達するように1時間この状態でシステムのままにしておきます。あなたの特定の電子ビームリソグラフィシステムのユーザーマニュアルに示されているように露出を設定します。適切な基本的なステップサイズ（ 例えば、2 nm）を（これはシステムが公開できる最小の画素サイズである）、少なくとも1 msのセトリング時間（使用したサンプルを公開し、このシステムはビームを移動させ、露光の間に待機時間であるパターンの特定の部分）、そして55μAcm-2の面積線量。
  4. サンプル開発 - 23℃の温度で注意キシレン（キシレンは離れた点火源から換気の良い場所での可燃性及び毒性の高い仕事の両方であり、皮膚や目への接触を避ける）を使用して℃で45秒間のサンプルを開発しています。イソプロパノールでリンスします。

3。パッテン転送

  1. RIEチャンバークリーニング - アルゴンと200sccmの水素の流量を設定します。 1のチャンバ圧力×10 -1ミリバールを達成するために、バタフライバルブを介して、ポンプダウンスロットル。 、100WのRF電力を設定するプラズマを点火し、少なくとも10分間実行する - 約700 VのDCバイアスが観察されるべきである。アルゴン/ H 2プラズマをオフに切り替えた後、チャンバは、約1分間ポンプすることができます。 200sccmでチャンバ内に酸素の流量を設定して、再度1×10 -1 mbarにチャンバ圧力を減速し。第2のプラズマを点火100 Wのパワーで酸素と5分間実行します。これらの手順の後、チャンバーは以前のドライエッチングから、このようなポリマー残渣などの汚染物質が、無料となります。私たちは最大の再現性を確保するためにエッチングレシピ内のすべての変更の前に、この手順を実行します。この手順は、平行平板で構成されて我々のシステムは、カソードロードされ、RIEのために最適化され、直径がメインチャンバ12インチとスロットルバルブと接続されているターボ分子ポンプの両方を持つ12インチポートを含む高さは14インチで。
  2. フォトニック結晶のエッチングは- RIEの主室にサンプルをロードして、チャンバーは水蒸気の自由であることを確認する<3×10 -6 mbarの背景圧力にシステムをポンプダウン。プレコンディショニングによるエッチングガス（すなわち、CHF 3とSF 6）のチャンバーをエッチを開始：100sccmの（ つまり 1:1のガス比を設定）に両方のガスの流量を設定し、スロットルを使用してチャンバーをもたらす5×10への圧力 -2ミリバールまで、ガスが少なくとも10分間に流れるようになります。とチャンバ圧力を確保しながら、約2分（これらのエッチングパラメータのためのシリコンのエッチング速度は約150nm /分である）のためのエッチサンプル;事前調整した後、約20 WにRF電力を設定し、プラズマを点火5×10 -2ミリバールが維持されます。 200から220 Vの間のDCバイアスはエッチング期間を通じて達成されるべきである。
  3. 残り除去するクリーニングサンプル電子感光性レジスト - ドライエッチングした後、アセトン、続いて1〜2分間超音波撹拌しながら注意で1165リムーバー（1165年には可燃性で、目に炎症を引き起こすことができ、鼻、気道）を洗浄することによってサンプルを清掃と（ステップ1.2）上記のようにイソプロパノール。
  4. 膜分離 - スピンコートUV敏感な写真が付いているサンプルは注意Microposit S1818 G2（S1818 G2は、鼻や気道可燃性の両方であり、目に刺激を与えて）（ステップ1.3を参照）レジスト。 appropriatを使用して電子フォトマスクは、UVマスクアライナを用いたフォトニック結晶パターンの上にレジスト内のウィンドウを定義します。約30〜45秒間のサンプルを公開します。 secは、脱イオン水ですすぎ、その後、30から45のために注意Microposit開発MF-319（MF-319はアルカリ性の液体であり、目や鼻、気道に炎症を引き起こす場合がある）でレジストを開発します。脱イオンへの注意1時05フッ化水素酸（1.1499グラム/ mlの48から51パーセントのHF（）処理は、HFの定格フル個人用保護具を使用するときにHFは、非常に腐食性があり、容易に組織を破壊する）の混合物でプラスチックビーカーを準備水。安全上の理由のみプラスチックビーカー、ピンセットフッ化水素酸を用いて使用されるべきであることに注意してください。 15分間、フッ化水素酸混合物に沈めサンプルを。エッチング後、脱イオン水で十分にサンプルをすすいでください。この段階から、超音波攪拌を使用することはできません以降 - 残りのフォトレジスト（ステップ1.2を参照）、アセトンとイソプロパノールを使用して削除します。サンプルを確保するためにできるだけきれいですが、注意ピラニア溶液（ピラニア溶液は爆発の可能性、非常にエネルギッシュであり、取り扱いが完全な個人用保護具を使用する有機材料を、攻撃する）（3:1注意硫酸（硫酸ですすぎながらアセトン、イソプロパノール洗浄に従うハンドリングは個人用保護具を使用し、蒸気またはミストの吸入を避けるときに酸が5分間）（取り扱いは個人用保護具を使用するときに過酸化水素が、皮膚や眼への接触の場合には非常に危険です）過酸化水素を注意すること）、腐食性及び毒性が非常に強い、その後、脱イオン水、アセトン、イソプロパノールでサンプルをすすいでください。安全上の理由のみガラスビーカー、金属ピンセットピラニア溶液を使用することに注意してください。ピラニア溶液はアセトンまたはイソプロパノールとの接触で爆発することができるように、それはこれらの試薬から離れて取り扱う必要があります。
  5. ファセット劈開 - フォトニック結晶スローライト導波路を準備する場合は、サンプルがファセット劈開を必要とします。薙ぎ払いのSA手順1.1で概説したように、できるだけそのような小さな傷を除いて、同じ手順に従うことによってmpleを使用する必要があります。 〜700μmの厚さの基板とSOIチップを確実に4〜5ミリメ​​ートル長いサンプルにダウンして切断することができる。

4。フォトニック結晶スローライト導波路の特性評価

  1. セットアップの前準備 - 注意広帯域増幅自然放出（ASE）は、光源（目に見えない赤外線放射：可能であれば、ビーム経路をカバーする、不要な高出力を避ける）の出力を接続して3 dBのファイバスプリッタにし、各出力を使用図9に示すように、自由空間マッハツェンダーinterferometeter計（MZI）、の二つの腕の中に光を結合する。ファイバから出力された光を平行光にする非球面レンズを使用しています。干渉計のアームのいずれかで、カップルにサンプルチップの内と外光ビームを二つの追加の非球面レンズを使用しています。 TE-分極ガーゼにサンプルアームに偏光ビームスプリッタ（PBS）を配置tはサンプルを入力する。それらが再結合する第二3デシベル繊維スプリッタ、に戻って両腕からカップルにコリメートされた出力光を非球面レンズを使用しています。赤外線検出器への出力の一方を接続し、サンプルへの光結合を最大限にするために、検出器の測定値を使用し、光スペクトラム·アナライザ（OSA）に他の出力を接続します。ときに試料の存在下でMZIの両腕はほぼ同じ光路長を持つ必要があります。MZIの2の腕の中で繊維ができるようにするには、同じ呼び長さを持っており、基準アームの調整可能な遅延段が含まれていることを確認してくださいその長さの微調整のために。サンプルアームでは、試料中に最高のカップリングを得るために、XYZ精密ステージ上に非球面レンズをマウントします。
  2. 基準アームの長さを調整する-カップルの光ビームをブランク（フォトニック結晶をせずに）、リッジ導波路へのwi（同じタイプのアクセスは、そのフォトニック結晶内部に送り光導波路として）サンプルアームで同じチップを薄く。 OSAで連続スキャンを実行し、測定された波長スペクトルを観察します。 MZIの両腕はほぼ同じ光路長、建設的かつ破壊的な干渉に起因するスペクトルの展示縞を持っている場合、MZIの腕は非常に異なる光路長を（>〜CM）がある場合は、これらの縞は表示されません。フリンジ間隔は、2つのアーム間の光路長差に反比例します。基準アームを短くするとOSAで縞を観察するために遅延ステージを移動し、彼らがより密（まばら）になった場合、基準アームは、サンプルアームよりも（長く）短くなっています。基準アームがサンプルアームおよび10 nmの波長範囲で約5〜10縞の縞間隔の結果（ 図10aを参照）よりも短いことを確認するために、遅延段を設定します。最後に、最大遅延を提供するデバイスでは、この最適化を実行した後、測定を通して固定遅延を保つサンプル全体の。
  3. 干渉スペクトルに1スキャンと別々に二本の腕（他のアームを遮断することによって得られる）のそれぞれに1つずつスキャン： - キャリブレーションの実行にはまだ空白導波路上に整列され、OSA上の3つのスキャンを実行します。 0.05から0.1 nmの解像度を使用します。各測定スペクトルを記録します。
  4. 遅い光データ取得 - 実行とチップ上の各フォトニック結晶導波路のためのステップ4.3のように3つのスペクトルを記録します。
  5. フーリエデータ解析 - 干渉スペクトル（インターフェログラム）I（ω）は数学的に次式で表される。
    I（ω）= S（ω）+ R（ω）+ SQRT [S（ω）は、R（ω）] {EXP [Iφ（ω） - iωτ] + CC}、
    ここで、S（ω）とR（ω）はそれぞれ、試料と基準アームから分離して測定スペクトル密度である。遅延τは基準アーム内の遅延段の位置で設定されています。フォトニック結晶導波路の分散については、相に含まれています我々が測定したデータから抽出する必要があります用語。
    唯一の干渉項を分離するために、インターフェログラムから非干渉背景S（ω）+ R（ω）を減算します。任期はsqrt（SR）はexp [I（Φ-ωτ）]とその複素共役は、tを中心としたピークに対応する=τとt =-τ、それぞれ：フーリエ干渉用語の変換を計算する数値的に二つの用語のいずれかをフィルタリングし、周波数領域に戻って変換します。 ωτΔτ グラム 、両群間の群遅延の差を得ることがωに関して得られたデータの-位相Φ（ω）を区別しています。 V G群速度と群屈折率n G = C / V gは 、次式で与えられます。
    N G =（Δτ グラム PHC - Δτ グラム CAL）C / L + nの校正 、
    Δτ グラム CALは frを撮影し、キャリブレーションデータから得られた場合OMブランク導波路、Lはフォトニック結晶導波路の長さであり、n = 2.7 calは 、参照リッジ導波路の実効屈折率である。セットアップのさまざまな光学素子からの遅れへの寄与は、キャリブレーションを実行する際に考慮されるため、このステップで減算されます。
  1. 透過率曲線は - 空白導波路のそれにフォトニック結晶導波路のサンプルスペクトルを正規化することによって透過率曲線を計算します。

5。フォトニック結晶共振器の特性評価

  1. セットアップ- RSの設定（ 図14）の調製が含まれています：偏光ビームスプリッタに交換素子のスイッチング、入力アームに偏光板を挿入するだけでなく、出力アームでアナライザ、プローブアームに鏡を反転近赤外光源の使用を可能にするために、サンプルを照らすことができる。軸に対して45°の方向に垂直に試料をマウントxyzのサンプルに焦点が合っているとキャビティが図15（左）のように、カメラで見ることができるように、ミクロブロックをマイクロブロックと調整駆動される差の偏光板（ 図18）。増幅自然放出光（ASE）源を用いて、キャビティ図15（右）の中心にビームを合わせます。照明ミラーを離れて反転し、出力アームは分光計（添付アレイ検出器付きモノクロ）を入力することができます。空洞のピークを同定するために、解像度を低〜中程度との幅広いスキャンを開始します。 1nmの精度でASEスキャン（ 図16a）の共振の粗い波長を得る。それは注意波長可変レーザ光 ​​源（TLS）（ 図16b）（：可能であれば、ビーム経路をカバーする、不要な高出力を回避する目に見えない赤外線放射）と広いスキャンを取得することも可能です。一つは、解像度がするために最高値に設定されていることを注意しなければならないすべてのピークの線幅をサンプリングします。
  2. 同定されたピークで高解像度のスキャンを実行する - 入力アームにTLSを接続し、mWのレベルにビームを減衰させる。出力アームは光検出器によって収集することを可能にし、以前に見つかった共鳴波長を中心とする2 nmの範囲の午後1時の分解能で連続掃引スキャンを設定することにより、高解像度のスキャンの準備をします。 SNRが最大化されるまで、マイクロブロックのxyzの位置を変更して再実行してスキャン：このステップの重要性は、ローレンツ形状共鳴を得ることを目的とし、信号対雑音比（SNR）を改善することである代表的な結果セクションで示されているようになっており、ライン形状は、ローレンツのそれに近い。

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結果

作製したサンプル

図1は、電子ビームレジストにおける露光および現像後のパターンの走査電子顕微鏡（SEM）画像を示しています。レジストとシリコン基板の間のエッジが「クリーン」であることから、完全な露光および現像が達成されたことが分かります。それぞれ異なるベースドーズを持つ単純な繰り返し形状（本事例では50 × 50 μmの正方形）で構成されるドーズテストパターンの露光を行い、それを用いて後続の膜における適切なドーズ係数および現像時間を決定します。

電子ビームリソグラフィーを用いて高解像度の構造を作成する場合、レジスト膜はできるだけ薄くすることが有利ですが、一方で、シリコンに構造をエッチングする場合は、可能な限り厚い膜を使用することが推奨されます。これらの相反する条件のバランスを取ることが、作製レシピを最適化する目的です。本研究では、厚さ約350 nmのZEP 520A層を用いることで、エッチング工程に耐えつつ、必要な高解像度を実現できることを見出しました。

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ディスカッション

試料作製

電子ビームレジストの我々の選択（ すなわち ZEP 520A）が同時に高解像度とエッチング耐性に起因します。私たちは、ZEP 520Aはオーバーヘッド実験室灯から発せられる紫外線の影響を受ける可能性があると信じています。など、我々は別の研究室からそれらを移動させながら、紫外線不透明な容器にスピンコーティングしたサンプルを置くことをお勧めします。

我々はロード後に少なくとも一時間のために解決する電子ビーム描画装置を許すと、書き込み時にミスアライメントエラーを減少させることを発見したサンプルを公開する前に、フォトニック結晶パターンを定義することに移る - これは、試料ステージのため、真空チャンバではありませんすぐにロードした後、同じ温度である。アクセス波路と一緒にフォトニック結晶パターンは、チャンバに対して、ステージの小さなドリフトを書くために数時間かかることがありますように（でも、フォトニック結晶の穴あたりわずかナノメートル）の符号が結果フォトニック結晶の公差に関してificantステッチ、おそらくパターンの...

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開示事項

特別な利害関係は宣言されません。

謝辞

作者は感謝してRSの技術と測定の実行に関連する有用な議論パヴィア大学から博士マッテオ·ガリ博士シモーネL. Portalupi教授とルシオC. Andreaniを認める。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
アセトンフィッシャーサイエンティフィックA/0520/17注意:可燃性、良好な換気を使用し、すべての発火源を避けてください.
IsopropanolFisher ScientificP/7500/15注意:可燃性、良好な換気を使用し、すべての発火源を避けてください.
Electron BeamはMarubeni Europe plcに耐性があります。ZEP520A注意:可燃性、吸入により有害、皮膚や目との接触を避けてください.
キシレンフィッシャーサイエンティフィックX/0100/17CAUTION:可燃性で毒性が高く、換気を良くし、すべての発火源を避け、皮膚や目との接触を避けてください.
Microposit S1818 G2Chestech Ltd.10277866注意:可燃性で、目、鼻、気道に刺激を与えます.
Microposit Developer MF-319Chestech Ltd.10058721CAUTION:アルカリ性の液体で、目、鼻、気道に刺激を引き起こす可能性があります.Hydrofluoric
AcidFisher Scientific22333-5000CAUTION:非常に腐食性で、容易に組織を破壊します。HF.
strong>Microposit 1165リムーバーチェステック株式会社10058734注意:可燃性で、目、鼻、気道に刺激を与えます.
Sulphuic Acid FisherScientificS/9120/PB17CAUTION:腐食性で非常に有毒です。個人用保護具で取り扱い、蒸気やミストの吸入を避けてください.
過酸化水素フィッシャーサイエンティフィックBPE2633-500注意:皮膚や目に入った場合には非常に危険です。
Equipment
Silicon-on-Insulator waferSoitecG8P-110-01
Diamond ScribeJ M Diamond Tool Inc.HS-415
顕微鏡スライドフィッシャーサイエンティフィックFB58622
ビーカーフィッシャーサイエンティフィックFB33109
ピンセットSPIサプライPT006-AB
超音波浴カムラブ1161436
スピンコーターエレクトロニックマイクロシステムズ株式会社。EMS 4000
ペットフィッシャーサイエンティフィックFB55343
電子ビームリソグラフィーシステムRaith GmbhRaith 150
反応性イオンエッチングシステム独自の社内設計-
UVマスクアライナーカールMJB-3
ASEソースAmonicsALS-CL-15-B-FAstrong>CAUTION:目に見えないIR放射.
シングルモードファイバーThorlabsP1-SMF28E-FC-2
3 dBファイバースプリッターThorlabsC-WD-AL-50-H-2210-35-FC / FC
非球面レンズ新しいフォーカス5720-C
XYZステージMelles Griot17AMB003/MD
光ビームスプリッターキューブThorlabsPBS104
赤外線検出器New Focus2033
100×客観的なニコンBD計画100x
オシロスコープTektronix TDS1001B
光スペクトラムアナライザアドバンテストQ8384
IRセンサーカードニューポートF-IRC2
TLSソースAgilent81940A注意:目に見えないIR放射.
IRカメラ電気物理学7290A
IR 検出器ニューフォーカス2153
デジタルマルチメーターAgilent34401A
イルミストッカー エールライト ダニ
モノクロメータースペクトル製品DK480
アレイ検出器ANDORDU490A-1.7
GIF ファイバーソーラブ31L02
の定格の完全な個人用保護具でハンドルします。ピ-サス < 偏ネーション

参考文献

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