基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法与流程

本发明涉及量子结构的定位生长技术领域，尤其涉及一种基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法。

背景技术：

高质量、定位生长的量子点、线在单光子器件、单电子器件、量子点激光器等多个方面都有着广阔的应用前景。其中，基于单光子器件的量子计算、量子通信是目前量子信息技术最重要的物理实现方法。但是目前缺乏理想的单光子发射器件，量子密钥通信的实验演示都采用激光衰减光源模拟单光子发射，这种实验需要极为复杂的光路系统，而且单光子产生效率很低，也不能消除多光子的存在，无法避免受到多光子攻击的可能性，这将会给量子通信带来安全隐患。制作高质量的单光子器件将获得稳定、高效、可靠的单光子发射，是实现安全的量子通信及量子密码实用化的理想选择之一。

目前多采用纳米压印、电子束曝光、聚焦离子束等技术，并结合湿法刻蚀工艺制作亚微米甚至纳米尺寸的图形衬底，然后在图形衬底上分子束外延生长量子点、线。以上方法中制备得到的图形衬底的尺寸较大，不利于量子点、线的定位生长，另外，湿法刻蚀工艺过程使得制备得到的图形衬底的表面不可避免地受到水、氧的污染，所以在进行分子束外延生长前必须要对图形衬底进行复杂的清洗过程，该过程将导致图形衬底表面大量缺陷和杂质的产生。量子点、线是纳米尺度的结构，其生长将在很大程度上受到衬底表面缺陷和杂质的影响。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法，该方法可以得到尺寸远小于光学衍射极限的刻蚀图形衬底，能够实现高质量量子点、线的定位生长。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法，其包括应用激光直写工艺在光刻胶层上刻写刻蚀结构图形步骤，该步骤具体包括：首先控制激光直写的曝光光斑沿光刻胶层的第一方向刻写，形成一行的曝光光斑；然后控制激 光直写的曝光光斑沿光刻胶层的第二方向逐行刻写，最终在光刻胶层上形成M行×N列的曝光光斑；其中，所述曝光光斑的直径为D，所述曝光光斑沿第一方向和第二方向的步进均为d，并且其中，在进行第i行至第i+m-1行的第j列至第j+n-1列的刻写时，关闭曝光光斑的功率形成未曝光区域，所述未曝光区域形成所述刻蚀结构图形，所述刻蚀结构图形沿行方向上的长度为L1，沿列方向上的长度为L2，并且，L1＝(m+1)×d-D，L2＝(n+1)×d-D；其中，M、N为正整数，i＝1、2、3、…、M-1或M，j＝1、2、3、…、N-1或N，m＝1、2、3、…、M-1或M，n＝1、2、3、…、N-1或N；并且，m和n的取值至少使得L1或L2的值小于曝光光斑的直径D。

优选地，m和n的取值使得L1和L2的值均小于曝光光斑的直径D。

优选地，m和n的取值相等，使得L1＝L2。

具体地，该方法包括步骤：提供一衬底并在该衬底上依次形成一缓冲层和一光刻胶层；应用激光直写工艺在所述光刻胶层上刻写刻蚀结构图形；应用反应离子刻蚀或负性显影工艺在所述光刻胶层上形成刻蚀结构图形；应用反应离子刻蚀工艺将所述刻蚀结构图形转移到所述缓冲层上，在所述缓冲层上形成定位生长区域；在所述定位生长区域中生长量子结构。

进一步地，所述曝光光斑的直径D的范围是220～280nm，所述步进d的范围是70～80nm，m和/或n的取值范围是3～5。

进一步地，所述量子结构为量子点或量子线；其中，该方法还包括去除所述光刻胶层的步骤，具体地：若所述量子结构为量子点，则在所述缓冲层上形成定位生长区域之后，首先去除所述光刻胶层，然后在所述定位生长区域中生长量子点；若所述量子结构为量子线，则在所述缓冲层上形成定位生长区域之后，首先在所述定位生长区域中生长量子线，然后再去除所述光刻胶层。

进一步地，应用反应离子刻蚀工艺将所述刻蚀结构图形转移到所述缓冲层上时，刻蚀深度为10～100nm。

进一步地，通过真空退火工艺去除所述光刻胶层，真空退火温度范围是300～500℃，退火时间是10～30分钟，真空度<10^-1Pa。

进一步地，所述衬底的材料为砷化镓、磷化铟或锑化镓，所述缓冲层的材料与所述衬底的材料相同，所述光刻胶层的材料为锗锑碲、锗锑锡碲、锗锑铋 碲或碲化锑。

进一步地，所述缓冲层的厚度为200～500nm，所述光刻胶层的厚度为50～200nm

本发明实施例提供的基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法中，首先在激光直写的刻写过程中，通过控制激光光斑和激光步进的大小关系，精确画图，可实现小于光学极限的刻写尺寸，将该刻写尺寸转移到衬底上，得到尺寸远小于光学衍射极限的刻蚀图形衬底，能够实现高质量量子点、线的定位生长。另外，在将刻写图形转移到衬底的过程中，采用干法刻蚀、干法去胶工艺，有效减弱、避免衬底图形表面缺陷和杂质衍生的问题，特别是在全真空环境中，采用上述全干法的工艺过程，能使分子束外延生长前衬底图形的预处理过程简化甚至省略，对衬底无损害且不沾污，从而进一步实现高质量量子点、线的定位生长。

附图说明

图1是本发明实施方式中的基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法的工艺流程图。

图2是本发明一实施方式中的激光直写工艺过程的示例性图示。

图3是本发明另一实施方式中的激光直写工艺过程的示例性图示。

图4是如图3中得到的刻蚀结构图形的放大示意图。

图5是本发明实施例1中量子点的定位生长方法的示例性图示。

图6是本发明实施例2中量子线的定位生长方法的示例性图示。

图7是不同退火温度作用后锗锑碲(Ge₂Sb₂Te₅)的X射线衍射图谱。

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，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了 与本发明关系不大的其他细节。

如图1所示，本实施例提供的基于激光直写工艺的量子结构的定位生长方法包括步骤：

S1、提供一衬底并在该衬底上依次形成一缓冲层和一光刻胶层。其中，所述衬底的材料可以选择为砷化镓、磷化铟或锑化镓，所述缓冲层的材料选择与所述衬底的材料相同，所述光刻胶层的材料可以选择为锗锑碲、锗锑锡碲、锗锑铋碲或碲化锑。具体地，首先选择衬底并在衬底上分子束外延生长一层200～500nm厚的缓冲层，然后在缓冲层上通过磁控溅射等工艺形成一层50～200nm厚的光刻胶层。

S2、应用激光直写工艺在所述光刻胶层上刻写刻蚀结构图形。其中，通过控制激光的曝光光斑和激光步进的大小关系，精确画图，可获得尺寸小于光学衍射极限的刻蚀结构图形。

S3、应用反应离子刻蚀或负性显影工艺在所述光刻胶层上形成刻蚀结构图形。该步骤中，若选择使用反应离子刻蚀工艺，可以选用刻蚀气体为六氟化硫，流量为30～50sccm；若选择使用负性显影工艺，则可选用浓硝酸(浓度为67％)、浓过氧化氢(浓度为30％)及水的混合溶液(体积比例为1:1:7)进行腐蚀。

S4、应用反应离子刻蚀工艺将所述刻蚀结构图形转移到所述缓冲层上，在所述缓冲层上形成定位生长区域。反应离子刻蚀工艺中，所用气体为氯气和/或氯化硼气体，流量为50～70sccm，刻蚀深度约为10～100nm。得到的定位生长区域的宽度尺寸与刻蚀结构图形的尺寸大致相同，由此可得到尺寸小于光学衍射极限的定位生长区域，能够实现高质量量子点、线的定位生长。

S5、在所述定位生长区域中生长量子结构以及去除光刻胶层，获得在所述缓冲层上的量子结构。其中，所述量子结构为量子点或量子线；其中，若所述量子结构为量子点，则在所述缓冲层上形成定位生长区域之后，首先去除所述光刻胶层，然后在所述定位生长区域中生长量子点；若所述量子结构为量子线，则在所述缓冲层上形成定位生长区域之后，首先在所述定位生长区域中生长量子线，然后再去除所述光刻胶层。更具体地，通过真空退火工艺去除所述光刻胶层，真空退火温度范围是300～500℃，退火时间是10～30分钟，真空度<10^-1Pa。

以上的工艺方法，在将刻写图形转移到衬底的过程中，采用干法刻蚀、干法去胶工艺，可以有效减弱、避免衬底图形表面缺陷和杂质衍生的问题，特别 是在全真空环境中，采用上述全干法的工艺过程，能使分子束外延生长前衬底图形的预处理过程简化甚至省略，对衬底无损害且不沾污，从而进一步实现高质量量子点、线的定位生长。

其中，步骤S2中，参阅图2，应用激光直写工艺在光刻胶层上刻写刻蚀结构图形的步骤具体包括：如图2-(a)至图2-(c)所示的，首先控制激光直写的曝光光斑100沿光刻胶层30的第一方向(如图2中的X方向)刻写，形成一行的曝光光斑100；如图2-(d)至图2-(f)所示的，然后控制激光直写的曝光光斑100沿光刻胶层30的第二方向(如图2中的Y方向)逐行刻写，最终在光刻胶层30上形成M行×N列的曝光光斑100，如图2-(g)所示的。其中，所述曝光光斑100的直径为D，所述曝光光斑100沿第一方向和第二方向的步进均为d，并且其中，在进行第i行至第i+m-1行的第j列至第j+n-1列的刻写时，关闭曝光光斑100的功率形成未曝光区域302，如图2-(h)所示的。在刻蚀或显影后，所述未曝光区域302形成所述刻蚀结构图形301，所述刻蚀结构图形沿行方向上的长度为L1，沿列方向上的长度为L2，如图2-(i)所示的。

其中，L1＝(m+1)×d-D，L2＝(n+1)×d-D；其中，M、N为正整数，i＝1、2、3、…、M-1或M，j＝1、2、3、…、N-1或N，m＝1、2、3、…、M-1或M，n＝1、2、3、…、N-1或N；并且，m和n的取值至少使得L1或L2的值小于曝光光斑的直径D。其中，i和j的取值决定了刻蚀结构图形301在光刻胶层30中的位置，可根据需要进行调整；m和n的取值分别决定了L1、L2的大小。参阅图2-(g)至图2-(i)，以曝光光斑100的直径D取值250nm，步进d取值75nm为具体的例子，i的取值使得刻蚀结构图形301位于光刻胶层30的中部，m的取值为3，j＝1，n＝N，即在进行第i行至第i+2行的第1列至第N列的刻写时，关闭曝光光斑100的功率，刻蚀结构图形301沿行方向上的长度L1＝(3+1)×75-250＝50nm，沿列方向上的长度L2与光刻胶层30的宽度相等。L1的值远小于曝光光斑100的直径D(通常地，曝光光斑100的直径D小于光学衍射极限，因此可以判断L1的值也小于光学衍射极限)。

参照以上的曝光方式，易于想到的是，若j的取值使得刻蚀结构图形301位于光刻胶层30的中部，n的取值为3，i＝1，m＝M，即在进行第1行至第M行的第j列至第j+2列的刻写时，关闭曝光光斑100的功率，刻蚀结构图形301沿行方向上的长度L1与该方向上的光刻胶层30的宽度相等，沿列方向上的长度L2＝(3+1)×75-250＝50nm。

比较优选的是，通过选择m和n的取值，使得L1和L2的值均小于曝光光斑的直径D。更为优选的是，通过选择m和n的取值相等，使得L1＝L2。例如，参阅图3和图4，如图3-(a)至图3-(c)所示的，i和j的取值使得刻蚀结构图形301位于光刻胶层30的中部，m和n的取值均为3，即在进行第i行至第i+2行的第j列至第j+2列的刻写时，关闭曝光光斑100的功率，刻蚀结构图形301沿行方向上的长度L1＝(3+1)×75-250＝50nm，沿列方向上的长度L2＝(3+1)×75-250＝50nm。L1和L2的值均远小于曝光光斑100的直径D。

其中，在如上的实施例方式中，所述曝光光斑的直径D比较优选的范围是220～280nm，所述步进d比较优选的的范围是70～80nm，m的取值比较优选的范围是3～5，n的取值比较优选的范围是3～5。例如，若D取值250nm，d取值75nm，m和n取值4，则L1＝L2＝125nm。

实施例1

本实施例提供了基于激光直写工艺的量子点的定位生长方法，如图5所示，该方法包括步骤：

a1、衬底准备：取砷化镓衬底10，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗10分钟，再用氮气吹干，得到洁净的砷化镓衬底10，如图5-(a)所示的。

b1、在步骤a1所述的洁净衬底10上用分子束外延生长砷化镓缓冲层20，厚度为200～500nm之间，如图5-(b)所示的。

c1、在步骤b1获得的样品上用磁控溅射法生长无机相变材料锗锑碲(Ge₂Sb₂Te₅)，厚度为50nm，作为激光直写的光刻胶层30，如图5-(c)所示的。

d1、将步骤c1所得的样品用激光直写刻写刻蚀结构图形，所用激光功率为30mW，脉宽20ns。刻写完成后再用反应离子刻蚀工艺在光刻胶层30中形成刻蚀结构图形301，如图5-(d)所示的，所用气体为六氟化硫，流量为30～50sccm。具体地，参照前述的应用激光直写工艺在光刻胶层上刻写刻蚀结构图形的步骤，获得的刻蚀结构图形301中L1＝L2＝50nm。

e1、在步骤d1所得的样品上用反应离子刻蚀工艺将光刻胶层30上的刻蚀结构图形301转移到缓冲层20上，在所述缓冲层20上形成定位生长区域201,如图5-(e)所示。反应离子刻蚀所用气体为氯气和/或氯化硼气体，流量为50～70sccm，刻蚀深度为10～50nm。

f1、将步骤e1所得的样品用真空退火炉除去其表面剩余的无机光刻胶，如图5-(f)所示的。退火温度为350～400℃，退火时间为10～20分钟，真空度<10^-1Pa。

g1、将步骤f1所得的图形衬底放入分子束外延设备中，在定位生长区域201生长量子点40，如图5-(g)所示的。其中量子点40的材料为铟(镓铝)砷化合物，由分子束外延2～10个分子层得到。铟(镓铝)砷化合物是指铟砷化合物中可以含有镓和/或铝组分。

实施例2

本实施例提供了基于激光直写工艺的量子线的定位生长方法，如图6所示，该方法包括步骤：

a2、衬底准备：取砷化镓衬底10，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗10分钟，再用氮气吹干，得到洁净的砷化镓衬底10，如图6-(a)所示的。

b2、在步骤a2所述的洁净衬底10上用分子束外延生长砷化镓缓冲层20，厚度为200～500nm之间，如图6-(b)所示的。

c2、在步骤b2获得的样品上用磁控溅射法生长无机相变材料锗锑铋碲(Ge₂Sb_1.5Bi_0.5Te₅)，厚度为200nm，作为激光直写的光刻胶层30，如图6-(c)所示的。

d2、将步骤c2所得的样品用激光直写刻写刻蚀结构图形，所用激光功率为20mW，脉宽30ns。刻写完成后再用反应离子刻蚀工艺在光刻胶层30中形成刻蚀结构图形301，如图6-(d)所示的，所用气体为六氟化硫，流量为30～50sccm。具体地，参照前述的应用激光直写工艺在光刻胶层上刻写刻蚀结构图形的步骤，获得的刻蚀结构图形301中L1＝L2＝50nm。

e2、在步骤d2所得的样品上用反应离子刻蚀工艺将光刻胶层30上的刻蚀结构图形301转移到缓冲层20上，在所述缓冲层20上形成定位生长区域201,如图6-(e)所示的。反应离子刻蚀所用气体为氯气和/或氯化硼气体，流量为50～70sccm，刻蚀深度为50～100nm。

f2、将步骤e2所得的图形衬底放入分子束外延设备中，在定位生长区域201生长量子线50，如图6-(f)所示的。其中量子线50的材料为铟(镓铝)砷化合物，量子线50的长度取决于缓冲层20中的定位生长区域201的刻蚀深度和光刻胶层30的厚度。铟(镓铝)砷化合物是指铟砷化合物中可以含有镓和/或铝组分。

g2、将步骤f2所得的样品用真空退火炉除去其表面剩余的无机光刻胶，如图6-(g)所示的。退火温度为350～400℃，退火时间为10～20分钟，真空度<10^-1Pa。

如上实施例提供的量子结构的定位生长方法中，首先在激光直写的刻写过程中，通过控制激光光斑和激光步进的大小关系，精确画图，可实现小于光学极限的刻写尺寸，将该刻写尺寸转移到衬底上，得到尺寸远小于光学衍射极限的刻蚀图形衬底，能够实现高质量量子点、线的定位生长。另外，在将刻写图形转移到衬底的过程中，采用干法刻蚀、干法去胶工艺，有效减弱、避免衬底图形表面缺陷和杂质衍生的问题，特别是在全真空环境中，采用上述全干法的工艺过程，能使分子束外延生长前衬底图形的预处理过程简化甚至省略，对衬底无损害且不沾污，从而进一步实现高质量量子点、线的定位生长。

其中，本发明采用锗锑锡碲、锗锑铋碲等无机相变材料作为光刻胶实施图形转移，最后用真空退火的办法去除光刻胶，获得设计的结构。经过验证，在真空度<10^-1Pa的环境下，测量了不同退火温度作用后锗锑碲(Ge₂Sb₂Te₅)的X射线衍射，得出它们的升华温度为350℃～400℃；可见图7，在200℃锗锑碲薄膜已晶化，出现衍射峰，随温度升高至350℃，薄膜保持晶态，而在400℃锗锑碲的衍射峰消失。根据热力学原理，若将真空度提高，则上述样品将具有更低的升华温度，从而进一步减小去胶对衬底或量子点、线的影响。

需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。