我們研究嵌入在光子晶體光腔中、導致發射增強（賽爾效應）的量子點的光學性質（圖 1a），或者基于嵌入在波導中、用于生產光子多路復用器件的量子點的光學性質（圖 1b）。典型器件是由多層砷化鎵/Al0.7Ga0.3砷化鎵外延生長的堆棧制造而成的，其中頂層 250 nm 厚的砷化鎵層包含器件的有源部分，1μm厚的Al0.7Ga0.3 為犧牲層，***終會被蝕刻掉，以產生浮膜器件。膜在特定位置包含***個或幾個 20 nm 的 In0.3Ga0.7 量子點，以及與量子點精確對準的蝕刻光子晶體結構（100 nm 孔的大陣列，特定配置會缺少幾個孔）。這些器件在不同處理步驟中要求 1-20 nm 精度，因此它們都涉及高性能電子束蝕刻。為承受砷化鎵的濕法或等離子體 (ICP) 蝕刻，我們必須使用硬二氧化硅掩模，并通過干法蝕刻 (RIE) 將光刻圖案轉移到該二氧化硅掩模上。這種轉移的精確度取決于是否知道掩模層的精確厚度。由于二氧化硅層的厚度為 40-80 nm，因此在此測量中我們需要達到 1 nm 的精度。這項研究的目的是獲得用作硬掩模的二氧化硅 (SiO2) 薄膜厚度 (40-80 nm) 的高精度 (1 nm) 測量值。

圖 1.a) 嵌入耦合 L3PhC 腔中的量子點（暗點）網絡的 SEM 圖像；b) 光子晶體的 SEM 圖像，頂部帶有***個輸出耦合器，并包含六個量子點（用紅色三角形表示）。

      到目前為止，每天只能使用觸針式輪廓儀來測量二氧化硅掩模的厚度，并且此測量是在另******實驗室中在使用校準標準和 Sopra GES 5E 光譜橢偏儀進行全局校準之后進行的。但是，輪廓測量法需要在二氧化硅層中濕法蝕刻“臺階”，相當耗時，并且在處理完整晶片時并不實用。此外，輪廓測量法中的典型噪聲為 5 nm RMS，因此需要大量平均才能獲得所需的 1 nm 精確度（圖 2a) 。

      我們現在將 3D 光學輪廓儀 S neox（光譜反射法模式）作為測量 SiO2層厚度的***種快速且簡便的方法。使用簡單砷化鎵作為參考，我們使用這種技術可獲得 1 nm 的精確度，并且此過程僅需要幾秒鐘時間即可完成。

圖 2.a) 觸針式輪廓儀在二氧化硅薄膜中的臺階軌跡；b) 同***薄膜的反射光譜，模型擬合顯示厚度 (84±1 nm)

      我們以裸露的砷化鎵基板為參考，***先使用內置的單層模型測量位于砷化鎵之上的二氧化硅層的反射光譜。如圖 2b 所示，得到的反射率光譜非常平坦，沒有顯示出較厚 (d>λ) 膜所特有的振蕩。盡管如此，模型擬合效果仍然非常好，膜厚度 (84 nm) 的精確度為1 nm。

       圖 3 顯示了相同類型的測量，即測量了 38 nm 的膜。 在砷化鎵膜結構的例子下，砷化鎵基板上有 3 層（二氧化硅/砷化鎵/GaAs/Al0.7Ga0.3As）結構。在這個例子中，我們仍將砷化鎵作為參考，以便將這個完整的結構輸入到模型中。

圖 3. 二氧化硅薄膜的反射光譜，模型擬合顯示厚度 (38±1 nm)

      在第***項測試中，我們測量不含二氧化硅的裸露半導體多層結構的反射率。測得的光譜（圖4a）顯示出具有良好的擬合度，產生了正確的（通過 X 射線衍射驗證）砷化鎵和 Al0.7Ga0.3As 層厚度，以及模型頂部二氧化硅層的零厚度。這***次，反射率曲線顯示出典型的振蕩，通常出現在較厚的 (d>λ) 層中。

      在驗證裸露半導體后，我們測量了另***個樣品，該樣品涂覆有二氧化硅（圖 4b）。測得的光譜擬合不僅顯示了半導體層的厚度，而且還顯示了正確的二氧化硅層的厚度 (79 nm)。

      在***后***項測試中，我們嘗試測量涂覆有二氧化硅和 PMMA 層的樣品（圖 4c）。這***次，頻譜顯示出更復雜的振蕩，并且模型擬合不如以前好。盡管如此，擬合值仍然正確，證明了該方法的功能和速度。

圖4. A) 砷化鎵/Al0.7Ga0.3As/砷化鎵樣品的反射光譜，模型擬合顯示半導體厚度（255 和 994 nm）。擬合顯示頂部沒有二氧化硅層；b) 涂覆有二氧化硅的砷化鎵/Al0.7Ga0.3As/砷化鎵樣品的反射光譜，模型擬合顯示半導體厚度（269 和 953 nm）和二氧化硅層厚度 (79 nm)；c) 涂覆有二氧化硅和 PMMA 的砷化鎵/Al0.7Ga0.3As/砷化鎵樣品的反射光譜，模型擬合顯示半導體厚度（255 和 1022 nm）以及二氧化硅層厚度 (276 nm) 和 PMMA 層厚度 (1044 nm)。

      我們使用觸針式輪廓儀和 Sopra GES 5E 光譜橢偏儀以及商業校準標準品（硅上涂的二氧化硅層，Micromasch 提供)作為對照 ，檢查了使用此方法獲得的值，發現 Sensofar 系統的精確度為 1 nm，符合我們的要求。

      為了處理復雜的光子納米結構器件，我們需要對沉積在砷化鎵或多層半導體頂部的二氧化硅薄層（通常 <100 nm）進行高精確度 (1 nm) 的快速厚度測量。Sensofar 的 S neox 3D 光學輪廓儀提供的反射光譜是解決此需求的理想工具，可提供我們需要的高精確度、高測量速度和易用性。