Обзор

LNOI (ниобат лития на изоляторе) — это высокопроизводительный фотонный материал платформа , реализованная за счет гетерогенной интеграции на уровне пластин. Он состоит из монокристаллической тонкой пленки ниобата лития (LN) приклеенной к изолирующему оксидному : Si, SiC, сапфир или кварц и опорной подложке. Эта структура сочетает в себе превосходные электрооптические, нелинейно-оптические свойства и свойства низких устройств при передаче, что делает ее ключевым материалом для фотонных интегрированных схем (PIC) следующего поколения.       

Структура и

спецификацииКак

показано на странице 3 PDF, пластина LNOI имеет трехслойную структуру:Верхний : Si, SiC, сапфир или кварц: тонкая пленка LN (300–600 нм)

• Средний : Si, SiC, сапфир или кварц: SiO₂ (2–15 мкм)
• Нижняя подложка: Si, SiC, сапфир или кварцДоступные
• конфигурации:Размер пластины: 4 дюйма / 6 дюймов / 8 дюймов (масштабируемая дорожная карта)

Кристаллическая ориентация

• : Z-срез, X-срез, Y-срез,
• повернутый Y-срезВарианты легирования: MgO (5 мол.%), Er (1 мол.%) и т. д.
• Ключевые параметры производительности

Для 6-дюймовых пластин

8-дюймовых пластинТолщина тонкой пленки: 300–600 нмОтклонение

• толщины
• отклонения толщины поверхности
• : ~0,19 нм RMS (результат испытания на стр. 5) Контроль
• дефектов:Пустоты (>10 мкм):
  • <80Частицы (>0,3 мкм):
  • <200Для

8-дюймовых пластин (стр. 9):Диапазон

• отклонения толщины: ~7,04 нм
• Пустоты: <100
• Процесс непрерывно оптимизируется

Оптические и электрооптические характеристики

На основе тестовых данных (стр. 8):

• Полоса пропускания модуляции: >67 ГГц
• Электрооптическая эффективность (Vπ·L): ~2,1 В·см
• Сверхнизкие оптические устройств (ширина линии ~0,78 пм)

Эти характеристики демонстрируют отличную пригодность для высокоскоростных и низкопотерьных фотонных устройств.ПрименениеФотонные интегрированные схемы (PIC)

Высокоскоростные оптические модуляторы (100G/400G/800G+)

• Микроволновая фотоника
• Нелинейная оптика (преобразование частоты, ОПО и т. д.)
• Квантовая фотоника и прецизионные датчики
• Ключевые преимущества
• Сильный электрооптический эффект Поккельса

Сверхнизкие потери при распространении

• Гетерогенная интеграция, совместимая с КМОП
• Масштабируемость до больших размеров пластин (до 8 дюймов)
• Свойства
• пластины

LNOIИзготовление пластин ниобата лития на изоляторе (LNOI) включает в себя сложную серию этапов, сочетающих материаловедение и передовые технологии производства. Процесс направлен на создание тонкой, высококачественной пленки ниобата лития (LiNbO₃), приклеенной к изолирующей подложке, такой как кремний или сам ниобат лития. Ниже приводится подробное описание процесса:

Шаг 1: Ионная имплантация

Первым шагом в производстве пластин LNOI является ионная имплантация. Массивный кристалл ниобата лития подвергается воздействию высокоэнергетических ионов гелия (He), вводимых в его поверхность. Машина для ионной имплантации ускоряет ионы гелия, которые проникают в кристалл ниобата лития на определенную глубину.

Энергия ионов гелия тщательно контролируется для достижения желаемой глубины в кристалле. По мере прохождения ионов через кристалл они взаимодействуют с решетчаточной структурой материала, вызывая атомные нарушения, которые приводят к образованию ослабленного слоя, известного как «имплантационный слой». Этот слой в конечном итоге позволит разделить кристалл на два отдельных слоя, где верхний слой (называемый Слоем А) становится тонкой пленкой ниобата лития, необходимой для LNOI.

Толщина этой тонкой пленки напрямую зависит от глубины имплантации, которая контролируется энергией ионов гелия. Ионы образуют гауссово распределение на границе раздела, что имеет решающее значение для обеспечения однородности конечной пленки.

Шаг 2: Подготовка подложки

После завершения процесса ионной имплантации следующим шагом является подготовка подложки, которая будет поддерживать тонкую пленку ниобата лития. Для пластин LNOI в качестве материалов подложки обычно используются кремний (Si) или сам ниобат лития (LN). Подложка должна обеспечивать механическую поддержку тонкой пленки и гарантировать долгосрочную стабильность во время последующих этапов обработки.

Для подготовки подложки на поверхность кремниевой подложки обычно наносится изолирующий слой SiO₂ (диоксида кремния) с использованием таких методов, как термическое окисление или PECVD (плазменно-усиленное химическое осаждение из газовой фазы). Этот слой служит изоляционной средой между пленкой ниобата лития и кремниевой подложкой. В некоторых случаях, если слой SiO₂ недостаточно гладкий, применяется процесс химико-механической полировки (CMP) для обеспечения равномерности поверхности и готовности к процессу склеивания.

Шаг 3: Склеивание тонкой пленки

После подготовки подложки следующим шагом является приклеивание тонкой пленки ниобата лития (Слой А) к подложке. Кристалл ниобата лития после ионной имплантации переворачивается на 180 градусов и помещается на подготовленную подложку. Процесс склеивания обычно осуществляется с использованием технологии склеивания пластин.

При склеивании пластин кристалл ниобата лития и подложка подвергаются высокому давлению и температуре, что приводит к прочному сцеплению двух поверхностей. Процесс прямого склеивания обычно не требует каких-либо адгезивных материалов, и поверхности склеиваются на молекулярном уровне. В исследовательских целях бензоциклобутен (BCB) может использоваться в качестве промежуточного связующего материала для обеспечения дополнительной поддержки, хотя он обычно не используется в коммерческом производстве из-за его ограниченной долгосрочной стабильности.

Шаг 4: Отжиг и разделение слоев

После процесса склеивания склеенная пластина подвергается отжигу. Отжиг имеет решающее значение для улучшения прочности связи между слоем ниобата лития и подложкой, а также для устранения любых повреждений, вызванных процессом ионной имплантации.

Во время отжига склеенная пластина нагревается до определенной температуры и выдерживается при этой температуре в течение определенного времени. Этот процесс не только укрепляет межфазные связи, но и вызывает образование микропузырьков в имплантированном слое. Эти пузырьки постепенно приводят к отделению слоя ниобата лития (Слой А) от исходного массивного кристалла ниобата лития (Слой B).

После разделения слоев используются механические инструменты для разделения двух слоев, оставляя тонкую, высококачественную пленку ниобата лития (Слой А) на подложке. Температура постепенно снижается до комнатной, завершая процесс отжига и разделения слоев.

Шаг 5: Планаризация CMP

После разделения слоя ниобата лития поверхность пластины LNOI обычно шероховатая и неровная. Для достижения требуемого качества поверхности пластина подвергается окончательной химико-механической полировке (CMP). CMP сглаживает поверхность пластины, удаляя любую оставшуюся шероховатость и обеспечивая плоскостность тонкой пленки.

Процесс CMP необходим для получения высококачественной отделки пластины, что критически важно для последующего изготовления устройств. Поверхность полируется до очень мелкого уровня, часто с шероховатостью (Rq) менее 0,5 нм, измеренной атомно-силовой микроскопией (AFM).

Вопросы и ответы

Нет.Танталат лития (LiTaO₃) и ниобат лития (LiNbO₃) — это разные материалы с различным химическим составом (Ta против Nb), но они имеют схожую кристаллическую структуру (пространственная группа R3c) и сегнетоэлектрические свойства.

(пространственная группа R3c), отличающейся от канонической перовскитной структуры ABX₃. Нет.

Ниобат лития кристаллизуется в неперовскитной структуре

(пространственная группа R3c), отличающейся от канонической перовскитной структуры ABX₃. Однако он проявляет перовскитоподобное сегнетоэлектрическое поведение благодаря своей кислородно-октаэдрической структуре, подобной ABO₃.