Tổng quan

LNOI (Lithium Niobate trên Chất cách điện) là một vật liệu quang tử hiệu suất caonền tảng được hỗ trợbởi sựtích hợpdị thể ở cấp độ wafer. Nó bao gồm một lớp màng mỏng lithium niobate (LN) đơntinh thểđượcghép lênmột lớp oxit cách điện:kết hợpcác đặc tính quang điện, quang phi tuyến và truyền dẫn tổn hao thấptuyệt vờiSau khi hoàn thành quy trình cấy ion, bước tiếp theo là chuẩn bị đế sẽ đỡ màng lithium niobate mỏng. Đối với wafer LNOI, các vật liệu đế phổ biến bao gồm silicon (Si) hoặc chính lithium niobate (LN). Đế phải cung cấp hỗ trợ cơ học cho màng mỏng và đảm bảo sự ổn định lâu dài trong các bước xử lý tiếp theo. biến nó thành một vật liệu quan trọng cho các mạch tích hợp quang tử (PICs) thế hệ tiếp theo.      Cấu trúc & Thông số kỹ thuậtNhư

minh họa

trêntrang 3 của tệp PDF

,wafer LNOI có cấu trúc balớp:Lớp trên cùng:Lớp giữa

• : SiO₂ (2–15 μm):: Si, SiC, Sapphire, hoặc Thạch anh
• Các cấu hình có sẵn:Kích thước wafer: 4 inch / 6 inch / 8 inch (lộ trình có thể mở rộng)
• Hướng tinh thể: Z-cut, X-cut, Y-cut,

xoayY-cut

• Các tùy chọn pha tạp
• : MgO (5 mol%), Er (1 mol%), v.v. Các thông số hiệu suất chínhĐối với wafer 6 inch(xem trang 6):Độ dày màng mỏng: 300–600 nm
• Độ lệch độ dày: ≤ 40 nmĐộ nhám bề mặt

: ~0.19 nm RMS (kết quả kiểm tra trang 5)Kiểm soát lỗi

trang 8Lỗ rỗng (>10 μm):<80

• Hạt (>0.3 μm):
• Hiệu suất quang điện(Vπ·L): ~2.1 V·cm(trang 9):
• Phạm vi độ lệch độ dày: ~7.04 nm
• Lỗ rỗng:<100
  • Quy trình được tối ưu hóa liên tụcHiệu suất quang & quang điện
  • Dựa trên dữ liệu kiểm tra(

trang 8):Băng thông điều chế: >67 GHz

• Hiệu suất quang điện(Vπ·L): ~2.1 V·cmTổn hao quang học cực thấp
• (độ rộng vạch ~0.78 pm)Các đặc điểm này
• chứng minh sự phù hợp tuyệt vờicho các thiết bị quang tử tốc độ cao và tổn hao thấp

.

Ứng dụngMạch tích hợp quang tử (PICs)Bộ điều biến quang tốc độ cao (100G/400G/800G+)Quang tử vi sóngQuang phi tuyến (chuyển đổi tần số, OPO, v.v.)

• Quang tử lượng tử và cảm biến chính xác
• Ưu điểm chínhHiệu ứng quang điện Pockels mạnh mẽTổn hao truyền dẫn cực thấp
• Tích hợp dị thể tương thích CMOSSau khi hoàn thành quy trình cấy ion, bước tiếp theo là chuẩn bị đế sẽ đỡ màng lithium niobate mỏng. Đối với wafer LNOI, các vật liệu đế phổ biến bao gồm silicon (Si) hoặc chính lithium niobate (LN). Đế phải cung cấp hỗ trợ cơ học cho màng mỏng và đảm bảo sự ổn định lâu dài trong các bước xử lý tiếp theo.Các đặc tính của wafer LNOI

Việc chế tạo wafer Lithium Niobate trên Chất cách điện (LNOI) bao gồm một loạt các bước phức tạp kết hợp khoa học vật liệu và các kỹ thuật chế tạo tiên tiến. Quy trình nhằm tạo ra một màng lithium niobate (LiNbO₃) mỏng, chất lượng cao được ghép lên một đế cách điện, chẳng hạn như silicon hoặc chính lithium niobate. Dưới đây là giải thích chi tiết về quy trình:Bước 1: Cấy ion Bước đầu tiên trong sản xuất wafer LNOI là cấy ion. Một tinh thể lithium niobate khối được xử lý bằng các ion heli (He) năng lượng cao được đưa vào bề mặt của nó. Máy cấy ion tăng tốc các ion heli, chúng xuyên qua tinh thể lithium niobate đến một độ sâu nhất định.Năng lượng của các ion heli được kiểm soát cẩn thận để đạt được độ sâu mong muốn trong tinh thể. Khi các ion di chuyển qua tinh thể, chúng tương tác với cấu trúc mạng của vật liệu, gây ra sự xáo trộn nguyên tử dẫn đến sự hình thành một mặt phẳng yếu, được gọi là "lớp cấy". Lớp này cuối cùng sẽ cho phép tinh thể tách thành hai lớp riêng biệt, trong đó lớp trên cùng (được gọi là Lớp A) trở thành màng lithium niobate mỏng cần thiết cho LNOI.Độ dày của màng mỏng này bị ảnh hưởng trực tiếp bởi độ sâu cấy, được kiểm soát bởi năng lượng của các ion heli. Các ion tạo ra phân bố Gaussian tại giao diện, điều này rất quan trọng để đảm bảo tính đồng nhất trong màng cuối cùng.Bước 2: Chuẩn bị đếSau khi hoàn thành quy trình cấy ion, bước tiếp theo là chuẩn bị đế sẽ đỡ màng lithium niobate mỏng. Đối với wafer LNOI, các vật liệu đế phổ biến bao gồm silicon (Si) hoặc chính lithium niobate (LN). Đế phải cung cấp hỗ trợ cơ học cho màng mỏng và đảm bảo sự ổn định lâu dài trong các bước xử lý tiếp theo.Để chuẩn bị đế, một lớp cách điện SiO₂ (silicon dioxide) thường được lắng đọng lên bề mặt của đế silicon bằng các kỹ thuật như oxy hóa nhiệt hoặc PECVD (Lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma). Lớp này đóng vai trò là môi trường cách điện giữa màng lithium niobate và đế silicon. Trong một số trường hợp, nếu lớp SiO₂ không đủ mịn, một quy trình Đánh bóng Hóa học Cơ học (CMP) được áp dụng để đảm bảo bề mặt đồng nhất và sẵn sàng cho quy trình ghép.Bước 3: Ghép màng mỏngSau khi chuẩn bị đế, bước tiếp theo là ghép màng lithium niobate mỏng (Lớp A) lên đế. Tinh thể lithium niobate, sau khi cấy ion, được lật ngược 180 độ và đặt lên đế đã chuẩn bị. Quy trình ghép thường được thực hiện bằng kỹ thuật ghép wafer.

Trong ghép wafer, cả tinh thể lithium niobate và đế đều chịu áp suất và nhiệt độ cao, làm cho hai bề mặt bám dính mạnh mẽ. Quy trình ghép trực tiếp thường không yêu cầu bất kỳ vật liệu kết dính nào, và các bề mặt được ghép ở cấp độ phân tử. Đối với mục đích nghiên cứu, benzocyclobutene (BCB) có thể được sử dụng làm vật liệu ghép trung gian để cung cấp hỗ trợ bổ sung, mặc dù nó thường không được sử dụng trong sản xuất thương mại do tính ổn định lâu dài hạn chế của nó.

• Bước 4: Ủ và tách lớp
• Sau quy trình ghép, wafer đã ghép trải qua quá trình ủ. Ủ rất quan trọng để cải thiện độ bền liên kết giữa lớp lithium niobate và đế, cũng như để sửa chữa bất kỳ hư hỏng nào do quy trình cấy ion gây ra.
• Trong quá trình ủ, wafer đã ghép được nung nóng đến một nhiệt độ nhất định và duy trì ở nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian nhất định. Quá trình này không chỉ tăng cường các liên kết giao diện mà còn tạo ra các bong bóng siêu nhỏ trong lớp cấy ion. Các bong bóng này dần dần làm cho lớp lithium niobate (Lớp A) tách ra khỏi tinh thể lithium niobate khối ban đầu (Lớp B).
• Sau khi xảy ra sự tách biệt, các dụng cụ cơ khí được sử dụng để tách hai lớp ra, để lại một màng lithium niobate mỏng, chất lượng cao (Lớp A) trên đế. Nhiệt độ được giảm dần về nhiệt độ phòng, hoàn thành quá trình ủ và tách lớp.
• Bước 5: Làm phẳng CMP

Sau khi tách lớp lithium niobate, bề mặt của wafer LNOI thường gồ ghề và không bằng phẳng. Để đạt được chất lượng bề mặt yêu cầu, wafer trải qua quy trình Đánh bóng Hóa học Cơ học (CMP) cuối cùng. CMP làm mịn bề mặt của wafer, loại bỏ mọi độ nhám còn sót lại và đảm bảo màng mỏng phẳng.

• Quy trình CMP là cần thiết để có được lớp hoàn thiện chất lượng cao trên wafer, điều này rất quan trọng cho việc chế tạo thiết bị tiếp theo. Bề mặt được đánh bóng đến một mức rất mịn, thường có độ nhám (Rq) dưới 0,5 nm như đo bằng Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM).
• Hỏi & Đáp
• 1. Hỏi: Lithium tantalate có giống lithium niobate không?
• Không.

Lithium tantalate (LiTaO₃) và lithium niobate (LiNbO₃) là các vật liệu riêng biệt với thành phần hóa học khác nhau (Ta so với Nb) nhưng chia sẻ cấu trúc tinh thể tương tự (nhóm không gian R3c) và các đặc tính sắt điện.2. Hỏi: Lithium niobate có phải là perovskite không?

Không.

Lithium niobate kết tinh trong cấu trúc phi perovskite (nhóm không gian R3c), khác với cấu trúc perovskite ABX₃ điển hình.

Tuy nhiên, nó thể hiện hành vi sắt điện giống perovskite do khung bát diện oxy giống ABO₃ của nó.