Overzicht

LNOI (Lithium Niobaat op Isolator) is een hoogwaardig fotonisch materiaal platform , mogelijk gemaakt door heterogene integratie op wafer-niveau. Het bestaat uit een enkele-kristal lithium niobaat (LN) dunne film gebonden op een isolerende oxide laag: SiO₂ (2-15 μm)combineert uitstekende elektro-optische, niet-lineaire optische en lage-verliesapparaten eigenschappen , waardoor het een sleutelmateriaal is voor fotonische geïntegreerdecircuits (PIC's) van de volgende generatie.       

Structuur &

SpecificatiesZoals

geïllustreerd op pagina 3 van de PDF, heeft de LNOI-wafer een drielaagse structuur: SiO₂ (2-15 μm)Bovenste

• laag: SiO₂ (2-15 μm)Middelste
• laag: SiO₂ (2-15 μm)Onderste substraat
• : Si, SiC, Saffier, of KwartsBeschikbare

configuraties:Wafergrootte: 4-inch / 6-inch / 8-inch (schaalbare roadmap)

• Kristal
• oriëntatie : Z-cut, X-cut, Y-cut, geroteerde Y-cutDoping
• opties: MgO (5 mol%), Er (1 mol%), etc.Belangrijkste Prestatie-

ParametersVoor

8-inch wafers (zie pagina 6):Dikke-film dikte: 300-600 nm

• Dikte
• variatie bereik: ~7,04 nmOppervlakte
• ruwheid: ~0,19 nm RMS (pagina 5 testresultaat) Defect
• controle:Luchtbellen (>10 μm):
  • <80Deeltjes (>0,3 μm):
  • <200Voor

8-inch wafers (pagina 9):Dikte

• variatie bereik: ~7,04 nmLuchtbellen:
• <100Proces
• continu geoptimaliseerdOptische & Elektro-optische Prestaties

Gebaseerd op test

gegevens (pagina 8):Modulatiebandbreedte: >67 GHz

• Elektro-optische
• efficiëntie (Vπ·L): ~2,1 V·cmUltra-lage optische
• verliesapparatenDeze

kenmerkentonen uitstekende geschiktheid aan voor snelle en verliesarme fotonische apparaten.ToepassingenFotonische Geïntegreerde Circuits (PIC's)

Hoge-snelheid optische modulatoren (100G/400G/800G+)

• Microgolf fotonica
• Niet-lineaire optica (frequentieconversie, OPO, etc.)
• Kwantum fotonica en precisiesensoren
• Belangrijkste Voordelen
• Sterk Pockels elektro-optisch effect

Ultra-lage propagatieverlies

• CMOS-compatibele heterogene integratie
• Schaalbaar naar grote wafergroottes (tot 8-inch)
• Eigenschappen​​ van
• LNOI Wafer

De fabricage van Lithium Niobaat op Isolator (LNOI) wafers omvat een geavanceerde reeks stappen die materiaalwetenschap en geavanceerde fabricagetechnieken combineren. Het proces is gericht op het creëren van een dunne, hoogwaardige lithium niobaat (LiNbO₃) film gebonden aan een isolerend substraat, zoals silicium of lithium niobaat zelf. Het volgende is een gedetailleerde uitleg van het proces:Stap 1: Ionimplantatie

De eerste stap in de productie van LNOI-wafers omvat ionimplantatie. Een bulk lithium niobaat kristal wordt onderworpen aan hoogenergetische helium (He) ionen die in het oppervlak worden geïnjecteerd. De ionimplantatiemachine versnelt de heliumionen, die het lithium niobaat kristal tot een specifieke diepte binnendringen.

De energie van de heliumionen wordt zorgvuldig gecontroleerd om de gewenste diepte in het kristal te bereiken. Terwijl de ionen door het kristal reizen, interageren ze met de roosterstructuur van het materiaal, wat atomische verstoringen veroorzaakt die leiden tot de vorming van een verzwakte laag, bekend als de "implantatielaag". Deze laag zal uiteindelijk het kristal in staat stellen om in twee afzonderlijke lagen te worden gespleten, waarbij de bovenste laag (aangeduid als Laag A) de dunne lithium niobaat film wordt die nodig is voor LNOI.

De dikte van deze dunne film wordt direct beïnvloed door de implantatiediepte, die wordt gecontroleerd door de energie van de heliumionen. De ionen vormen een Gaussische verdeling aan de interface, wat cruciaal is voor het waarborgen van uniformiteit in de uiteindelijke film.

Stap 2: Substraatvoorbereiding

Zodra het ionimplantatieproces is voltooid, is de volgende stap het voorbereiden van het substraat dat de dunne lithium niobaat film zal ondersteunen. Voor LNOI-wafers zijn veelvoorkomende substraatmateriaal silicium (Si) of lithium niobaat (LN) zelf. Het substraat moet mechanische ondersteuning bieden voor de dunne film en zorgen voor langdurige stabiliteit tijdens de daaropvolgende verwerkingsstappen.

Om het substraat voor te bereiden, wordt doorgaans een SiO₂ (siliciumdioxide) isolatielaag op het oppervlak van het siliciumsubstraat afgezet met behulp van technieken zoals thermische oxidatie of PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Deze laag dient als het isolerende medium tussen de lithium niobaat film en het siliciumsubstraat. In sommige gevallen, als de SiO₂ laag niet voldoende glad is, wordt een Chemical Mechanical Polishing (CMP) proces toegepast om ervoor te zorgen dat het oppervlak uniform is en klaar voor het bindingsproces.

Stap 3: Dunne-film binding

Na het voorbereiden van het substraat is de volgende stap het binden van de dunne lithium niobaat film (Laag A) aan het substraat. Het lithium niobaat kristal, na ionimplantatie, wordt 180 graden gedraaid en op het voorbereide substraat geplaatst. Het bindingsproces wordt doorgaans uitgevoerd met behulp van een waferbindingsmethode.

Bij waferbinding worden zowel het lithium niobaat kristal als het substraat onderworpen aan hoge druk en temperatuur, waardoor de twee oppervlakken sterk aan elkaar hechten. Het directe bindingsproces vereist doorgaans geen kleefstoffen, en de oppervlakken worden op moleculair niveau gebonden. Voor onderzoeksdoeleinden kan benzocyclobuteen (BCB) worden gebruikt als een tussenliggend bindingsmateriaal om extra ondersteuning te bieden, hoewel het doorgaans niet wordt gebruikt in commerciële productie vanwege de beperkte langdurige stabiliteit.

Stap 4: Annealing en Laag Splitsing

Na het bindingsproces ondergaat de gebonden wafer een gloeibehandeling. Gloeien is cruciaal voor het verbeteren van de bindingssterkte tussen de lithium niobaat laag en het substraat, evenals voor het herstellen van eventuele schade veroorzaakt door het ionimplantatieproces.

Tijdens het gloeien wordt de gebonden wafer verwarmd tot een specifieke temperatuur en gedurende een bepaalde tijd op die temperatuur gehouden. Dit proces versterkt niet alleen de interfaciale bindingen, maar induceert ook de vorming van microbellen in de geïmplanteerde laag. Deze bellen veroorzaken geleidelijk de scheiding van de lithium niobaat laag (Laag A) van het oorspronkelijke bulk lithium niobaat kristal (Laag B).

Zodra de scheiding plaatsvindt, worden mechanische gereedschappen gebruikt om de twee lagen uit elkaar te klieven, waardoor een dunne, hoogwaardige lithium niobaat film (Laag A) op het substraat achterblijft. De temperatuur wordt geleidelijk verlaagd tot kamertemperatuur, waarmee het gloei- en laagafscheidingsproces wordt voltooid.

Stap 5: CMP Planarisatie

Na de scheiding van de lithium niobaat laag is het oppervlak van de LNOI-wafer doorgaans ruw en ongelijk. Om de vereiste oppervlaktekwaliteit te bereiken, ondergaat de wafer een laatste Chemical Mechanical Polishing (CMP) proces. CMP maakt het oppervlak van de wafer glad, verwijdert eventuele resterende ruwheid en zorgt ervoor dat de dunne film vlak is.

Het CMP-proces is essentieel voor het verkrijgen van een hoogwaardige afwerking op de wafer, wat cruciaal is voor de daaropvolgende fabricage van apparaten. Het oppervlak wordt tot een zeer fijn niveau gepolijst, vaak met een ruwheid (Rq) van minder dan 0,5 nm gemeten met Atomic Force Microscopy (AFM).

V&A​

1. V: ​​Is lithium tantalaat hetzelfde als lithium niobaat?

A: Nee.Lithium tantalaat (LiTaO₃) en lithium niobaat (LiNbO₃) zijn verschillende materialen met verschillende chemische samenstellingen (Ta vs. Nb), maar delen een vergelijkbare kristalstructuur (R3c-ruimtegroep) en ferro-elektrische eigenschappen.

Het vertoont echter perovskiet-achtige ferro-elektrisch gedrag vanwege zijn ABO₃-achtige zuurstof octaëdrische raamwerk. ​​

A: Nee.Lithium niobaat kristalliseert in een ​​niet-perovskiet structuur​​ (R3c-ruimtegroep), verschillend van de canonieke ABX₃ perovskietstructuur.

Het vertoont echter perovskiet-achtige ferro-elektrisch gedrag vanwege zijn ABO₃-achtige zuurstof octaëdrische raamwerk.