ویفرهای LNOI 2/3/4/6/8 اینچی (Si/LiNbO₃، قابل تنظیم) دستگاه‌های فوتونیک

معرفی

کریستال‌های LiNbO3 به طور گسترده به عنوان دوبرابر کننده فرکانس برای طول موج‌های > 1 میکرومتر و نوسانگرهای پارامتری نوری (OPO) که در 1064 نانومتر پمپ می‌شوند و همچنین دستگاه‌های شبه فاز منطبق (QPM) استفاده می‌شوند. به دلیل ضریب‌های الکترو-نوری (E-O) و آکوستو-نوری (A-O) بزرگ آن، کریستال LiNbO3 متداول‌ترین ماده مورد استفاده برای سلول‌های Pockel، کلیدهای Q و مدولاتورهای فاز، بستر موجبر و ویفرهای امواج صوتی سطحی (SAW) و غیره است.

تجربه فراوان ما در رشد و تولید انبوه برای درجه نوری لیتیوم نیوبات هم روی شمش و هم روی ویفرها. ما مجهز به امکانات پیشرفته در رشد کریستال، برش، لاپینگ ویفر، پولیش و بررسی هستیم، تمام محصولات نهایی در آزمایش دمای کوری و بازرسی QC قبول شده‌اند. تمام ویفرها تحت کنترل کیفیت دقیق و بازرسی قرار دارند. و همچنین تحت تمیز کردن سطح دقیق و کنترل صافی نیز قرار دارند.

مشخصات

ساخت ویفرهای لیتیوم نیوبات روی عایق (LNOI) شامل یک سری مراحل پیچیده است که علم مواد و تکنیک‌های ساخت پیشرفته را ترکیب می‌کند. این فرآیند با هدف ایجاد یک لایه نازک و با کیفیت بالا از لیتیوم نیوبات (LiNbO₃) است که به یک بستر عایق، مانند سیلیکون یا خود لیتیوم نیوبات، متصل شده است. در ادامه توضیح مفصلی از این فرآیند آمده است:

مرحله 1: کاشت یون

اولین گام در تولید ویفرهای LNOI شامل کاشت یون است. یک کریستال لیتیوم نیوبات حجیم در معرض یون‌های هلیوم (He) با انرژی بالا قرار می‌گیرد که به سطح آن تزریق می‌شود. دستگاه کاشت یون، یون‌های هلیوم را شتاب می‌دهد که به کریستال لیتیوم نیوبات تا عمق مشخصی نفوذ می‌کنند.

انرژی یون‌های هلیوم با دقت کنترل می‌شود تا به عمق مورد نظر در کریستال برسد. همانطور که یون‌ها از میان کریستال عبور می‌کنند، با ساختار شبکه‌ای ماده تعامل می‌کنند و باعث اختلالات اتمی می‌شوند که منجر به تشکیل یک صفحه ضعیف شده می‌شود که به عنوان "لایه کاشت" شناخته می‌شود. این لایه در نهایت به کریستال اجازه می‌دهد تا به دو لایه مجزا تقسیم شود، جایی که لایه بالایی (که به عنوان لایه A شناخته می‌شود) به لایه نازک لیتیوم نیوبات مورد نیاز برای LNOI تبدیل می‌شود.

ضخامت این لایه نازک مستقیماً تحت تأثیر عمق کاشت است که توسط انرژی یون‌های هلیوم کنترل می‌شود. یون‌ها یک توزیع گاوسی را در رابط تشکیل می‌دهند که برای اطمینان از یکنواختی در فیلم نهایی بسیار مهم است.

مرحله 2: آماده‌سازی بستر

هنگامی که فرآیند کاشت یون کامل شد، گام بعدی آماده‌سازی بستری است که از لایه نازک لیتیوم نیوبات پشتیبانی می‌کند. برای ویفرهای LNOI، مواد بستر رایج شامل سیلیکون (Si) یا خود لیتیوم نیوبات (LN) است. بستر باید پشتیبانی مکانیکی را برای لایه نازک فراهم کند و پایداری طولانی مدت را در طول مراحل پردازش بعدی تضمین کند.

برای آماده‌سازی بستر، یک لایه عایق SiO₂ (سیلیکون دی‌اکسید) معمولاً با استفاده از تکنیک‌هایی مانند اکسیداسیون حرارتی یا PECVD (رسوب بخار شیمیایی پلاسما-افزایش یافته) روی سطح بستر سیلیکونی رسوب داده می‌شود. این لایه به عنوان واسطه عایق بین لایه لیتیوم نیوبات و بستر سیلیکونی عمل می‌کند. در برخی موارد، اگر لایه SiO₂ به اندازه کافی صاف نباشد، یک فرآیند پولیش مکانیکی شیمیایی (CMP) اعمال می‌شود تا اطمینان حاصل شود که سطح یکنواخت است و برای فرآیند اتصال آماده است.

مرحله 3: اتصال لایه نازک

پس از آماده‌سازی بستر، گام بعدی اتصال لایه نازک لیتیوم نیوبات (لایه A) به بستر است. کریستال لیتیوم نیوبات، پس از کاشت یون، 180 درجه برگردانده شده و روی بستر آماده شده قرار می‌گیرد. فرآیند اتصال معمولاً با استفاده از تکنیک اتصال ویفر انجام می‌شود.

در اتصال ویفر، هم کریستال لیتیوم نیوبات و هم بستر تحت فشار و دمای بالا قرار می‌گیرند که باعث می‌شود دو سطح به شدت به هم بچسبند. فرآیند اتصال مستقیم معمولاً به هیچ ماده چسبنده‌ای نیاز ندارد و سطوح در سطح مولکولی به هم متصل می‌شوند. برای اهداف تحقیقاتی، بنزوسیکلوبوتن (BCB) ممکن است به عنوان یک ماده اتصال واسطه برای ارائه پشتیبانی اضافی استفاده شود، اگرچه معمولاً در تولید تجاری به دلیل پایداری محدود طولانی مدت آن استفاده نمی‌شود.

مرحله 4: بازپخت و جداسازی لایه

پس از فرآیند اتصال، ویفر متصل شده تحت یک عملیات بازپخت قرار می‌گیرد. بازپخت برای بهبود استحکام پیوند بین لایه لیتیوم نیوبات و بستر و همچنین برای ترمیم هرگونه آسیب ناشی از فرآیند کاشت یون بسیار مهم است.

در طول بازپخت، ویفر متصل شده تا دمای مشخصی گرم می‌شود و برای مدت زمان معینی در آن دما نگه داشته می‌شود. این فرآیند نه تنها پیوندهای بین سطحی را تقویت می‌کند، بلکه باعث ایجاد میکروحباب‌ها در لایه کاشت یون نیز می‌شود. این حباب‌ها به تدریج باعث می‌شوند که لایه لیتیوم نیوبات (لایه A) از کریستال لیتیوم نیوبات حجیم اصلی (لایه B) جدا شود.

هنگامی که جداسازی رخ داد، از ابزارهای مکانیکی برای جدا کردن دو لایه استفاده می‌شود و یک لایه نازک و با کیفیت بالا از لیتیوم نیوبات (لایه A) روی بستر باقی می‌ماند. دما به تدریج به دمای اتاق کاهش می‌یابد و فرآیند بازپخت و جداسازی لایه کامل می‌شود.

مرحله 5: مسطح‌سازی CMP

پس از جداسازی لایه لیتیوم نیوبات، سطح ویفر LNOI معمولاً ناهموار است. برای دستیابی به کیفیت سطح مورد نیاز، ویفر تحت یک فرآیند پولیش مکانیکی شیمیایی (CMP) نهایی قرار می‌گیرد. CMP سطح ویفر را صاف می‌کند، هرگونه ناهمواری باقی‌مانده را از بین می‌برد و اطمینان حاصل می‌کند که لایه نازک مسطح است.

فرآیند CMP برای به دست آوردن یک سطح با کیفیت بالا روی ویفر ضروری است که برای ساخت دستگاه‌های بعدی بسیار مهم است. سطح تا یک سطح بسیار ریز پولیش می‌شود، اغلب با زبری (Rq) کمتر از 0.5 نانومتر که توسط میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) اندازه‌گیری می‌شود.

کاربردهای ویفر LNOI

ویفرهای LNOI (لیتیوم نیوبات روی عایق) به دلیل خواص استثنایی خود، از جمله ضریب‌های نوری غیرخطی بالا و ویژگی‌های مکانیکی قوی، در طیف گسترده‌ای از کاربردهای پیشرفته مورد استفاده قرار می‌گیرند. در اپتیک یکپارچه، ویفرهای LNOI برای ایجاد دستگاه‌های فوتونیکی مانند مدولاتورها، موجبرها و تشدیدگرها ضروری هستند که برای دستکاری نور در مدارهای مجتمع بسیار مهم هستند. در مخابرات، ویفرهای LNOI به طور گسترده در مدولاتورهای نوری استفاده می‌شوند که امکان انتقال داده با سرعت بالا را در شبکه‌های فیبر نوری فراهم می‌کنند. در زمینه محاسبات کوانتومی، ویفرهای LNOI نقش حیاتی در تولید جفت فوتون‌های درهم‌تنیده ایفا می‌کنند که برای توزیع کلید کوانتومی (QKD) و ارتباطات امنیتی اساسی هستند. علاوه بر این، ویفرهای LNOI در کاربردهای مختلف حسگر استفاده می‌شوند، جایی که برای ایجاد حسگرهای نوری و صوتی بسیار حساس برای نظارت بر محیط زیست، تشخیص پزشکی و فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شوند. این کاربردهای متنوع، ویفرهای LNOI را به یک ماده کلیدی در توسعه فناوری‌های نسل بعدی در چندین زمینه تبدیل می‌کند.