مرور کلی

LNOI (لیتیوم نیوبات در عایق) یک ماده فوتونی با عملکرد بالا استپلتفرم فعالبا هیتروژنی سطح وافرهادغاماز يک...کریستالفیلم نازک لیتیوم نیوبات (LN)بسته شده به سمتاکسید عایق کنندهلایهو یک بستر پشتیبانی. این ساختارترکیب کننده هابرق نوری عالی، نوری غیرخطی، و کماز دست دادن انتقال خواص، که باعث می شه که مواد کلیدی برای نسل بعدی فوتونیکیکپارچه مدارها(PICs)

ساختارمشخصات

به عنوانتصویردرصفحه 3 از PDF، وافره LNOI سه...لایهساختار:

• بالالایه: LN فیلم نازک (300~600 نانومتر)
• وسطلایه: SiO2 (215 μm)
• زیربنای پایین: سی، سی سی، سفیر یا کوارتز

در دسترسپیکربندی:

• اندازه وفر: 4 اینچ / 6 اینچ / 8 اینچ (رشته راه مقیاس پذیر)
• کریستال جهت گیریز، اكس، وايچرخشY-cut
• استفاده از داروگزینه ها: MgO (5 mol) ، Er (1 mol) ، و غیره

عملکرد کلیدیپارامترها

برایوافرهای 6 اینچی(صفحه 6 را ببینید):

• ضخامت فیلم نازک: 300~600 نانومتر
• ضخامتتغییر: ≤ 40 نانومتر
• سطحخشکی: ~0.19 nm RMS (نتیجه آزمایش صفحه 5)
• نقصکنترل:
  • حفره ها (>10 μm): <80
  • ذرات (>0.3 μm): <200

برایوافرهای 8 اینچی(صفحه 9):

• ضخامتتغییرمحدوده: ~7.04 nm
• فضای خالی: <100
• فرآیند به طور مداومبهینه شده

عملکرد نوری و الکترو نوری

بر اساس آزمایشاطلاعات(صفحه 8):

• پهنای باند تعدیل: >67 گیگاهرتز
• الکترو اپتیککارایی(Vπ·L): ~2.1 V·cm
• نوری بسیار کماز دست دادن(عرض خط ~ 0.78 pm)

اينهاویژگی ها نشان بدهعالیمناسب بودنبرای سرعت بالا و پاییناز دست دادنفوتونیکدستگاه ها.

درخواست ها

• مدارهای یکپارچه فوتونیک (PIC)
• ماژولاتورهای نوری با سرعت بالا (100G/400G/800G+)
• فوتونیک مایکروویو
• نوری غیر خطی (تغییر فرکانس، OPO و غیره)
• فوتونیک کوانتومی و سنجش دقیق

مزیت های اصلی

• اثر الکترو اپتیک Pockels قوی
• از دست دادن تکثیر بسیار کم
• یکپارچگی ناهمگن سازگار با CMOS
• مقیاس پذیر به اندازه های بزرگ وافر (تا 8 اینچ)

خواصوفر LNOI

ساخت لیتیوم نیوبات بر روی گره های عایق کننده (LNOI) شامل یک سری مراحل پیچیده است که علوم مواد و تکنیک های تولید پیشرفته را ترکیب می کند.هدف از این فرآیند ایجاد یک، یک فیلم لیتیوم نیوبات (LiNbO3) با کیفیت بالا به یک زیربنای عایق مانند سیلیکون یا خود لیتیوم نیوبات متصل می شود. در زیر توضیح دقیق فرآیند است:

مرحله ۱: کاشت یون

اولین مرحله در تولید وافرهای LNOI شامل کاشت یون است. یک کریستال لیتیوم نیوبات عمده تحت یون های هیلیوم (He) با انرژی بالا قرار می گیرد که به سطح آن تزریق می شود.دستگاه کاشت يون ها يون هاي هليوم رو تسريع ميکنه، که به کریستال نیوبات لیتیوم تا عمق مشخصی نفوذ می کنند.

انرژی یون های هلیوم به دقت کنترل می شود تا به عمق مورد نظر در کریستال برسد.که باعث اختلال اتمی می شود که منجر به تشکیل یک هواپیما ضعیف می شود، که به عنوان "طبقه کاشت" شناخته می شود. این لایه در نهایت اجازه می دهد کریستال به دو لایه متمایز تقسیم شود،که در آن لایه بالای (به عنوان لایه A شناخته می شود) فیلم نازک لیتیوم نیوبات مورد نیاز برای LNOI می شود..

ضخامت این فیلم نازک به طور مستقیم تحت تاثیر عمق کاشت قرار می گیرد که توسط انرژی یون های هلیوم کنترل می شود. یون ها در رابط توزیع گاوس را تشکیل می دهند،که برای تضمین یکنواخت در فیلم نهایی بسیار مهم است..

مرحله ۲: آماده سازی بستر

هنگامی که فرآیند کاشت یون تکمیل شود، مرحله بعدی آماده سازی بستر است که فیلم نازک لیتیوم نیوبات را پشتیبانی می کند.مواد متداول بستر شامل سیلیکون (Si) یا نیوبات لیتیوم (LN) خود است.بستر باید پشتیبانی مکانیکی از فیلم نازک را فراهم کند و ثبات طولانی مدت را در مراحل پردازش بعدی تضمین کند.

برای آماده کردن بستر، a SiO₂ (silicon dioxide) insulating layer is typically deposited onto the surface of the silicon substrate using techniques such as thermal oxidation or PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)این لایه به عنوان محیط عایق بین فیلم لیتیوم نیوبات و بستر سیلیکون عمل می کند. در برخی موارد اگر لایه SiO2 به اندازه کافی صاف نباشد،یک فرآیند پولیش شیمیایی مکانیکی (CMP) برای اطمینان از یکنواخت بودن سطح و آماده شدن برای فرآیند چسبندگی اعمال می شود..

مرحله سوم: پیوند فیلم نازک

پس از آماده سازی بستر، مرحله بعدی پیوند فیلم نازک لیتیوم نیوبات (طبقه A) به بستر است. کریستال لیتیوم نیوبات، پس از کاشت یون،180 درجه برگردانده و روی بستر آماده قرار داده می شود.فرآیند پیوند به طور معمول با استفاده از تکنیک پیوند وافر انجام می شود.

در پیوند وافر، هر دو کریستال نیوبات لیتیوم و بستر تحت فشار و دمای بالا قرار می گیرند، که باعث می شود دو سطح به شدت به هم چسبند.فرآیند اتصال مستقیم معمولاً نیازی به مواد چسبنده نداردبرای اهداف تحقیقاتی، بنزوسیکلوبوتن (BCB) می تواند به عنوان یک ماده اتصال میانگین برای ارائه پشتیبانی اضافی استفاده شود.اگرچه به دلیل ثبات طولانی مدت محدود آن معمولاً در تولید تجاری استفاده نمی شود.

مرحله ۴: آنلی کردن و جدا کردن لایه ها

پس از فرآیند اتصال، وافره متصل شده تحت یک درمان انیلاینگ قرار می گیرد. انیلاینگ برای بهبود قدرت پیوند بین لایه نیوبات لیتیوم و بستر بسیار مهم است.و همچنین برای ترمیم هر گونه آسیب ناشی از فرآیند کاشت یون.

در طول گرم کردن، وافرهای بسته شده به دمای خاصی گرم می شوند و برای مدت معینی در این دمای نگهداری می شوند.این فرآیند نه تنها پیوند های رابط را تقویت می کند بلکه باعث تشکیل حباب های کوچک در لایه ایون شده می شوداین حباب ها به تدریج باعث جدا شدن لایه نیوبات لیتیوم (Layer A) از کریستال اصلی لیتیوم نیوبات (Layer B) می شوند.

هنگامی که جدایی اتفاق می افتد، از ابزارهای مکانیکی برای جدا کردن دو لایه استفاده می شود، و یک فیلم نازک و با کیفیت لیتیوم نیوبات (Layer A) را بر روی بستر باقی می گذارد.درجه حرارت به تدریج به درجه حرارت اتاق کاهش می یابد، به اتمام رساندن فرآیند گرم کردن و جدا کردن لایه.

مرحله پنجم: CMP Planarization

پس از جدا شدن لایه نیوبات لیتیوم، سطح وافر LNOI به طور معمول خشن و نابرابر است.وافر از یک فرآیند نهایی پولیش شیمیایی مکانیکی (CMP) عبور می کند.. CMP سطح وافر را صاف می کند و هر گونه خشکی باقی مانده را از بین می برد و اطمینان حاصل می کند که فیلم نازک مسطح است.

فرآیند CMP برای به دست آوردن یک پایان با کیفیت بالا در وفر ضروری است، که برای ساخت دستگاه بعدی حیاتی است. سطح به سطح بسیار ظریف شیک می شود،اغلب با خشکی (Rq) کمتر از 0.5 nm که با میکروسکوپی نیروی اتمی (AFM) اندازه گیری شده است.

1س: آیا تانتالات لیتیوم با نیوبات لیتیوم یکسان است؟​​

جواب: نه تانتالات لیتیوم (LiTaO3) و نیوبات لیتیوم (LiNbO3) مواد متمایزی با ترکیبات شیمیایی متفاوت هستند (Ta در مقابلNb) اما ساختار کریستالی مشابه (گروه فضایی R3c) و خواص فرو الکتریکی دارند.

2س: آیا نیوبات لیتیوم پرووسکیت است؟​​

جواب: نه نیوبات لیتیوم در یک ساختار غیر پرووسکیتی (گروه فضایی R3c) کریستالیزه می شود که با ساختار پرووسکیتی ABX3 متفاوت است. با این حال، به دلیل چارچوب اکتایدری اکسیژن مانند ABO3 ، رفتار فیرو الکتریکی مانند پرووسکیت را نشان می دهد.