نمای کلی

LNOI (لیتیوم نیوبات روی عایق) یک ماده فوتونیک با کارایی بالا استپلت فرم فعال شدتوسط ناهمگن در سطح ویفرادغام. از یک واحد تشکیل شده استکریستاللایه نازک لیتیوم نیوبات (LN).پیوند خورده است بر روییک اکسید عایقلایهو یک بستر نگهدارنده این ساختارترکیب می کندالکترواپتیک عالی، نوری غیرخطی و کماز دست دادن انتقال خواصو آن را به ماده ای کلیدی برای نسل بعدی فوتونیک تبدیل می کندیکپارچه شده است مدارها(عکس ها).

ساختار ومشخصات

همانطور کهنشان داده شده استدرصفحه 3 PDFویفر LNOI دارای سهلایهساختار:

• بالالایه: لایه نازک LN (300-600 نانومتر)
• وسطلایه: SiO2 (2-15 میکرومتر)
• بستر پایین: Si، SiC، یاقوت کبود یا کوارتز

موجود استتنظیمات:

• اندازه ویفر: 4 اینچ / 6 اینچ / 8 اینچ (نقشه راه مقیاس پذیر)
• کریستال جهت گیری: Z-cut، X-cut، Y-cut،چرخیدبرش Y
• دوپینگگزینه ها: MgO (5 mol%)، Er (1 mol%) و غیره.

عملکرد کلیدیپارامترها

برایویفر 6 اینچی(صفحه 6 را ببینید):

• ضخامت لایه نازک: 300-600 نانومتر
• ضخامتتنوع: ≤ 40 نانومتر
• سطحزبری: ~0.19 نانومتر RMS (نتیجه آزمایش صفحه 5)
• نقصکنترل:
  • فضاهای خالی (> 10 میکرومتر): <80
  • ذرات (> 0.3 میکرومتر): <200

برایویفر 8 اینچی(صفحه 9):

• ضخامتتنوعمحدوده: ~7.04 نانومتر
• فضای خالی: <100
• فرآیند به طور مداومبهینه شده

عملکرد نوری و الکترواپتیکی

بر اساس تستداده ها(صفحه 8):

• پهنای باند مدولاسیون: > 67 گیگاهرتز
• الکترواپتیکبهره وری(Vπ·L): ~2.1 V·cm
• نوری بسیار کماز دست دادن(عرض خط ~ 0.78 بعد از ظهر)

اینهاویژگی ها نشان دادنعالیمناسب بودنبرای سرعت بالا و پاییناز دست دادنفوتونیکدستگاه ها.

برنامه های کاربردی

• مدارهای مجتمع فوتونیک (PIC)
• مدولاتورهای نوری پرسرعت (100G/400G/800G+)
• فوتونیک مایکروویو
• اپتیک غیرخطی (تبدیل فرکانس، OPO و غیره)
• فوتونیک کوانتومی و سنجش دقیق

مزایای کلیدی

• اثر الکترواپتیک Pockels قوی
• تلفات انتشار بسیار کم
• ادغام ناهمگن سازگار با CMOS
• مقیاس پذیر تا اندازه های بزرگ ویفر (تا 8 اینچ)

خواص ازویفر LNOI

ساخت ویفرهای لیتیوم نیوبات روی عایق (LNOI) شامل یک سری مراحل پیچیده است که علم مواد و تکنیک های ساخت پیشرفته را ترکیب می کند. هدف این فرآیند ایجاد یک لایه نازک و با کیفیت لیتیوم نیوبات (LiNbO3) است که به یک بستر عایق مانند سیلیکون یا خود لیتیوم نیوبات متصل شده است. در زیر توضیح مفصلی از این فرآیند ارائه شده است:

مرحله 1: کاشت یون

اولین مرحله در تولید ویفرهای LNOI شامل کاشت یون است. یک کریستال لیتیوم نیوبات در معرض یون های پرانرژی هلیوم (He) قرار می گیرد که به سطح آن تزریق می شود. دستگاه کاشت یون، یون های هلیوم را که به کریستال نیوبات لیتیوم تا عمق خاصی نفوذ می کنند، تسریع می کند.

انرژی یون های هلیوم به دقت کنترل می شود تا به عمق مورد نظر در کریستال برسد. همانطور که یون ها از طریق کریستال حرکت می کنند، با ساختار شبکه ای ماده تعامل می کنند و باعث اختلالات اتمی می شوند که منجر به تشکیل صفحه ضعیف شده ای می شود که به "لایه کاشت" معروف است. این لایه در نهایت به کریستال اجازه می دهد تا به دو لایه مجزا تقسیم شود، جایی که لایه بالایی (که به عنوان لایه A نامیده می شود) به فیلم نازک لیتیوم نیوبات مورد نیاز برای LNOI تبدیل می شود.

ضخامت این لایه نازک مستقیماً تحت تأثیر عمق کاشت است که توسط انرژی یون های هلیوم کنترل می شود. یون ها یک توزیع گاوسی را در سطح مشترک تشکیل می دهند که برای اطمینان از یکنواختی در فیلم نهایی بسیار مهم است.

مرحله 2: آماده سازی بستر

هنگامی که فرآیند کاشت یون کامل شد، مرحله بعدی آماده سازی بستری است که از لایه نازک لیتیوم نیوبات پشتیبانی می کند. برای ویفرهای LNOI، مواد بستر متداول شامل سیلیکون (Si) یا لیتیوم نیوبات (LN) است. بستر باید پشتیبانی مکانیکی را برای لایه نازک فراهم کند و از پایداری طولانی مدت در طی مراحل پردازش بعدی اطمینان حاصل کند.

برای تهیه زیرلایه، یک لایه عایق SiO2 (دی اکسید سیلیکون) به طور معمول با استفاده از تکنیک هایی مانند اکسیداسیون حرارتی یا PECVD (رسوبدهی بخار شیمیایی با افزایش پلاسما) بر روی سطح بستر سیلیکون قرار می گیرد. این لایه به عنوان محیط عایق بین فیلم لیتیوم نیوبات و بستر سیلیکونی عمل می کند. در برخی موارد، اگر لایه SiO2 به اندازه کافی صاف نباشد، یک فرآیند پولیش مکانیکی شیمیایی (CMP) اعمال می شود تا اطمینان حاصل شود که سطح یکنواخت و آماده برای فرآیند پیوند است.

مرحله 3: چسباندن لایه نازک

پس از آماده سازی بستر، مرحله بعدی چسباندن لایه نازک لیتیوم نیوبات (لایه A) به بستر است. کریستال لیتیوم نیوبات، پس از کاشت یون، 180 درجه برگردانده شده و بر روی بستر آماده شده قرار می گیرد. فرآیند باندینگ معمولاً با استفاده از تکنیک پیوند ویفر انجام می شود.

در پیوند ویفری، هم کریستال نیوبات لیتیوم و هم زیرلایه تحت فشار و دمای بالایی قرار می گیرند که باعث می شود دو سطح به شدت به هم بچسبند. فرآیند پیوند مستقیم معمولاً نیازی به مواد چسبنده ندارد و سطوح در سطح مولکولی به هم متصل می شوند. برای اهداف تحقیقاتی، بنزوسیکلوبوتن (BCB) ممکن است به عنوان یک ماده پیوند میانی برای ارائه پشتیبانی اضافی استفاده شود، اگرچه معمولاً به دلیل پایداری طولانی مدت محدود در تولید تجاری استفاده نمی شود.

مرحله 4: بازپخت و تقسیم لایه

پس از فرآیند باندینگ، ویفر باند شده تحت عملیات بازپخت قرار می گیرد. بازپخت برای بهبود استحکام پیوند بین لایه لیتیوم نیوبات و زیرلایه و همچنین برای ترمیم هرگونه آسیب ناشی از فرآیند کاشت یون بسیار مهم است.

در طول بازپخت، ویفر چسبانده شده تا دمای خاصی گرم می شود و برای مدت معینی در آن دما نگهداری می شود. این فرآیند نه تنها پیوندهای سطحی را تقویت می کند، بلکه باعث ایجاد ریزحباب ها در لایه کاشته شده با یون می شود. این حباب ها به تدریج باعث جدا شدن لایه لیتیوم نیوبات (لایه A) از کریستال توده ای لیتیوم نیوبات (لایه B) می شوند.

هنگامی که جداسازی اتفاق می افتد، از ابزارهای مکانیکی برای جدا کردن دو لایه استفاده می شود و یک لایه نازک و با کیفیت لیتیوم نیوبات (لایه A) روی زیرلایه باقی می ماند. دما به تدریج به دمای اتاق کاهش می یابد و فرآیند بازپخت و جداسازی لایه ها تکمیل می شود.

مرحله 5: CMP Planarization

پس از جداسازی لایه لیتیوم نیوبات، سطح ویفر LNOI به طور معمول ناصاف و ناهموار است. برای دستیابی به کیفیت سطح مورد نیاز، ویفر تحت یک فرآیند نهایی پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP) قرار می گیرد. CMP سطح ویفر را صاف می کند، هرگونه زبری باقی مانده را از بین می برد و از صاف بودن لایه نازک اطمینان حاصل می کند.

فرآیند CMP برای به دست آوردن یک پرداخت با کیفیت بالا روی ویفر ضروری است، که برای ساخت دستگاه بعدی بسیار مهم است. سطح به سطح بسیار ریز پرداخت می شود، اغلب با زبری (Rq) کمتر از 0.5 نانومتر همانطور که توسط میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) اندازه گیری می شود.

1. س: آیا لیتیوم تانتالات همان لیتیوم نیوبات است؟است

ج: نه لیتیوم تانتالات (LiTaO3) و لیتیم نیوبات (LiNbO3) مواد متمایز با ترکیبات شیمیایی مختلف (Ta در مقابل Nb) هستند اما ساختار کریستالی مشابهی (گروه فضایی R3c) و خواص فروالکتریک دارند.

2. س: آیا لیتیوم نیوبات پروسکایت است؟است

ج: نه لیتیوم نیوبات در ساختار غیر پروسکایتی (گروه فضایی R3c) متبلور می شود که با ساختار پروسکایتی ABX3 متعارف متفاوت است. با این حال، به دلیل چارچوب هشت وجهی اکسیژن مانند ABO3، رفتار فروالکتریک پروسکایت مانند خود را نشان می دهد.