ภาพรวม

LNOI (ลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน) เป็นวัสดุโฟโตนิกประสิทธิภาพสูงแพลตฟอร์ม ที่เปิดใช้งานโดยการรวมกันในระดับเวเฟอร์แบบต่างชนิดการรวมประกอบด้วยฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต (LN) แบบผลึกเดี่ยวยึดติดกับชั้นฉนวนออกไซด์ และซับสเตรตที่รองรับ โครงสร้างนี้รวมความหนาฟิล์มบาง: 300–600 นาโนเมตรทำให้เป็นวัสดุสำคัญสำหรับวงจรรวมโฟโตนิกยุคถัดไป(PICs)      2. ถาม: ลิเธียมไนโอเบตเป็นเพรอฟสไกต์หรือไม่? ข้อมูลจำเพาะ ดังที่แสดงในหน้า 3 ของ PDF เวเฟอร์ LNOI มีโครงสร้างสามชั้น:ชั้นบนสุด

: ฟิล์มบาง LN (300–600 นาโนเมตร)

ชั้นกลาง: SiO₂ (2–15 ไมโครเมตร)

ซับสเตรตชั้นล่าง: Si, SiC, แซฟไฟร์ หรือควอตซ์การกำหนดค่าที่มีอยู่:ขนาดเวเฟอร์: 4 นิ้ว / 6 นิ้ว / 8 นิ้ว (แผนงานที่ปรับขนาดได้)การวางแนวผลึกความหนาฟิล์มบาง: 300–600 นาโนเมตรตัวเลือกการเจือปน

• : MgO (5 โมล%), Er (1 โมล%), เป็นต้นความหนาฟิล์มบาง: 300–600 นาโนเมตรสำหรับเวเฟอร์ 6 นิ้ว
• (ดูหน้า 6):ความหนาฟิล์มบาง: 300–600 นาโนเมตรความแปรปรวนของความหนา
• : ≤ 40 นาโนเมตรความขรุขระของพื้นผิว

: ~0.19 นาโนเมตร RMS (ผลการทดสอบหน้า 5)การควบคุมข้อบกพร่อง:

• ช่องว่าง (>10 ไมโครเมตร):
• <80 อนุภาค (>0.3 ไมโครเมตร):<200สำหรับเวเฟอร์ 8 นิ้ว(หน้า 9):
• ช่วงความแปรปรวนของความหนา: ~7.04 นาโนเมตรช่องว่าง:

<100กระบวนการได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง

แสงไม่เชิงเส้น (การแปลงความถี่, OPO, เป็นต้น)จากข้อมูลการทดสอบ(

• หน้า 8
• ผลกระทบไฟฟ้า-แสง Pockels ที่แข็งแกร่งการสูญเสียการแพร่กระจายต่ำพิเศษประสิทธิภาพไฟฟ้า-แสง
• (Vπ·L): ~2.1 V·cmการสูญเสียแสงต่ำพิเศษ
• (ความกว้างเส้นสเปกตรัม ~0.78 pm)คุณสมบัติเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์โฟโตนิกความเร็วสูงและการสูญเสียต่ำ
  • การใช้งานวงจรรวมโฟโตนิก (PICs)
  • มอดูเลเตอร์แสงความเร็วสูง (100G/400G/800G+)โฟโตนิกไมโครเวฟ

แสงไม่เชิงเส้น (การแปลงความถี่, OPO, เป็นต้น)โฟโตนิกควอนตัมและการตรวจจับความแม่นยำข้อได้เปรียบหลัก

• ผลกระทบไฟฟ้า-แสง Pockels ที่แข็งแกร่งการสูญเสียการแพร่กระจายต่ำพิเศษการรวมกันแบบต่างชนิดที่เข้ากันได้กับ CMOS
• ปรับขนาดได้ถึงขนาดเวเฟอร์ใหญ่ (สูงสุด 8 นิ้ว)คุณสมบัติของเวเฟอร์ LNOI
• การผลิตเวเฟอร์ลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน (LNOI) เกี่ยวข้องกับขั้นตอนที่ซับซ้อนซึ่งรวมวิทยาศาสตร์วัสดุและเทคนิคการผลิตขั้นสูง กระบวนการนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างฟิล์มลิเธียมไนโอเบต (LiNbO₃) ที่บางและมีคุณภาพสูงซึ่งยึดติดกับซับสเตรตฉนวน เช่น ซิลิคอน หรือลิเธียมไนโอเบตเอง ต่อไปนี้คือคำอธิบายโดยละเอียดของกระบวนการ: ขั้นตอนที่ 1: การปลูกไอออนขั้นตอนแรกในการผลิตเวเฟอร์ LNOI คือการปลูกไอออน ผลึกลิเธียมไนโอเบตแบบก้อนจะถูกฉายด้วยไอออนฮีเลียม (He) พลังงานสูงเข้าไปในพื้นผิว เครื่องปลูกไอออนจะเร่งไอออนฮีเลียม ซึ่งจะแทรกซึมเข้าไปในผลึกลิเธียมไนโอเบตจนถึงความลึกที่กำหนด

พลังงานของไอออนฮีเลียมจะถูกควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ความลึกที่ต้องการในผลึก ขณะที่ไอออนเคลื่อนที่ผ่านผลึก พวกมันจะทำปฏิกิริยากับโครงสร้างผลึกของวัสดุ ทำให้เกิดการรบกวนของอะตอมซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของระนาบที่อ่อนแอลง ซึ่งเรียกว่า "ชั้นปลูกไอออน" ชั้นนี้จะช่วยให้ผลึกสามารถแยกออกเป็นสองชั้นที่แตกต่างกัน โดยชั้นบน (เรียกว่าชั้น A) จะกลายเป็นฟิล์มลิเธียมไนโอเบตบางที่จำเป็นสำหรับ LNOI

ความหนาของฟิล์มบางนี้ได้รับอิทธิพลโดยตรงจากความลึกของการปลูกไอออน ซึ่งถูกควบคุมโดยพลังงานของไอออนฮีเลียม ไอออนจะก่อตัวเป็นการกระจายแบบเกาส์เซียนที่ส่วนต่อประสาน ซึ่งมีความสำคัญต่อการรับประกันความสม่ำเสมอของฟิล์มสุดท้ายขั้นตอนที่ 2: การเตรียมซับสเตรตเมื่อกระบวนการปลูกไอออนเสร็จสมบูรณ์ ขั้นตอนต่อไปคือการเตรียมซับสเตรตที่จะรองรับฟิล์มลิเธียมไนโอเบตบาง สำหรับเวเฟอร์ LNOI วัสดุซับสเตรตทั่วไป ได้แก่ ซิลิคอน (Si) หรือลิเธียมไนโอเบต (LN) เอง ซับสเตรตจะต้องให้การรองรับทางกลแก่ฟิล์มบางและรับประกันความเสถียรในระยะยาวในระหว่างขั้นตอนการประมวลผลต่อไปในการเตรียมซับสเตรต โดยทั่วไปจะมีการเคลือบชั้นฉนวน SiO₂ (ซิลิคอนไดออกไซด์) บนพื้นผิวของซับสเตรตซิลิคอนโดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การออกซิเดชันด้วยความร้อน หรือ PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) ชั้นนี้ทำหน้าที่เป็นตัวกลางฉนวนระหว่างฟิล์มลิเธียมไนโอเบตและซับสเตรตซิลิคอน ในบางกรณี หากชั้น SiO₂ ไม่เรียบเพียงพอ จะใช้กระบวนการขัดแบบเคมีเชิงกล (CMP) เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวมีความสม่ำเสมอและพร้อมสำหรับกระบวนการยึดติดขั้นตอนที่ 3: การยึดติดฟิล์มบาง

• หลังจากเตรียมซับสเตรตแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการยึดติดฟิล์มลิเธียมไนโอเบตบาง (ชั้น A) เข้ากับซับสเตรต ผลึกลิเธียมไนโอเบตหลังจากการปลูกไอออนจะถูกพลิก 180 องศาและวางลงบนซับสเตรตที่เตรียมไว้ กระบวนการยึดติดโดยทั่วไปจะดำเนินการโดยใช้เทคนิคการยึดติดเวเฟอร์
• ในการยึดติดเวเฟอร์ ทั้งผลึกลิเธียมไนโอเบตและซับสเตรตจะถูกนำไปใช้ภายใต้แรงดันและอุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้พื้นผิวทั้งสองยึดติดกันอย่างแน่นหนา กระบวนการยึดติดโดยตรงโดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุเชื่อมประสานใดๆ และพื้นผิวจะถูกยึดติดในระดับโมเลกุล สำหรับวัตถุประสงค์ในการวิจัย อาจใช้ benzocyclobutene (BCB) เป็นวัสดุเชื่อมประสานตัวกลางเพื่อให้การรองรับเพิ่มเติม แม้ว่าจะไม่นิยมใช้ในการผลิตเชิงพาณิชย์เนื่องจากความเสถียรในระยะยาวที่จำกัดขั้นตอนที่ 4: การอบอ่อนและการแยกชั้นหลังกระบวนการยึดติด เวเฟอร์ที่ยึดติดจะผ่านการอบอ่อน การอบอ่อนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงความแข็งแรงของการยึดติดระหว่างชั้นลิเธียมไนโอเบตและซับสเตรต รวมถึงการซ่อมแซมความเสียหายใดๆ ที่เกิดจากกระบวนการปลูกไอออน
• ระหว่างการอบอ่อน เวเฟอร์ที่ยึดติดจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดและรักษาไว้ที่อุณหภูมินั้นเป็นระยะเวลาหนึ่ง กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่เสริมความแข็งแรงของการยึดติดที่ส่วนต่อประสานเท่านั้น แต่ยังกระตุ้นการก่อตัวของฟองอากาศขนาดเล็กในชั้นที่ปลูกไอออน ฟองอากาศเหล่านี้จะค่อยๆ ทำให้ชั้นลิเธียมไนโอเบต (ชั้น A) แยกออกจากผลึกลิเธียมไนโอเบตแบบก้อนเดิม (ชั้น B)2. ถาม: ลิเธียมไนโอเบตเป็นเพรอฟสไกต์หรือไม่?ขั้นตอนที่ 5: การปรับพื้นผิวด้วย CMP

หลังจากการแยกชั้นลิเธียมไนโอเบต พื้นผิวของเวเฟอร์ LNOI โดยทั่วไปจะขรุขระและไม่เรียบ เพื่อให้ได้คุณภาพพื้นผิวที่ต้องการ เวเฟอร์จะผ่านกระบวนการขัดแบบเคมีเชิงกล (CMP) ขั้นสุดท้าย CMP จะทำให้พื้นผิวของเวเฟอร์เรียบขึ้น ขจัดความขรุขระที่เหลืออยู่ และรับประกันว่าฟิล์มบางจะเรียบเสมอกันกระบวนการ CMP มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการได้ผิวสำเร็จคุณภาพสูงบนเวเฟอร์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตอุปกรณ์ในภายหลัง พื้นผิวจะถูกขัดให้ได้ระดับที่ละเอียดมาก โดยมักมีความขรุขระ (Rq) น้อยกว่า 0.5 นาโนเมตร ตามที่วัดโดยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) คำถาม-คำตอบ1. ถาม: ลิเธียมแทนทาเลตเหมือนกับลิเธียมไนโอเบตหรือไม่?ตอบ: ไม่ลิเธียมแทนทาเลต (LiTaO₃) และลิเธียมไนโอเบต (LiNbO₃) เป็นวัสดุที่แตกต่างกัน โดยมีองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกัน (Ta เทียบกับ Nb) แต่มีโครงสร้างผลึก (กลุ่มอวกาศ R3c) และคุณสมบัติเฟอร์โรอิเล็กทริกที่คล้ายคลึงกัน2. ถาม: ลิเธียมไนโอเบตเป็นเพรอฟสไกต์หรือไม่?ตอบ: ไม่ลิเธียมไนโอเบตตกผลึกในโครงสร้างที่ไม่ใช่เพรอฟสไกต์ (กลุ่มอวกาศ R3c) ซึ่งแตกต่างจากโครงสร้างเพรอฟสไกต์ ABX₃ ทั่วไป อย่างไรก็ตาม มันแสดงพฤติกรรมเฟอร์โรอิเล็กทริกคล้ายเพรอฟสไกต์เนื่องจากโครงสร้างออกตะฮีดรัลคล้าย ABO₃