ภาพรวม

LNOI (ลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน) เป็นวัสดุโฟโตนิกประสิทธิภาพสูงแพลตฟอร์ม เปิดใช้งานโดยต่างกันในระดับเวเฟอร์บูรณาการ. ประกอบด้วยหนึ่ง-คริสตัลฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต (LN)ถูกผูกมัด เข้าสู่ออกไซด์ของฉนวนชั้นและรองพื้นรอง โครงสร้างนี้รวมอิเล็กโทรออปติกที่ยอดเยี่ยม, ออปติคัลไม่เชิงเส้นและต่ำการสูญเสีย การแพร่เชื้อ คุณสมบัติทำให้เป็นวัสดุสำคัญสำหรับโฟโตนิกรุ่นต่อไปบูรณาการ วงจร(ภาพ)

โครงสร้าง &ข้อมูลจำเพาะ

เช่นภาพประกอบบนหน้าที่ 3 ของ PDFเวเฟอร์ LNOI มีสาม-ชั้นโครงสร้าง:

• สูงสุดชั้น: ฟิล์มบาง LN (300–600 นาโนเมตร)
• กลางชั้น: SiO₂ (2–15 ไมโครเมตร)
• วัสดุพิมพ์ด้านล่าง: Si, SiC, แซฟไฟร์ หรือควอตซ์

มีอยู่การกำหนดค่า:

• ขนาดเวเฟอร์: 4 นิ้ว / 6 นิ้ว / 8 นิ้ว (แผนงานที่ปรับขนาดได้)
• คริสตัล ปฐมนิเทศ: ตัดรูปตัว Z, ตัดรูปตัว X, ตัดรูปตัว Y,หมุนแล้วY-ตัด
• ยาสลบตัวเลือก: MgO (5 โมล%), Er (1 โมล%) เป็นต้น

ประสิทธิภาพที่สำคัญพารามิเตอร์

สำหรับเวเฟอร์ขนาด 6 นิ้ว(ดูหน้า 6):

• ความหนาของฟิล์มบาง: 300–600 นาโนเมตร
• ความหนาการเปลี่ยนแปลง: ≤ 40 นาโนเมตร
• พื้นผิวความหยาบ: ~0.19 nm RMS (ผลการทดสอบหน้า 5)
• ข้อบกพร่องควบคุม:
  • ช่องว่าง (>10 μm): <80
  • อนุภาค (>0.3 ไมโครเมตร): <200

สำหรับเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้ว(หน้า 9):

• ความหนาการเปลี่ยนแปลงช่วง: ~7.04 นาโนเมตร
• ช่องว่าง: <100
• กระบวนการ อย่างต่อเนื่องปรับให้เหมาะสม

ประสิทธิภาพออปติคัลและอิเล็กโทรออปติก

ขึ้นอยู่กับการทดสอบข้อมูล(หน้า 8):

• แบนด์วิธการมอดูเลต: >67 GHz
• อิเล็กโทรออปติกประสิทธิภาพ(วีพี·ลิตร): ~2.1 V·ซม
• ออปติคอลต่ำมากการสูญเสีย(ความกว้างของเส้น ~0.78 น.)

เหล่านี้ลักษณะเฉพาะ สาธิตยอดเยี่ยมความเหมาะสมสำหรับความเร็วสูงและต่ำ-การสูญเสียโทนิคอุปกรณ์.

การใช้งาน

• วงจรรวมโทนิค (PIC)
• ออปติคัลโมดูเลเตอร์ความเร็วสูง (100G/400G/800G+)
• โฟโตนิกส์ไมโครเวฟ
• เลนส์ไม่เชิงเส้น (การแปลงความถี่, OPO ฯลฯ )
• ควอนตัมโฟโตนิกส์และการตรวจจับที่แม่นยำ

ข้อได้เปรียบที่สำคัญ

• เอฟเฟกต์ไฟฟ้าออปติก Pockels ที่แข็งแกร่ง
• การสูญเสียการแพร่กระจายต่ำมาก
• การบูรณาการที่แตกต่างกันที่เข้ากันได้กับ CMOS
• สามารถปรับขนาดเวเฟอร์ขนาดใหญ่ได้ (สูงสุด 8 นิ้ว)

คุณสมบัติของLNOI เวเฟอร์

การประดิษฐ์เวเฟอร์ลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน (LNOI) เกี่ยวข้องกับขั้นตอนที่ซับซ้อนซึ่งผสมผสานวัสดุศาสตร์และเทคนิคการประดิษฐ์ขั้นสูง กระบวนการนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างฟิล์มลิเธียมไนโอเบต (LiNbO₃) บางคุณภาพสูงที่ยึดติดกับสารตั้งต้นที่เป็นฉนวน เช่น ซิลิคอนหรือลิเธียมไนโอเบตเอง ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายโดยละเอียดของกระบวนการ:

ขั้นตอนที่ 1: การปลูกถ่ายไอออน

ขั้นตอนแรกในการผลิตเวเฟอร์ LNOI เกี่ยวข้องกับการฝังไอออน ผลึกลิเธียมไนโอเบตจำนวนมากจะถูกไอออนฮีเลียม (He) พลังงานสูงฉีดเข้าไปในพื้นผิว เครื่องฝังไอออนจะเร่งฮีเลียมไอออน ซึ่งจะเจาะผลึกลิเธียมไนโอเบตจนถึงระดับความลึกที่กำหนด

พลังงานของไอออนฮีเลียมได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ความลึกในคริสตัลที่ต้องการ ขณะที่ไอออนเดินทางผ่านคริสตัล พวกมันจะมีปฏิกิริยากับโครงสร้างโครงตาข่ายของวัสดุ ทำให้เกิดการหยุดชะงักของอะตอม ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของระนาบที่อ่อนแอลง หรือที่เรียกว่า "ชั้นการฝัง" ในที่สุดชั้นนี้จะทำให้คริสตัลถูกแยกออกเป็นสองชั้นที่แตกต่างกัน โดยที่ชั้นบนสุด (เรียกว่าเลเยอร์ A) จะกลายเป็นฟิล์มลิเธียมไนโอเบตบาง ๆ ที่จำเป็นสำหรับ LNOI

ความหนาของฟิล์มบางนี้ได้รับอิทธิพลโดยตรงจากความลึกของการฝังซึ่งถูกควบคุมโดยพลังงานของไอออนฮีเลียม ไอออนก่อให้เกิดการกระจายตัวแบบเกาส์เซียนที่ส่วนต่อประสาน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับประกันความสม่ำเสมอในภาพยนตร์ขั้นสุดท้าย

ขั้นตอนที่ 2: การเตรียมพื้นผิว

เมื่อกระบวนการฝังไอออนเสร็จสมบูรณ์ ขั้นตอนต่อไปคือการเตรียมซับสเตรตที่จะรองรับฟิล์มลิเธียมไนโอเบตบาง ๆ สำหรับเวเฟอร์ LNOI วัสดุซับสเตรตทั่วไปได้แก่ ซิลิคอน (Si) หรือลิเธียมไนโอเบต (LN) เอง วัสดุพิมพ์ต้องให้การสนับสนุนเชิงกลสำหรับฟิล์มบางและรับประกันความเสถียรในระยะยาวในระหว่างขั้นตอนการประมวลผลที่ตามมา

ในการเตรียมซับสเตรต โดยทั่วไปชั้นฉนวน SiO₂ (ซิลิคอนไดออกไซด์) จะถูกวางลงบนพื้นผิวของซับสเตรตซิลิกอนโดยใช้เทคนิค เช่น การออกซิเดชันด้วยความร้อนหรือ PECVD (การสะสมไอสารเคมีด้วยพลาสม่า) ชั้นนี้ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางฉนวนระหว่างฟิล์มลิเธียมไนโอเบตและพื้นผิวซิลิกอน ในบางกรณี หากชั้น SiO₂ ไม่เรียบเพียงพอ จะใช้กระบวนการขัดเงาด้วยสารเคมี (CMP) เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวมีความสม่ำเสมอและพร้อมสำหรับกระบวนการเชื่อมติด

ขั้นตอนที่ 3: การติดฟิล์มบาง

หลังจากเตรียมพื้นผิวแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการติดฟิล์มลิเธียมไนโอเบตบาง ๆ (ชั้น A) เข้ากับวัสดุพิมพ์ หลังจากการฝังไอออน ผลึกลิเธียมไนโอเบตจะถูกพลิก 180 องศาและวางลงบนพื้นผิวที่เตรียมไว้ โดยทั่วไปกระบวนการติดจะกระทำโดยใช้เทคนิคการติดแผ่นเวเฟอร์

ในการติดแผ่นเวเฟอร์ ทั้งคริสตัลลิเธียมไนโอเบตและซับสเตรตจะต้องได้รับแรงดันและอุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้พื้นผิวทั้งสองเกาะติดกันอย่างแน่นหนา กระบวนการติดโดยตรงไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุยึดติดใดๆ และพื้นผิวจะติดกันในระดับโมเลกุล เพื่อวัตถุประสงค์ในการวิจัย เบนโซไซโคลบิวทีน (BCB) อาจใช้เป็นวัสดุประสานระดับกลางเพื่อให้การสนับสนุนเพิ่มเติม แม้ว่าโดยทั่วไปจะไม่ใช้ในการผลิตเชิงพาณิชย์เนื่องจากมีความเสถียรในระยะยาวที่จำกัด

ขั้นตอนที่ 4: การหลอมและการแยกชั้น

หลังจากกระบวนการพันธะ แผ่นเวเฟอร์ที่ถูกพันธะจะผ่านการอบอ่อน การหลอมเป็นสิ่งสำคัญในการปรับปรุงความแข็งแรงพันธะระหว่างชั้นลิเธียมไนโอเบตและซับสเตรต เช่นเดียวกับการซ่อมแซมความเสียหายใดๆ ที่เกิดจากกระบวนการปลูกฝังไอออน

ในระหว่างการหลอม แผ่นเวเฟอร์ที่ถูกพันธะจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดและคงไว้ที่อุณหภูมินั้นเป็นระยะเวลาหนึ่ง กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่ทำให้พันธะระหว่างผิวหน้าแข็งแรงขึ้นเท่านั้น แต่ยังกระตุ้นให้เกิดการก่อตัวของฟองขนาดเล็กในชั้นที่ปลูกถ่ายไอออนอีกด้วย ฟองอากาศเหล่านี้จะค่อยๆ ทำให้ชั้นลิเธียมไนโอเบต (ชั้น A) แยกออกจากผลึกลิเธียมไนโอเบตเดิม (ชั้น B)

เมื่อการแยกเกิดขึ้น จะใช้เครื่องมือกลเพื่อแยกสองชั้นออกจากกัน โดยเหลือฟิล์มลิเธียมไนโอเบตคุณภาพสูงบาง ๆ (ชั้น A) ไว้บนพื้นผิว อุณหภูมิจะค่อยๆ ลดลงเหลืออุณหภูมิห้อง เสร็จสิ้นกระบวนการหลอมและการแยกชั้น

ขั้นตอนที่ 5: การวางแผน CMP

หลังจากแยกชั้นลิเธียมไนโอเบตแล้ว พื้นผิวของเวเฟอร์ LNOI มักจะหยาบและไม่สม่ำเสมอ เพื่อให้ได้คุณภาพพื้นผิวที่ต้องการ แผ่นเวเฟอร์จะต้องผ่านกระบวนการขัดเงาด้วยสารเคมี (CMP) ขั้นสุดท้าย CMP จะทำให้พื้นผิวของเวเฟอร์เรียบขึ้น โดยขจัดความหยาบที่เหลืออยู่ และรับประกันว่าฟิล์มบางจะเป็นระนาบ

กระบวนการ CMP เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการได้ผิวเคลือบคุณภาพสูงบนเวเฟอร์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตอุปกรณ์ในภายหลัง พื้นผิวได้รับการขัดเงาให้อยู่ในระดับที่ละเอียดมาก โดยมักจะมีความหยาบ (Rq) น้อยกว่า 0.5 นาโนเมตร โดยวัดโดย Atomic Force Microscopy (AFM)

1. ถาม: ​​ลิเธียมแทนทาเลตเหมือนกับลิเธียมไนโอเบตหรือไม่​​

ตอบ: ไม่ ลิเธียมแทนทาเลต (LiTaO₃) และลิเธียมไนโอเบต (LiNbO₃) เป็นวัสดุที่แตกต่างกันซึ่งมีองค์ประกอบทางเคมีต่างกัน (Ta เทียบกับ Nb) แต่มีโครงสร้างผลึกคล้ายกัน (กลุ่มอวกาศ R3c) และคุณสมบัติเฟอร์โรอิเล็กทริก

2. ถาม: ​​ลิเธียมไนโอเบตเป็นเพอร์รอฟสไกต์หรือไม่​​

ตอบ: ไม่ ลิเธียมไนโอเบตตกผลึกในโครงสร้างที่ไม่ใช่เปอร์รอฟสกี้​​ (กลุ่มอวกาศ R3c) แตกต่างจากโครงสร้างเพอร์รอฟสไกต์ ABX₃ ตามรูปแบบบัญญัติ อย่างไรก็ตาม มันแสดงพฤติกรรมเฟอร์โรอิเล็กทริกที่เหมือนเพอรอฟสไกต์ เนื่องจากมีโครงร่างแปดด้านของออกซิเจนคล้าย ABO₃