Übersicht

LNOI (Lithiumniobat auf Isolator) ist eine leistungsstarke photonische Materialplattform, die durch heterogene Integration auf Wafer-Ebene ermöglicht wird. Sie besteht aus einem Einkristall-Lithiumniobat (LN)-Dünnfilm, der auf eine isolierende Oxidschicht und ein Trägersubstrat aufgeklebt ist. Diese Struktur kombiniert hervorragende elektrooptische, nichtlineare optische und verlustarme Übertragungseigenschaften, was sie zu einem Schlüsselmaterial für photonische integrierte Schaltungen (PICs) der nächsten Generation macht.       Plattform ermöglichtdurch heterogene Integration auf Wafer-EbeneIntegration. Sie besteht aus einem Einkristall-Lithiumniobat (LN)-Dünnfilm, der auf eine isolierende Oxidschicht und ein Trägersubstrat aufgeklebt ist. Diese Struktur kombiniert hervorragende elektrooptische, nichtlineare optische und verlustarme Übertragungseigenschaften, was sie zu einem Schlüsselmaterial für photonische integrierte Schaltungen (PICs) der nächsten Generation macht.Kristallaufgeklebtauf isolierende OxidschichtSchichtDünnschichtdicke: 300–600 nmverlustarmeÜbertragungEigenschaften Schaltungen (PICs). Struktur & Spezifikationen Wie auf Seite 3 des PDFs dargestellt, hat der LNOI-Wafer eine dreischichtige Struktur:Oberste Schicht

: LN-Dünnfilm (300–600 nm)

Mittlere Schicht: SiO₂ (2–15 μm)

Unteres Substrat: Si, SiC, Saphir oder QuarzVerfügbareKonfigurationen:Wafergröße: 4 Zoll / 6 Zoll / 8 Zoll (skalierbare Roadmap)Dünnschichtdicke: 300–600 nm: Z-Schnitt, X-Schnitt, Y-Schnitt, rotierter Y-Schnitt

• DotierungsoptionenDünnschichtdicke: 300–600 nmSchlüsselparameter
• Für 6-Zoll-Wafer (siehe Seite 6):Dünnschichtdicke: 300–600 nmDickenvariation
• : ≤ 40 nmOberflächenrauheit: ~0,19 nm RMS (Testergebnis Seite 5)

Defektkontrolle:Lunker (>10 μm): <80

• Partikel (>0,3 μm): <200
• Für 8-Zoll-Wafer (Seite 9): Dickenvariationsbereich: ~7,04 nmLunker: <100Prozess kontinuierlich optimiertOptische und elektrooptische Leistung
• Basierend auf Testdaten (Seite 8):Modulationsbandbreite: >67 GHzElektrooptische Effizienz (Vπ·L): ~2,1 V·cm

Ultra-niedrige optische Verluste (Linienbreite ~0,78 pm)Diese Eigenschaften demonstrieren eine hervorragende Eignung für Hochgeschwindigkeits- und verlustarme photonische Bauelemente.

Die Energie der Heliumionen wird sorgfältig kontrolliert, um die gewünschte Tiefe im Kristall zu erreichen. Während die Ionen durch den Kristall wandern, interagieren sie mit der Gitterstruktur des Materials und verursachen atomare Störungen, die zur Bildung einer geschwächten Ebene führen, die als "Implantationsschicht" bezeichnet wird. Diese Schicht ermöglicht es schließlich, den Kristall in zwei getrennte Schichten zu spalten, wobei die obere Schicht (als Schicht A bezeichnet) zum Dünnfilm aus Lithiumniobat wird, der für LNOI benötigt wird.Photonische integrierte Schaltungen (PICs)Hochgeschwindigkeits-Lichtmodulatoren (100G/400G/800G+)

• Mikrowellenphotonik
• Nach Abschluss des Ionenimplantationsprozesses besteht der nächste Schritt darin, das Substrat vorzubereiten, das den dünnen Lithiumniobatfilm tragen wird. Für LNOI-Wafer sind gängige Substratmaterialien Silizium (Si) oder Lithiumniobat (LN) selbst. Das Substrat muss dem Dünnfilm mechanischen Halt bieten und die Langzeitstabilität während der nachfolgenden Verarbeitungsschritte gewährleisten.Zur Vorbereitung des Substrats wird typischerweise eine isolierende SiO₂ (Siliziumdioxid)-Schicht auf die Oberfläche des Siliziumsubstrats aufgebracht, wobei Techniken wie thermische Oxidation oder PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) verwendet werden. Diese Schicht dient als Isoliermedium zwischen dem Lithiumniobatfilm und dem Siliziumsubstrat. In einigen Fällen, wenn die SiO₂-Schicht nicht ausreichend glatt ist, wird ein chemisch-mechanisches Polierverfahren (CMP) angewendet, um sicherzustellen, dass die Oberfläche gleichmäßig und für den Klebeprozess bereit ist.Hauptvorteile
• Starker Pockels-elektrooptischer EffektUltra-niedrige Ausbreitungsverluste
• CMOS-kompatible heterogene IntegrationSkalierbar auf große Wafergrößen (bis zu 8 Zoll)
  • Eigenschaften von LNOI-WafernDie Herstellung von Lithiumniobat auf Isolator (LNOI)-Wafern umfasst eine Reihe von hochentwickelten Schritten, die Materialwissenschaft und fortschrittliche Fertigungstechniken kombinieren. Der Prozess zielt darauf ab, einen dünnen, hochwertigen Lithiumniobat (LiNbO₃)-Film zu erzeugen, der auf ein isolierendes Substrat wie Silizium oder Lithiumniobat selbst aufgeklebt ist. Im Folgenden wird der Prozess detailliert erläutert:
  • Schritt 1: IonenimplantationDer erste Schritt bei der Herstellung von LNOI-Wafern ist die Ionenimplantation. Ein Bulk-Lithiumniobatkristall wird mit hochenergetischen Helium (He)-Ionen beschossen, die in seine Oberfläche eindringen. Die Ionenimplantationsmaschine beschleunigt die Heliumionen, die in den Lithiumniobatkristall bis zu einer bestimmten Tiefe eindringen.

Die Energie der Heliumionen wird sorgfältig kontrolliert, um die gewünschte Tiefe im Kristall zu erreichen. Während die Ionen durch den Kristall wandern, interagieren sie mit der Gitterstruktur des Materials und verursachen atomare Störungen, die zur Bildung einer geschwächten Ebene führen, die als "Implantationsschicht" bezeichnet wird. Diese Schicht ermöglicht es schließlich, den Kristall in zwei getrennte Schichten zu spalten, wobei die obere Schicht (als Schicht A bezeichnet) zum Dünnfilm aus Lithiumniobat wird, der für LNOI benötigt wird.Die Dicke dieses Dünnfilms wird direkt von der Implantations Tiefe beeinflusst, die durch die Energie der Heliumionen gesteuert wird. Die Ionen bilden eine Gaußsche Verteilung an der Grenzfläche, was für die Gewährleistung der Gleichmäßigkeit des Endfilms entscheidend ist.Schritt 2: Substratvorbereitung

• Nach Abschluss des Ionenimplantationsprozesses besteht der nächste Schritt darin, das Substrat vorzubereiten, das den dünnen Lithiumniobatfilm tragen wird. Für LNOI-Wafer sind gängige Substratmaterialien Silizium (Si) oder Lithiumniobat (LN) selbst. Das Substrat muss dem Dünnfilm mechanischen Halt bieten und die Langzeitstabilität während der nachfolgenden Verarbeitungsschritte gewährleisten.Zur Vorbereitung des Substrats wird typischerweise eine isolierende SiO₂ (Siliziumdioxid)-Schicht auf die Oberfläche des Siliziumsubstrats aufgebracht, wobei Techniken wie thermische Oxidation oder PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) verwendet werden. Diese Schicht dient als Isoliermedium zwischen dem Lithiumniobatfilm und dem Siliziumsubstrat. In einigen Fällen, wenn die SiO₂-Schicht nicht ausreichend glatt ist, wird ein chemisch-mechanisches Polierverfahren (CMP) angewendet, um sicherzustellen, dass die Oberfläche gleichmäßig und für den Klebeprozess bereit ist.Schritt 3: Dünnschichtklebung
• Nach der Vorbereitung des Substrats besteht der nächste Schritt darin, den dünnen Lithiumniobatfilm (Schicht A) auf das Substrat zu kleben. Der Lithiumniobatkristall wird nach der Ionenimplantation um 180 Grad gedreht und auf das vorbereitete Substrat gelegt. Der Klebeprozess wird typischerweise mittels eines Wafer-Bonding-Verfahrens durchgeführt.Beim Wafer-Bonding werden sowohl der Lithiumniobatkristall als auch das Substrat hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt, wodurch die beiden Oberflächen fest aneinander haften. Der Direktklebeprozess erfordert in der Regel keine Klebstoffe, und die Oberflächen werden auf molekularer Ebene verbunden. Für Forschungszwecke kann Benzocyclobuten (BCB) als Zwischenklebematerial verwendet werden, um zusätzliche Unterstützung zu bieten, obwohl es aufgrund seiner begrenzten Langzeitstabilität typischerweise nicht in der kommerziellen Produktion verwendet wird.
• Schritt 4: Glühen und Schichtspaltung Nach dem Klebeprozess wird der geklebte Wafer einer Glühbehandlung unterzogen. Das Glühen ist entscheidend für die Verbesserung der Bindungsfestigkeit zwischen der Lithiumniobat-Schicht und dem Substrat sowie für die Reparatur von Schäden, die durch den Ionenimplantationsprozess verursacht wurden.Während des Glühens wird der geklebte Wafer auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und für eine bestimmte Dauer auf dieser Temperatur gehalten. Dieser Prozess stärkt nicht nur die Grenzflächenbindungen, sondern induziert auch die Bildung von Mikroblasen in der ionenimplantierten Schicht. Diese Blasen bewirken allmählich, dass sich die Lithiumniobat-Schicht (Schicht A) vom ursprünglichen Bulk-Lithiumniobatkristall (Schicht B) trennt.

Sobald die Trennung erfolgt ist, werden mechanische Werkzeuge verwendet, um die beiden Schichten auseinander zu spalten, wodurch ein dünner, hochwertiger Lithiumniobatfilm (Schicht A) auf dem Substrat zurückbleibt. Die Temperatur wird allmählich auf Raumtemperatur reduziert, wodurch der Glüh- und Schichttrennungsprozess abgeschlossen wird.

Schritt 5: CMP-PlanarisierungNach der Trennung der Lithiumniobat-Schicht ist die Oberfläche des LNOI-Wafers typischerweise rau und uneben. Um die erforderliche Oberflächenqualität zu erreichen, wird der Wafer einem abschließenden chemisch-mechanischen Polierverfahren (CMP) unterzogen. CMP glättet die Oberfläche des Wafers, entfernt verbleibende Rauheit und stellt sicher, dass der Dünnfilm planar ist.Der CMP-Prozess ist entscheidend für eine hochwertige Oberfläche des Wafers, was für die nachfolgende Geräteherstellung unerlässlich ist. Die Oberfläche wird auf ein sehr feines Niveau poliert, oft mit einer Rauheit (Rq) von weniger als 0,5 nm, gemessen mit Rasterkraftmikroskopie (AFM).Fragen und Antworten1. F: Ist Tantalat dasselbe wie Niobat?

• A: Nein.
• Tantalat (LiTaO₃) und Niobat (LiNbO₃) sind unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (Ta vs. Nb), teilen sich aber eine ähnliche Kristallstruktur (Raumgruppe R3c) und ferroelektrische Eigenschaften.2. F: Ist Lithiumniobat ein Perowskit?A: Nein.
• Lithiumniobat kristallisiert in einer Nicht-Perowskit-Struktur (Raumgruppe R3c) und unterscheidet sich von der kanonischen ABX₃-Perowskit-Struktur.