Genel Bakış

LNOI (Yalıtkan Üzerine Lityum Niyobat), wafer seviyesinde heterojen entegrasyon ile mümkün kılınan yüksek performanslı bir fotonik malzeme platformudur. Tek kristal lityum niyobat (LN) ince filminin bir yalıtkan oksit tabakası ve destekleyici bir alt tabaka üzerine yapıştırılmasından oluşur. Bu yapı, mükemmel elektro-optik, doğrusal olmayan optik ve düşük kayıplı iletim özelliklerini birleştirerek, onu yeni nesil fotonik entegre devreler (PIC'ler) için anahtar bir malzeme haline getirir.       Platform mümkün kılınanheterojenentegrasyontekkristalyapıştırılmışüzerine tabakabirleştirirSürekli olarak optimize edilen işlemiletimözelliklerientegre Yapı ve Özellikler PDF'nin 3. sayfasında gösterildiği gibi, LNOI waferi üç katmanlı bir yapıya sahiptir:Üst katman: LN ince filmi (300–600 nm)Orta katman: SiO₂ (2–15 µm) Alt alt tabaka: Si, SiC, Safir veya KuvarsMevcut konfigürasyonlar:

Wafer boyutu: 4 inç / 6 inç / 8 inç (ölçeklenebilir yol haritası)

Kristal oryantasyonu: Z-kesim, X-kesim, Y-kesim, döndürülmüş Y-kesimKatkılama seçenekleri: MgO (%5 mol), Er (%1 mol), vb.

Anahtar Performans Parametreleri6 inçlik waferler için (bkz. sayfa 6):İnce film kalınlığı: 300–600 nmKalınlık varyasyonu: ≤ 40 nmYüzey pürüzlülüğü: ~0.19 nm RMS (sayfa 5 test sonucu)Sürekli olarak optimize edilen işlemBoşluklar (>10 µm): <80

• Parçacıklar (>0.3 µm): <200Sürekli olarak optimize edilen işlemKalınlık varyasyonu aralığı: ~7.04 nm
• Boşluklar: <100Sürekli olarak optimize edilen işlemOptik ve Elektro-Optik Performans
• Test verilerine dayanarak (sayfa 8):Modülasyon bant genişliği: >67 GHz

Elektro-optik verimlilik (Vπ·L): ~2.1 V·cmUltra düşük optik kayıp (çizgi genişliği ~0.78 pm)

• Bu özellikler, yüksek hızlı ve düşük kayıplı fotonik cihazlar için mükemmel uygunluk gösterir.
• Uygulamalar Fotonik Entegre Devreler (PIC'ler)Yüksek hızlı optik modülatörler (100G/400G/800G+)Mikrodalga fotoniğiDoğrusal olmayan optik (frekans dönüşümü, OPO, vb.)
• Kuantum fotoniği ve hassas algılamaAnahtar AvantajlarGüçlü Pockels elektro-optik etkisi

Ultra düşük yayılma kaybıCMOS uyumlu heterojen entegrasyon

Tavlama sırasında, yapıştırılmış wafer belirli bir sıcaklığa ısıtılır ve belirli bir süre boyunca o sıcaklıkta tutulur. Bu işlem sadece arayüz yapışmalarını güçlendirmekle kalmaz, aynı zamanda iyon implantasyonu tabakasında mikro kabarcıkların oluşumunu da tetikler. Bu kabarcıklar, lityum niyobat katmanının (A Katmanı) orijinal toplu lityum niyobat kristalinden (B Katmanı) ayrılmasına kademeli olarak neden olur.LNOI Waferinin ÖzellikleriYalıtkan Üzerine Lityum Niyobat (LNOI) waferlerinin üretimi, malzeme bilimi ve ileri üretim tekniklerini birleştiren sofistike bir dizi adımı içerir. Süreç, silikon veya lityum niyobatın kendisi gibi yalıtkan bir alt tabakaya yapıştırılmış ince, yüksek kaliteli bir lityum niyobat (LiNbO₃) filmi oluşturmayı amaçlar. Aşağıda sürecin ayrıntılı bir açıklaması verilmiştir:

• Adım 1: İyon İmplantasyonu
• Lityum niyobat katmanının ayrılmasından sonra, LNOI waferinin yüzeyi tipik olarak pürüzlü ve düzensizdir. Gerekli yüzey kalitesini elde etmek için wafer, son bir Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP) işleminden geçer. CMP, waferin yüzeyini pürüzsüzleştirir, kalan pürüzlülüğü giderir ve ince filmin düz olmasını sağlar.CMP işlemi, wafer üzerinde yüksek kaliteli bir yüzey elde etmek için esastır ve bu, sonraki cihaz üretimi için kritiktir. Yüzey, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ile ölçülen 0.5 nm'den az bir pürüzlülük (Rq) ile çok ince bir seviyeye kadar parlatılır.Bu ince filmin kalınlığı, helyum iyonlarının enerjisiyle kontrol edilen implantasyon derinliğinden doğrudan etkilenir. İyonlar, nihai filmde tekdüzelik sağlamak için kritik öneme sahip olan arayüzde Gauss dağılımı oluşturur.
• Adım 2: Alt Tabaka Hazırlığıİyon implantasyon işlemi tamamlandıktan sonra, bir sonraki adım ince lityum niyobat filmini destekleyecek alt tabakanın hazırlanmasıdır. LNOI waferleri için yaygın alt tabaka malzemeleri arasında silikon (Si) veya lityum niyobat (LN) bulunur. Alt tabaka, ince film için mekanik destek sağlamalı ve sonraki işlem adımları sırasında uzun vadeli kararlılığı sağlamalıdır.
• Alt tabakayı hazırlamak için, termal oksidasyon veya PECVD (Plazma Geliştirmeli Kimyasal Buhar Biriktirme) gibi teknikler kullanılarak silikon alt tabakanın yüzeyine tipik olarak bir SiO₂ (silikon dioksit) yalıtkan tabakası biriktirilir. Bu tabaka, lityum niyobat filmi ile silikon alt tabaka arasındaki yalıtkan ortam olarak hizmet eder. Bazı durumlarda, SiO₂ tabakası yeterince pürüzsüz değilse, yüzeyin tekdüze olmasını ve yapıştırma işlemi için hazır olmasını sağlamak için Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP) işlemi uygulanır.Adım 3: İnce Film Yapıştırma
  • Alt tabaka hazırlandıktan sonra, bir sonraki adım ince lityum niyobat filmini (A Katmanı) alt tabakaya yapıştırmaktır. İyon implantasyonundan sonra lityum niyobat kristali 180 derece çevrilir ve hazırlanan alt tabakanın üzerine yerleştirilir. Yapıştırma işlemi tipik olarak bir wafer yapıştırma tekniği kullanılarak gerçekleştirilir.Wafer yapıştırmada, hem lityum niyobat kristali hem de alt tabaka yüksek basınca ve sıcaklığa maruz bırakılır, bu da iki yüzeyin güçlü bir şekilde yapışmasına neden olur. Doğrudan yapıştırma işlemi genellikle herhangi bir yapıştırıcı malzeme gerektirmez ve yüzeyler moleküler düzeyde yapıştırılır. Araştırma amaçlı olarak, ek destek sağlamak için benzosiklobuten (BCB) bir ara yapıştırma malzemesi olarak kullanılabilir, ancak uzun vadeli kararlılığının sınırlı olması nedeniyle ticari üretimde tipik olarak kullanılmaz.
  • Adım 4: Tavlama ve Katman AyırmaYapıştırma işleminden sonra, yapıştırılmış wafer bir tavlama işleminden geçer. Tavlama, lityum niyobat katmanı ile alt tabaka arasındaki yapışma mukavemetini iyileştirmek ve iyon implantasyon işleminden kaynaklanan herhangi bir hasarı onarmak için kritiktir.

Tavlama sırasında, yapıştırılmış wafer belirli bir sıcaklığa ısıtılır ve belirli bir süre boyunca o sıcaklıkta tutulur. Bu işlem sadece arayüz yapışmalarını güçlendirmekle kalmaz, aynı zamanda iyon implantasyonu tabakasında mikro kabarcıkların oluşumunu da tetikler. Bu kabarcıklar, lityum niyobat katmanının (A Katmanı) orijinal toplu lityum niyobat kristalinden (B Katmanı) ayrılmasına kademeli olarak neden olur.Ayrılma meydana geldikten sonra, mekanik aletler iki katmanı ayırmak için kullanılır ve alt tabaka üzerinde ince, yüksek kaliteli bir lityum niyobat filmi (A Katmanı) bırakılır. Sıcaklık kademeli olarak oda sıcaklığına düşürülerek tavlama ve katman ayırma işlemi tamamlanır.Adım 5: CMP Düzleştirme

• Lityum niyobat katmanının ayrılmasından sonra, LNOI waferinin yüzeyi tipik olarak pürüzlü ve düzensizdir. Gerekli yüzey kalitesini elde etmek için wafer, son bir Kimyasal Mekanik Parlatma (CMP) işleminden geçer. CMP, waferin yüzeyini pürüzsüzleştirir, kalan pürüzlülüğü giderir ve ince filmin düz olmasını sağlar.CMP işlemi, wafer üzerinde yüksek kaliteli bir yüzey elde etmek için esastır ve bu, sonraki cihaz üretimi için kritiktir. Yüzey, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ile ölçülen 0.5 nm'den az bir pürüzlülük (Rq) ile çok ince bir seviyeye kadar parlatılır.Soru & Cevap
• 1. S: Lityum tantalat lityum niyobat ile aynı mıdır?C: Hayır.
• Lityum tantalat (LiTaO₃) ve lityum niyobat (LiNbO₃) farklı kimyasal bileşimlere (Ta vs. Nb) sahip farklı malzemelerdir, ancak benzer bir kristal yapıya (R3c uzay grubu) ve ferroelektrik özelliklere sahiptirler. 2. S: Lityum niyobat bir perovskit midir?C: Hayır.

Lityum niyobat, kanonik ABX₃ perovskit yapısından farklı olarak, perovskit olmayan bir yapıya (R3c uzay grubu) göre kristalleşir. Ancak, ABO₃ benzeri oksijen oktahedral çerçevesi nedeniyle perovskit benzeri ferroelektrik davranış sergiler.