Aperçu

Le LNOI (Niobate de lithium sur isolant) est une plateforme de matériaux photoniques haute performance, rendue possible par l'intégration hétérogène au niveau du wafer. Il se compose d'un film mince de niobate de lithium (LN) monocristallin, lié à une couche d'oxyde isolant et à un substrat de support. Cette structure combine d'excellentes propriétés électro-optiques, optiques non linéaires et de transmission à faible perte, ce qui en fait un matériau clé pour les circuits photoniques intégrés (PIC) de nouvelle génération.       Plateforme Rendue possibleIntégration hétérogène au niveau du waferIntégrationMonocristallinLiéSurCouche d'oxyde isolant CoucheCombineVides : <100TransmissionPropriétésIntégrés (PIC). Structure et spécificationsComme illustré à la page 3 du PDF, le wafer LNOI a une structure à trois couches :Couche supérieure : film mince de LN (300-600 nm) Couche intermédiaire : SiO₂ (2-15 µm)Substrat inférieur : Si, SiC, Saphir ou Quartz

Configurations disponibles :

Taille du wafer : 4 pouces / 6 pouces / 8 pouces (feuille de route évolutive)Orientation du cristal : Z-cut, X-cut, Y-cut, Y-cut tourné

Options de dopage : MgO (5 mol%), Er (1 mol%), etc.Paramètres de performance clésPour les wafers de 6 pouces (voir page 6) :Épaisseur du film mince : 300-600 nmVariation d'épaisseur : ≤ 40 nmVides : <100Contrôle des défauts :

• Vides (>10 µm) : <80Vides : <100Pour les wafers de 8 pouces (page 9) :
• Plage de variation d'épaisseur : ~7,04 nmVides : <100Processus continuellement optimisé
• Performance optique et électro-optiqueBasé sur les données de test (page 8) :

Bande passante de modulation : >67 GHzEfficacité électro-optique (Vπ·L) : ~2,1 V·cm

• Perte optique ultra-faible (largeur de raie ~0,78 pm)
• Ces caractéristiques démontrent une excellente adéquation pour les dispositifs photoniques à haute vitesse et à faible perte. ApplicationsCircuits photoniques intégrés (PIC)Modulateurs optiques à haute vitesse (100G/400G/800G+)Photonique micro-ondes
• Optique non linéaire (conversion de fréquence, OPO, etc.)Photonique quantique et détection de précisionAvantages clés

Fort effet électro-optique de PockelsPerte de propagation ultra-faible

Après le processus de liaison, le wafer lié subit un traitement de recuit. Le recuit est crucial pour améliorer la résistance de la liaison entre la couche de niobate de lithium et le substrat, ainsi que pour réparer tout dommage causé par le processus d'implantation ionique.Évolutif à de grandes tailles de wafer (jusqu'à 8 pouces)Propriétés du wafer LNOI

• La fabrication des wafers de niobate de lithium sur isolant (LNOI) implique une série d'étapes sophistiquées qui combinent la science des matériaux et des techniques de fabrication avancées. Le processus vise à créer un film mince de niobate de lithium (LiNbO₃) de haute qualité lié à un substrat isolant, tel que le silicium ou le niobate de lithium lui-même. Voici une explication détaillée du processus :
• Étape 5 : Planarisation CMPAprès la séparation de la couche de niobate de lithium, la surface du wafer LNOI est généralement rugueuse et inégale. Pour obtenir la qualité de surface requise, le wafer subit un processus final de polissage mécano-chimique (CMP). Le CMP lisse la surface du wafer, éliminant toute rugosité restante et garantissant que le film mince est plan.L'énergie des ions hélium est soigneusement contrôlée pour atteindre la profondeur souhaitée dans le cristal. Au fur et à mesure que les ions traversent le cristal, ils interagissent avec la structure du réseau du matériau, provoquant des perturbations atomiques qui conduisent à la formation d'un plan affaibli, connu sous le nom de « couche d'implantation ». Cette couche permettra finalement de cliver le cristal en deux couches distinctes, où la couche supérieure (appelée Couche A) devient le film mince de niobate de lithium nécessaire pour le LNOI.
• L'épaisseur de ce film mince est directement influencée par la profondeur d'implantation, qui est contrôlée par l'énergie des ions hélium. Les ions forment une distribution gaussienne à l'interface, ce qui est crucial pour assurer l'uniformité du film final.Étape 2 : Préparation du substrat
• Une fois le processus d'implantation ionique terminé, l'étape suivante consiste à préparer le substrat qui supportera le film mince de niobate de lithium. Pour les wafers LNOI, les matériaux de substrat courants comprennent le silicium (Si) ou le niobate de lithium (LN) lui-même. Le substrat doit fournir un support mécanique au film mince et assurer une stabilité à long terme lors des étapes de traitement ultérieures.Pour préparer le substrat, une couche isolante de SiO₂ (dioxyde de silicium) est généralement déposée sur la surface du substrat en silicium à l'aide de techniques telles que l'oxydation thermique ou le PECVD (dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma). Cette couche sert de milieu isolant entre le film de niobate de lithium et le substrat en silicium. Dans certains cas, si la couche de SiO₂ n'est pas suffisamment lisse, un processus de polissage mécano-chimique (CMP) est appliqué pour garantir que la surface est uniforme et prête pour le processus de liaison.
  • Étape 3 : Liaison du film minceAprès la préparation du substrat, l'étape suivante consiste à lier le film mince de niobate de lithium (Couche A) au substrat. Le cristal de niobate de lithium, après implantation ionique, est retourné à 180 degrés et placé sur le substrat préparé. Le processus de liaison est généralement effectué à l'aide d'une technique de liaison de wafer.
  • Dans la liaison de wafer, le cristal de niobate de lithium et le substrat sont soumis à une pression et une température élevées, ce qui fait adhérer fortement les deux surfaces. Le processus de liaison directe ne nécessite généralement aucun matériau adhésif, et les surfaces sont liées au niveau moléculaire. À des fins de recherche, le benzocyclobutène (BCB) peut être utilisé comme matériau de liaison intermédiaire pour fournir un support supplémentaire, bien qu'il ne soit généralement pas utilisé dans la production commerciale en raison de sa stabilité limitée à long terme.Étape 4 : Recuit et séparation des couches

Après le processus de liaison, le wafer lié subit un traitement de recuit. Le recuit est crucial pour améliorer la résistance de la liaison entre la couche de niobate de lithium et le substrat, ainsi que pour réparer tout dommage causé par le processus d'implantation ionique.Pendant le recuit, le wafer lié est chauffé à une température spécifique et maintenu à cette température pendant une certaine durée. Ce processus non seulement renforce les liaisons interfaciales, mais induit également la formation de microbulles dans la couche implantée par ions. Ces bulles provoquent progressivement la séparation de la couche de niobate de lithium (Couche A) du cristal de niobate de lithium massif d'origine (Couche B).Une fois la séparation effectuée, des outils mécaniques sont utilisés pour cliver les deux couches, laissant un film mince de niobate de lithium de haute qualité (Couche A) sur le substrat. La température est progressivement réduite à température ambiante, complétant ainsi le processus de recuit et de séparation des couches.

• Étape 5 : Planarisation CMPAprès la séparation de la couche de niobate de lithium, la surface du wafer LNOI est généralement rugueuse et inégale. Pour obtenir la qualité de surface requise, le wafer subit un processus final de polissage mécano-chimique (CMP). Le CMP lisse la surface du wafer, éliminant toute rugosité restante et garantissant que le film mince est plan.Le processus CMP est essentiel pour obtenir une finition de haute qualité sur le wafer, ce qui est essentiel pour la fabrication ultérieure des dispositifs. La surface est polie à un niveau très fin, souvent avec une rugosité (Rq) inférieure à 0,5 nm mesurée par microscopie à force atomique (AFM).
• Q&R1. Q : Le tantalate de lithium est-il identique au niobate de lithium ?
• R : Non. Le tantalate de lithium (LiTaO₃) et le niobate de lithium (LiNbO₃) sont des matériaux distincts avec des compositions chimiques différentes (Ta vs Nb) mais partagent une structure cristalline similaire (groupe d'espace R3c) et des propriétés ferroélectriques.2. Q : Le niobate de lithium est-il un pérovskite ?

R : Non.

Le niobate de lithium cristallise dans une structure non pérovskite (groupe d'espace R3c), différente de la structure pérovskite canonique ABX₃. Cependant, il présente un comportement ferroélectrique de type pérovskite en raison de son réseau octaédrique d'oxygène de type ABO₃.