8-Zoll-LNOI-Wafer (LiNbO3 auf Isolator) für optische Modulatoren, Wellenleiter, integrierte Schaltkreise
Detailliertes Diagramm
Einführung
Lithiumniobat-auf-Isolator-Wafer (LNOI) sind ein hochmodernes Material für verschiedene fortschrittliche optische und elektronische Anwendungen. Diese Wafer werden hergestellt, indem eine dünne Schicht Lithiumniobat (LiNbO₃) mithilfe hochentwickelter Techniken wie Ionenimplantation und Waferbonden auf ein isolierendes Substrat, typischerweise Silizium oder ein anderes geeignetes Material, aufgebracht wird. Die LNOI-Technologie weist viele Ähnlichkeiten mit der Silizium-auf-Isolator-Wafertechnologie (SOI) auf, nutzt jedoch die einzigartigen optischen Eigenschaften von Lithiumniobat, einem Material, das für seine piezoelektrischen, pyroelektrischen und nichtlinearen optischen Eigenschaften bekannt ist.
LNOI-Wafer erfreuen sich aufgrund ihrer überlegenen Leistung bei Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen in Bereichen wie integrierter Optik, Telekommunikation und Quantencomputing großer Beliebtheit. Die Wafer werden mit der „Smart-Cut“-Technik hergestellt, die eine präzise Kontrolle der Dicke der Lithiumniobat-Dünnschicht ermöglicht und sicherstellt, dass die Wafer die erforderlichen Spezifikationen für verschiedene Anwendungen erfüllen.
Prinzip
Der Herstellungsprozess von LNOI-Wafern beginnt mit einem massiven Lithiumniobatkristall. Dieser wird einer Ionenimplantation unterzogen, bei der hochenergetische Heliumionen in die Oberfläche des Lithiumniobatkristalls eingebracht werden. Diese Ionen dringen bis zu einer bestimmten Tiefe in den Kristall ein und zerstören die Kristallstruktur. Dadurch entsteht eine fragile Ebene, die später zum Trennen des Kristalls in dünne Schichten verwendet werden kann. Die spezifische Energie der Heliumionen bestimmt die Implantationstiefe, die wiederum die Dicke der endgültigen Lithiumniobatschicht beeinflusst.
Nach der Ionenimplantation wird der Lithiumniobatkristall mithilfe des Waferbondens mit einem Substrat verbunden. Der Bondprozess erfolgt typischerweise durch Direktbonden, bei dem die beiden Oberflächen (der ionenimplantierte Lithiumniobatkristall und das Substrat) unter hoher Temperatur und hohem Druck zusammengepresst werden, um eine starke Verbindung zu erzeugen. In manchen Fällen kann ein Klebstoff wie Benzocyclobuten (BCB) zur zusätzlichen Unterstützung verwendet werden.
Nach dem Bonden wird der Wafer einem Temperprozess unterzogen, um die durch die Ionenimplantation entstandenen Schäden zu reparieren und die Bindung zwischen den Schichten zu verbessern. Der Temperprozess trägt auch dazu bei, dass sich die dünne Lithiumniobatschicht vom ursprünglichen Kristall löst. Zurück bleibt eine dünne, hochwertige Lithiumniobatschicht, die für die Geräteherstellung verwendet werden kann.
Technische Daten
LNOI-Wafer zeichnen sich durch mehrere wichtige Spezifikationen aus, die ihre Eignung für Hochleistungsanwendungen sicherstellen. Dazu gehören:
Materialspezifikationen
| Material | Spezifikationen |
| Material | Homogen: LiNbO3 |
| Materialqualität | Blasen oder Einschlüsse <100μm |
| Orientierung | Y-Schnitt ±0,2° |
| Dichte | 4,65 g/cm³ |
| Curie-Temperatur | 1142 ±1 °C |
| Transparenz | >95 % im Bereich von 450–700 nm (10 mm Dicke) |
Fertigungsspezifikationen
| Parameter | Spezifikation |
| Durchmesser | 150 mm ±0,2 mm |
| Dicke | 350 μm ±10 μm |
| Ebenheit | <1,3 μm |
| Gesamtdickenvariation (TTV) | Verzug <70 μm @ 150 mm Wafer |
| Lokale Dickenvariation (LTV) | <70 μm @ 150 mm Wafer |
| Rauheit | Rq ≤0,5 nm (AFM RMS-Wert) |
| Oberflächenqualität | 40-20 |
| Partikel (nicht entfernbar) | 100-200 μm ≤3 Partikel |
| Chips | <300 μm (voller Wafer, keine Ausschlusszone) |
| Risse | Keine Risse (volle Wafer) |
| Kontamination | Keine nicht entfernbaren Flecken (volle Wafer) |
| Parallelität | <30 Bogensekunden |
| Orientierungsreferenzebene (X-Achse) | 47 ±2 mm |
Anwendungen
LNOI-Wafer finden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in den Bereichen Photonik, Telekommunikation und Quantentechnologie. Zu den wichtigsten Anwendungen zählen:
Integrierte Optik:LNOI-Wafer werden häufig in integrierten optischen Schaltkreisen eingesetzt und ermöglichen dort die Herstellung leistungsstarker photonischer Bauelemente wie Modulatoren, Wellenleiter und Resonatoren. Die hohen nichtlinearen optischen Eigenschaften von Lithiumniobat machen es zu einer hervorragenden Wahl für Anwendungen, die eine effiziente Lichtmanipulation erfordern.
Telekommunikation:LNOI-Wafer werden in optischen Modulatoren eingesetzt, die wichtige Komponenten in Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen, einschließlich Glasfasernetzen, sind. Die Fähigkeit, Licht bei hohen Frequenzen zu modulieren, macht LNOI-Wafer ideal für moderne Telekommunikationssysteme.
Quantencomputing:In der Quantentechnologie werden LNOI-Wafer zur Herstellung von Komponenten für Quantencomputer und Quantenkommunikationssysteme verwendet. Die nichtlinearen optischen Eigenschaften von LNOI werden genutzt, um verschränkte Photonenpaare zu erzeugen, die für die Quantenschlüsselverteilung und die Quantenkryptographie von entscheidender Bedeutung sind.
Sensoren:LNOI-Wafer werden in verschiedenen Sensoranwendungen eingesetzt, darunter optische und akustische Sensoren. Ihre Fähigkeit, sowohl mit Licht als auch mit Schall zu interagieren, macht sie für verschiedene Sensortechnologien vielseitig einsetzbar.
Häufig gestellte Fragen
Q:Was ist LNOI-Technologie?
A: Bei der LNOI-Technologie wird ein dünner Lithiumniobatfilm auf ein isolierendes Substrat, typischerweise Silizium, übertragen. Diese Technologie nutzt die einzigartigen Eigenschaften von Lithiumniobat, wie seine hohen nichtlinearen optischen Eigenschaften, Piezoelektrizität und Pyroelektrizität, und eignet sich daher ideal für die integrierte Optik und Telekommunikation.
Q:Was ist der Unterschied zwischen LNOI- und SOI-Wafern?
A: LNOI- und SOI-Wafer ähneln sich darin, dass sie aus einer dünnen Materialschicht bestehen, die mit einem Substrat verbunden ist. LNOI-Wafer verwenden jedoch Lithiumniobat als Dünnschichtmaterial, während SOI-Wafer Silizium verwenden. Der Hauptunterschied liegt in den Eigenschaften des Dünnschichtmaterials: LNOI bietet überlegene optische und piezoelektrische Eigenschaften.
Q:Welche Vorteile bietet die Verwendung von LNOI-Wafern?
A: Zu den Hauptvorteilen von LNOI-Wafern zählen ihre hervorragenden optischen Eigenschaften, wie hohe nichtlineare optische Koeffizienten, und ihre mechanische Festigkeit. Diese Eigenschaften machen LNOI-Wafer ideal für den Einsatz in Hochgeschwindigkeits-, Hochfrequenz- und Quantenanwendungen.
Q:Können LNOI-Wafer für Quantenanwendungen verwendet werden?
A: Ja, LNOI-Wafer werden aufgrund ihrer Fähigkeit zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare und ihrer Kompatibilität mit integrierter Photonik häufig in der Quantentechnologie eingesetzt. Diese Eigenschaften sind entscheidend für Anwendungen in der Quanteninformatik, Kommunikation und Kryptographie.
Q:Was ist die typische Dicke von LNOI-Filmen?
A: LNOI-Filme haben je nach Anwendung typischerweise eine Dicke von einigen hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern. Die Dicke wird während der Ionenimplantation kontrolliert.
