8-Zoll-LNOI-Wafer (LiNbO3 auf Isolator) für optische Modulatoren, Wellenleiter und integrierte Schaltungen
Detailliertes Diagramm
Einführung
Lithiumniobat-auf-Isolator (LNOI)-Wafer sind ein hochmodernes Material, das in verschiedenen fortschrittlichen optischen und elektronischen Anwendungen eingesetzt wird. Diese Wafer werden hergestellt, indem eine dünne Schicht Lithiumniobat (LiNbO₃) mithilfe anspruchsvoller Verfahren wie Ionenimplantation und Waferbonden auf ein isolierendes Substrat, typischerweise Silizium oder ein anderes geeignetes Material, übertragen wird. Die LNOI-Technologie weist viele Ähnlichkeiten mit der Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer-Technologie auf, nutzt aber die einzigartigen optischen Eigenschaften von Lithiumniobat, einem Material, das für seine piezoelektrischen, pyroelektrischen und nichtlinearen optischen Eigenschaften bekannt ist.
LNOI-Wafer haben aufgrund ihrer überlegenen Leistung in Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen in Bereichen wie der integrierten Optik, der Telekommunikation und dem Quantencomputing große Beachtung gefunden. Die Wafer werden mit dem „Smart-Cut“-Verfahren hergestellt, das eine präzise Kontrolle über die Dicke des Lithiumniobat-Dünnfilms ermöglicht und somit sicherstellt, dass die Wafer die erforderlichen Spezifikationen für verschiedene Anwendungen erfüllen.
Prinzip
Die Herstellung von LNOI-Wafern beginnt mit einem Lithiumniobat-Einkristall. Dieser wird einer Ionenimplantation unterzogen, bei der hochenergetische Heliumionen in die Oberfläche des Lithiumniobat-Kristalls eingebracht werden. Die Ionen dringen bis zu einer bestimmten Tiefe in den Kristall ein und stören dessen Struktur. Dadurch entsteht eine fragile Ebene, die später zur Trennung des Kristalls in dünne Schichten genutzt werden kann. Die spezifische Energie der Heliumionen bestimmt die Implantationstiefe und damit direkt die Dicke der resultierenden Lithiumniobat-Schicht.
Nach der Ionenimplantation wird der Lithiumniobat-Kristall mittels Waferbonden mit einem Substrat verbunden. Typischerweise wird dabei ein Direktbondverfahren angewendet, bei dem die beiden Oberflächen (der ionenimplantierte Lithiumniobat-Kristall und das Substrat) unter hohem Druck und hoher Temperatur zusammengepresst werden, um eine feste Verbindung herzustellen. In manchen Fällen kann zur zusätzlichen Stabilisierung ein Haftmittel wie Benzocyclobuten (BCB) verwendet werden.
Nach dem Bonden wird der Wafer einem Temperprozess unterzogen, um durch die Ionenimplantation verursachte Schäden zu beheben und die Verbindung zwischen den Schichten zu verbessern. Der Temperprozess trägt außerdem dazu bei, dass sich die dünne Lithiumniobatschicht vom ursprünglichen Kristall löst, sodass eine dünne, hochwertige Lithiumniobatschicht zurückbleibt, die für die Bauelementefertigung verwendet werden kann.
Spezifikationen
LNOI-Wafer zeichnen sich durch mehrere wichtige Spezifikationen aus, die ihre Eignung für Hochleistungsanwendungen gewährleisten. 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) | Verformung <70 μm auf einem 150-mm-Wafer |
| Lokale Dickenvariation (LTV) | <70 μm auf 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 (vollständiger Wafer, keine Ausschlusszone) |
| Risse | Keine Risse (vollständige Scheibe) |
| Kontamination | Keine nicht entfernbaren Flecken (vollständige Oblate) |
| Parallelität | <30 Bogensekunden |
| Orientierungsbezugsebene (X-Achse) | 47 ±2 mm |
Anwendungen
LNOI-Wafer werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, insbesondere in den Bereichen Photonik, Telekommunikation und Quantentechnologien. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:
Integrierte Optik:LNOI-Wafer finden breite Anwendung in integrierten optischen Schaltungen, wo sie die Realisierung von Hochleistungs-Photonikbauelementen wie Modulatoren, Wellenleitern und Resonatoren ermöglichen. Die hohen nichtlinearen optischen Eigenschaften von Lithiumniobat machen es zu einer ausgezeichneten Wahl für Anwendungen, die eine effiziente Lichtmanipulation erfordern.
Telekommunikation:LNOI-Wafer werden in optischen Modulatoren eingesetzt, die wesentliche Komponenten in Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystemen, einschließlich Glasfasernetzen, darstellen. Die Fähigkeit, Licht mit 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 Quantenkryptographie unerlässlich 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 vielseitig für verschiedene Arten von Sensortechnologien.
Häufig gestellte Fragen
Q:Was ist die LNOI-Technologie?
Die LNOI-Technologie (Lithiumniobat-Inertgas ...
Q:Worin besteht der Unterschied zwischen LNOI- und SOI-Wafern?
A: Sowohl LNOI- als auch SOI-Wafer ähneln sich darin, dass sie aus einer dünnen Materialschicht bestehen, die auf ein Substrat aufgebracht 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 beispielsweise 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, verschränkte Photonenpaare zu erzeugen, und ihrer Kompatibilität mit integrierter Photonik häufig in Quantentechnologien eingesetzt. Diese Eigenschaften sind entscheidend für Anwendungen im Quantencomputing, in der Quantenkommunikation und in der Quantenkryptographie.
Q:Welche typische Dicke haben LNOI-Filme?
A:LNOI-Filme weisen typischerweise eine Dicke von einigen hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern auf, abhängig von der jeweiligen Anwendung. Die Dicke wird während des Ionenimplantationsprozesses kontrolliert.
