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一、鈮酸鋰的應用

近些年來，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的爆發(fā)性增長，短距高速光互連技術的重要性日益凸顯，對具備大帶寬、低驅動電壓和緊湊結構的電光調(diào)制器的需求也日益增加。

鈮酸鋰（Lithium niobate, LN）具有優(yōu)異的物理、化學穩(wěn)定性，超寬的光學透明窗口（350-5000 nm）和較大的線性電光系數(shù)，并且LN晶體的生長技術已經(jīng)非常成熟，能夠實現(xiàn)高質(zhì)量和低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。

絕緣體上鈮酸鋰（Lithium niobate on insulator, LNOI）的可實現(xiàn)更低的工作電壓、更小的器件尺寸、更大的調(diào)制帶寬。

目前，商品化LNOI晶圓采用離子注入和鍵合剝離技術制作，這種技術通常被叫做Smart-cut, 其流程如下圖所示。

首先，將氦離子（He+）注入到傳統(tǒng)LN晶圓中，注入深度決定了LN薄膜的厚度。然后，將傳統(tǒng)LN晶圓與表面制作有SiO2的基底材料進行鍵合。

基底材料有多種選擇，包括：硅、石英和藍寶石等。接著，將鍵合好的晶圓進行高溫處理（大于220℃），這會使LN在離子注入層處斷裂，進而從傳統(tǒng)LN晶圓上剝離。剝離后的LN薄膜需要進行高溫退火，以減少離子注入引起的材料損傷，并恢復LN的電光效應。需要特別說明的是，退火的溫度、時間、以及退火爐中通入的氣體種類都會影響LN的折射率和電光系數(shù)。最后，對LNOI晶圓進行化學機械拋光（Chemical mechanical polishing，CMP），以降低其表面粗糙度。

二、薄膜鈮酸鋰光波導分類

光波導是集成光子器件的基礎，常見的LNOI光波導可以分為三大類：單片刻蝕型光波導、異質(zhì)加載型光波導、異質(zhì)鍵合型光波導。

單片刻蝕型光波導的橫截面示意圖如圖(a)所示。LN是一種質(zhì)地堅硬、難以刻蝕的材料，目前主流的單片刻蝕型波導制作工藝為基于Ar+的干法刻蝕工藝。

基于此工藝制作的光波導的側壁具有一定的傾角，其典型值為~70°。此外，單片刻蝕型波導也可通過化學機械刻蝕或濕法刻蝕工藝制作。

異質(zhì)加載型光波導的橫截面示意圖如圖(b)所示。異質(zhì)加載材料的引入可以避免難度較大的LN直接刻蝕。為了實現(xiàn)良好的光場橫向限制，加載材料的折射率需要接近或大于LN的折射率，常見的加載材料包括氮化硅（SiN）、硅（Si）、二氧化鈦（TiO2）、硫系玻璃和五氧化二坦（Ta2O5）。

異質(zhì)鍵合型光波導的橫截面示意圖如圖(c)所示。LN被鍵合在已制作了波導的SiN或SOI晶圓之上。在調(diào)制區(qū)域外，光均在SiN/SOI波導中傳輸，因此可以充分利用其成熟的波導制作工藝和無源器件庫。在調(diào)制區(qū)域內(nèi)，SiN/SOI波導的寬度較窄，限制光場的能力較差，這使得部分光場分布在LN中，這樣便可利用LN的電光效應實現(xiàn)調(diào)制。

在異質(zhì)加載型光波導或異質(zhì)鍵合型光波導中，只有部分光場分布于LN。因此，基于此類光波導的電光調(diào)制器，其調(diào)制區(qū)域的電光相互作用強度弱于基于單片刻蝕型光波導的電光調(diào)制器，進而造成較低的電光調(diào)制效率。

三、調(diào)制器器件制作

調(diào)制器的制作流程如下圖所示：

以下對各個工藝步驟進行介紹：

a)利用射頻磁控濺射儀在X切LNOI上濺射一層120nm厚的鉻膜。

b)旋涂光刻膠，然后光刻顯影形成光波導的光刻膠圖案。

c)利用鉻腐蝕液對鉻進行濕法刻蝕，將光刻膠圖案轉移到鉻膜上。

d)利用丙酮去除鉻膜上方的光刻膠。

e)在干法刻蝕前對LNOI進行質(zhì)子交換，用質(zhì)子源中的H+替換LN中的Li+，以減少刻蝕過程中氟化鋰沉積物的生成。

f)利用感應耦合等離子（Inductively coupled plasma，ICP）刻蝕設備，對LN進行干法刻蝕，工藝氣體配方為：氬氣+四氟化碳。

刻蝕完畢后，用鉻腐蝕液去除晶圓表面殘余的鉻膜。利用臺階儀測試得到波導的刻蝕深度為244nm，接近設計值250nm。

g)利用射頻磁控濺射儀在晶圓表面濺射一層600nm厚的SiO2。

h)制作SiO2層窗口的光刻膠圖案，然后利用緩沖SiO2腐蝕液（Buffered oxide etch, BOE）對SiO2進行腐蝕。調(diào)制器區(qū)域的SiO2無光刻膠遮擋，因此被去除。加熱電極和調(diào)制電極跨過波導區(qū)域的SiO2有光刻膠遮擋，因此被保留。

i)制作加熱電極的光刻膠圖案，然后利用熱蒸發(fā)鍍膜儀在晶圓表面蒸鍍一層200nm厚的鋁，最后在丙酮中剝離出加熱電極。

j)制作調(diào)制電極的光刻膠圖案，然后利用熱蒸發(fā)鍍膜儀在晶圓表面蒸鍍一層1μm厚的鋁，最后在丙酮中剝離出調(diào)制電極。

在完成上述步驟后，需要對芯片的輸入輸出端面進行拋光，以形成光滑的端面，從而降低耦合損耗。