芯耀
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这篇文章讲解光通信技术中铌酸锂的应用，借这个机会给读者送出几本半导体书籍，文章最后，介绍活动参与方法。
一、铌酸锂的应用
近些年来，随着数据中心规模的爆发性增长，短距高速光互连技术的重要性日益凸显，对具备大带宽、低驱动电压和紧凑结构的电光调制器的需求也日益增加。
铌酸锂（Lithium niobate, LN）具有优异的物理、化学稳定性，超宽的光学透明窗口（350-5000 nm）和较大的线性电光系数，并且LN晶体的生长技术已经非常成熟，能够实现高质量和低成本的大规模生产。
绝缘体上铌酸锂（Lithium niobate on insulator, LNOI）的可实现更低的工作电压、更小的器件尺寸、更大的调制带宽。
目前，商品化LNOI晶圆采用离子注入和键合剥离技术制作，这种技术通常被叫做Smart-cut, 其流程如下图所示。
首先，将氦离子（He+）注入到传统LN晶圆中，注入深度决定了LN薄膜的厚度。然后，将传统LN晶圆与表面制作有SiO2的基底材料进行键合。
基底材料有多种选择，包括：硅、石英和蓝宝石等。接着，将键合好的晶圆进行高温处理（大于220℃），这会使LN在离子注入层处断裂，进而从传统LN晶圆上剥离。剥离后的LN薄膜需要进行高温退火，以减少离子注入引起的材料损伤，并恢复LN的电光效应。需要特别说明的是，退火的温度、时间、以及退火炉中通入的气体种类都会影响LN的折射率和电光系数。最后，对LNOI晶圆进行化学机械抛光（Chemical mechanical polishing，CMP），以降低其表面粗糙度。
二、薄膜铌酸锂光波导分类
光波导是集成光子器件的基础，常见的LNOI光波导可以分为三大类：单片刻蚀型光波导、异质加载型光波导、异质键合型光波导。
单片刻蚀型光波导的横截面示意图如图(a)所示。LN是一种质地坚硬、难以刻蚀的材料，目前主流的单片刻蚀型波导制作工艺为基于Ar+的干法刻蚀工艺。
基于此工艺制作的光波导的侧壁具有一定的倾角，其典型值为~70°。此外，单片刻蚀型波导也可通过化学机械刻蚀或湿法刻蚀工艺制作。
异质加载型光波导的横截面示意图如图(b)所示。异质加载材料的引入可以避免难度较大的LN直接刻蚀。为了实现良好的光场横向限制，加载材料的折射率需要接近或大于LN的折射率，常见的加载材料包括氮化硅（SiN）、硅（Si）、二氧化钛（TiO2）、硫系玻璃和五氧化二坦（Ta2O5）。
异质键合型光波导的横截面示意图如图(c)所示。LN被键合在已制作了波导的SiN或SOI晶圆之上。在调制区域外，光均在SiN/SOI波导中传输，因此可以充分利用其成熟的波导制作工艺和无源器件库。在调制区域内，SiN/SOI波导的宽度较窄，限制光场的能力较差，这使得部分光场分布在LN中，这样便可利用LN的电光效应实现调制。
在异质加载型光波导或异质键合型光波导中，只有部分光场分布于LN。因此，基于此类光波导的电光调制器，其调制区域的电光相互作用强度弱于基于单片刻蚀型光波导的电光调制器，进而造成较低的电光调制效率。
三、调制器器件制作
调制器的制作流程如下图所示：
以下对各个工艺步骤进行介绍：
a)利用射频磁控溅射仪在X切LNOI上溅射一层120nm厚的铬膜。
b)旋涂光刻胶，然后光刻显影形成光波导的光刻胶图案。
c)利用铬腐蚀液对铬进行湿法刻蚀，将光刻胶图案转移到铬膜上。
d)利用丙酮去除铬膜上方的光刻胶。
e)在干法刻蚀前对LNOI进行质子交换，用质子源中的H+替换LN中的Li+，以减少刻蚀过程中氟化锂沉积物的生成。
f)利用感应耦合等离子（Inductively coupled plasma，ICP）刻蚀设备，对LN进行干法刻蚀，工艺气体配方为：氩气+四氟化碳。
刻蚀完毕后，用铬腐蚀液去除晶圆表面残余的铬膜。利用台阶仪测试得到波导的刻蚀深度为244nm，接近设计值250nm。
g)利用射频磁控溅射仪在晶圆表面溅射一层600nm厚的SiO2。
h)制作SiO2层窗口的光刻胶图案，然后利用缓冲SiO2腐蚀液（Buffered oxide etch, BOE）对SiO2进行腐蚀。调制器区域的SiO2无光刻胶遮挡，因此被去除。加热电极和调制电极跨过波导区域的SiO2有光刻胶遮挡，因此被保留。
i)制作加热电极的光刻胶图案，然后利用热蒸发镀膜仪在晶圆表面蒸镀一层200nm厚的铝，最后在丙酮中剥离出加热电极。
j)制作调制电极的光刻胶图案，然后利用热蒸发镀膜仪在晶圆表面蒸镀一层1μm厚的铝，最后在丙酮中剥离出调制电极。
在完成上述步骤后，需要对芯片的输入输出端面进行抛光，以形成光滑的端面，从而降低耦合损耗。
参考文献：
(1)王梦柯 铌酸锂薄膜电光调制器关键理论与技术研究[D].
(2)李青云 硅和铌酸锂复合薄膜及相关光子器件的研究[D].
