Lab News

Fabrication and Characterization of Wafer-Scale Thin-Film Lithium Niobate Waveguides

2024-04-20   356    

随着光子集成和光通信技术的快速发展,低损耗波导是实现高效光子传输的关键元件,其性能直接影响整个集成芯片的性能。目前,铌酸锂集成光子器件的研制大多集中在元器件的单个或者小规模制备,要提高产率、降低成本及推进铌酸锂光子芯片的产业化进程,晶圆级薄膜铌酸锂波导的制备技术至关重要。

近日,南京大学现代工程与应用科学学院祝世宁院士、胡小鹏教授团队与南京南智先进光电集成技术研究院有限公司(简称“南智光电”)合作,在《人工晶体学报》2024年第3铌酸锂集成光子学专栏发表研究论文《晶圆级薄膜铌酸锂波导制备工艺与性能表征》。该论文基于深紫外光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术,在4英寸的薄膜铌酸锂晶圆上成功制备出了传输损耗低于0.15 dB/cm的波导,刻蚀深度误差控制在10%以内,合格率大于85%

该工作是南京大学和南智光电产学研合作的创新成果。南智光电成立于20184月,系南京大学与南京市、南京江北新区校地共建重点项目,2021年获批建设江苏省光电技术创新中心,20232月成为江苏省产研院先进光电材料与器件技术研究所。研究院主要开展光学微纳结构器件制造、异质集成光电芯片、光电子封装测试和光电集成设计等方向的技术研发、产业孵化和赋能投资;致力于建成国际一流薄膜铌酸锂+X”光电异质集成公共技术平台,为光电企业、高校院所提供光电芯片及器件研制、开发和制备服务。

论文题录

叶志霖,?李世凤,?崔国新,?尹志军,?王学斌,?赵刚,?胡小鹏,?祝世宁.?晶圆级薄膜铌酸锂波导制备工艺与性能表征[J].?人工晶体学报, 2024, 53(3): 426-433.

YE Zhilin, LI Shifeng, CUI Guoxin, YIN Zhijun, WANG Xuebin, ZHAO Gang, HU Xiaopeng, ZHU Shining. Fabrication and Characterization of Wafer-Scale Thin-Film Lithium Niobate Waveguides[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2024, 53(3): 426-433.

文章导读

本文基于深紫外光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术,制备了晶圆级薄膜铌酸锂波导。波导侧壁平滑,可与使用EBL光刻掩膜刻蚀后的效果相媲美。对三个4英寸晶圆的刻蚀深度均匀性进行了测量。不同批次之间的刻蚀均匀性结果如表1所示,最大相对误差均小于10%


1?晶圆级薄膜铌酸锂波导的加工工艺流程


2?4英寸薄膜铌酸锂晶圆的照片(a)与其SEM照片(b)~(d)(b)波导侧壁;(c)波导截面;(d)刻蚀所得最窄波导


1?三个批次晶圆样品的刻蚀深度均匀性

对波导损耗的表征,先后采用了截断法和微环谐振腔法。用微环谐振腔测得的损耗值和截断法测得损耗在数量级上基本一致。


3?不同长度的延迟线型的波导显微图(a)与不同设计宽度波导的损耗拟合结果:(b)1. 2 μm(c)2. 0 μm


4?微环谐振腔结构的SEM照片(a)与其透过率数据拟合曲线(b)

为了研究波导制备工艺对波导损耗的影响,本文深入研究了波导损耗与波导宽度之间的关系,提出了一种表征晶圆级波导加工工艺的方法,并对4英寸硅衬底晶圆和4英寸石英衬底晶圆级薄膜铌酸锂波导制备工艺能力进行定量表征。硅衬底薄膜铌酸锂单模波导平均传输损耗低于0.43 dB/cm,多模波导平均传输损耗为0.15 dB/cm,制备工艺合格率接近100%;石英衬底薄膜铌酸锂单模波导平均传输损耗低于0.69 dB/cm,多模波导平均传输损耗为0.35dB/ cm,制备工艺合格率接近85%


5?不同晶圆性质、不同刻蚀工艺的波导损耗数据


6?4英寸硅衬底(a)4英寸石英衬底(b)薄膜铌酸锂晶圆波导损耗分布图

结论

本文介绍了一种晶圆级薄膜铌酸锂刻蚀工艺,基于DUV光刻制备整个晶圆的掩膜,以及使用ICP刻蚀波导;利用这种工艺在4英寸硅衬底薄膜铌酸锂晶圆上,制备的单模波导平均传输损耗为0.43 dB/cm,多模波导平均传输损耗为0.15 dB/cm,测得整晶圆片上刻蚀深度误差低于10%;针对晶圆级波导制备工艺的合格率,本文发展了基于微环谐振腔的波导损耗测试方案,以及损耗计算经验公式,表征了不同衬底的薄膜铌酸锂波导制备工艺,合格率大于85%


文章来源于人工晶体学报微信公众号。