AIP Advances | 制作低損耗絕緣體上鈮酸鋰波導(dǎo)的方法

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引言
- a8 x1 H, @! p' f1 F" V, x絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)波導(dǎo)因其優(yōu)異的光學(xué)性能，在集成光電子技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。然而，由于鈮酸鋰(LN)的硬度高、化學(xué)惰性強(qiáng)，且在刻蝕過程中易產(chǎn)生材料再沉積，制作低損耗LNOI波導(dǎo)具有很大挑戰(zhàn)。本文基于美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST) NanoFab設(shè)施的研究，介紹了優(yōu)化LNOI波導(dǎo)制作工藝的關(guān)鍵步驟和注意事項(xiàng)[1]。
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, ]  o9 N% A4 W/ u& L$ N& [掩模選擇與圖形化
選擇合適的掩模材料對獲得高質(zhì)量刻蝕結(jié)構(gòu)非常重要。雖然軟掩模(如電子束光刻膠)使用簡單，但通常會導(dǎo)致側(cè)壁質(zhì)量較差。硬掩模，如鉻(Cr)或二氧化硅(SiO2)，一般能產(chǎn)生更好的結(jié)果。

為圖形化波導(dǎo)，通常使用電子束光刻(EBL)和正性光刻膠如ZEP520A。將光刻膠旋涂到LNOI芯片上，用EBL曝光，然后顯影。對于硬掩模樣品，在涂覆光刻膠之前需要先沉積掩模材料(如Cr或SiO2)。

/ J6 L& J& Y- @$ z圖1：使用ICP RIE圖形化LN的制作過程示意圖。
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( W+ O* t3 ]: y' c5 J5 G刻蝕過程
電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕(ICP RIE)是刻蝕LN的首選方法。
, T$ Z- `( F0 [- }; B該過程使用氬(Ar)等離子體物理刻蝕材料。需要優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)包括：

射頻(RF)功率：控制離子向基板加速，顯著影響刻蝕速率、深度和再沉積。

ICP功率：決定等離子體密度。
腔室壓力
氣體流量
  l/ A( H4 h+ b0 s: y基板溫度
' [3 z5 h! M1 [3 `( p
) V9 S) U0 E- Z4 ], q
3 J0 w: e% g6 c+ n$ [8 W! ?. [: B
$ l& P: r& d! e圖2：用于LN刻蝕的ICP腔室示意圖。


RF功率優(yōu)化
RF功率是影響刻蝕和再沉積平衡的關(guān)鍵參數(shù)。在低RF功率下，再沉積材料往往積累在側(cè)壁上。隨著RF功率增加，刻蝕速率超過再沉積速率，導(dǎo)致側(cè)壁更干凈。

4 e" M& u- y# p/ s1 k圖3：SEM圖像顯示了RF功率對使用Cr掩模樣品再沉積的影響。
2 e4 Z) q- o) ]8 @/ N
然而，過高的RF功率會導(dǎo)致波導(dǎo)結(jié)構(gòu)損壞。最佳RF功率范圍通常在100-200 W之間，但可能因具體使用的ICP RIE設(shè)備而異。
  o3 F, O. j+ H- A: {% W3 b/ g
: n  ~0 W+ U! o4 m3 b9 G再沉積物去除
即使優(yōu)化了刻蝕參數(shù)，通常仍有一些再沉積物殘留，需要通過濕法清洗過程去除。改良的RCA-1溶液(NH4OH:H2O2:H2O比例為2:2:1)加熱到85°C對此很有效。
6 B9 ~0 e9 }" d6 l0 _, t
圖4：清洗過程不同階段的LN波導(dǎo)SEM圖像。
/ y; O" [' I! v: Y& O
清洗過程需要仔細(xì)優(yōu)化：

持續(xù)時間：清洗不足會留下再沉積物，過度清洗會損壞波導(dǎo)。

方向：樣品應(yīng)在相對于攪拌方向的0°和90°方向上清洗。

溶液新鮮度：改變樣品方向時，應(yīng)準(zhǔn)備新的清洗溶液。
[/ol]
典型的優(yōu)化清洗過程包括每個方向15分鐘，總共30分鐘。
' r, ?! D9 ~4 F2 V) S% P% g, R+ @
圖5：SEM圖像顯示了過度清洗導(dǎo)致的波導(dǎo)損壞。

. |' o9 j3 e' U7 W; A9 v% \4 M6 z硬掩模比較
雖然Cr和SiO2硬掩模都能產(chǎn)生良好結(jié)果，但它們具有不同特性：

1. 鉻掩模：

由于Cr的多晶結(jié)構(gòu)，在側(cè)壁上產(chǎn)生顆粒狀特征

與SiO2相比，通常產(chǎn)生更光滑的側(cè)壁

不太容易出現(xiàn)溝槽問題
/ y5 ?3 ]! c2 Z% [2 c& C
8 L8 q9 \0 L1 ~. O2. 二氧化硅掩模：
# q& ^; B4 V: M& j0 t/ U9 V& H

可能在側(cè)壁上產(chǎn)生條紋

更容易在側(cè)壁底部產(chǎn)生溝槽

可能需要額外措施來緩解充電效應(yīng)
& ^% P$ [7 b$ j
- _/ X5 g+ L" G3 R3 Q7 C: J4 \( T
4 W: i' K0 V3 Q9 p: P
( g$ t& J9 P& }9 Y- {; a' J圖6：比較使用(a) Cr和(b) SiO2硬掩�？涛g的LN波導(dǎo)SEM圖像。


圖7：使用(a) Cr和(b) SiO2硬掩模刻蝕的LN波導(dǎo)FIB-milled橫截面SEM圖像。

9 ^, `- U# X8 d7 M波導(dǎo)制作流程
基于上述優(yōu)化，以下是制作低損耗LNOI波導(dǎo)的流程總結(jié)：
6 V% q* B. z& e- L9 o+ G
1. 基板準(zhǔn)備：
# H4 P0 B* l! @; |4 u從LNOI晶圓開始(如700 nm x切割LN薄膜在2 μm SiO2上，再在Si基板上)
7 K7 C% M$ [2 [- o) x& }- j- c* o使用硫酸高錳酸鉀溶液清洗基板，然后進(jìn)行RCA清洗

2. 硬掩模沉積：
5 J/ B) q- I2 U7 J! V; x

使用電子束蒸發(fā)沉積50 nm Cr

(替代方案：500 nm PECVD SiO2 + 10 nm電子束Cr)
! `+ G& j7 O$ J/ E' D+ H. Q( P
3. 光刻：

旋涂ZEP520A電子束光刻膠

進(jìn)行電子束光刻定義波導(dǎo)圖形

顯影曝光后的光刻膠
- K  G! N% U  o4 H' \; o  X
/ b! Q# h( I# B5 _4. 圖形轉(zhuǎn)移到硬掩模：

使用ICP RIE刻蝕硬掩模層

! W" F4 z2 u+ U% K5. LN刻蝕：

使用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行LN的ICP RIE刻蝕：
+ h2 j3 X$ O+ e7 ]    RF功率：150 W
    ICP功率：1500 W
    壓力：5 mTorr
7 O. T4 c6 q, v/ A7 T    Ar氣體流量：20 SCCM
; i7 C* p. k* _# n* q/ R    溫度：5°C
, b( J3 o1 y& Q3 `

使用多個短刻蝕循環(huán)，中間有冷卻期，以防止樣品損壞
- L; U. p( r1 n: e$ i/ I$ s
, G  ]8 m% U& v+ K, M# A, e9 e6. 掩模去除：

使用適當(dāng)?shù)目涛g劑去除剩余硬掩模

7. 再沉積物清洗：

在加熱的RCA-1溶液中每個方向清洗15分鐘(總共30分鐘)

8. 包覆(可選)：
& M9 V& Z& }6 j: v; H7 T

使用PECVD沉積2 μm SiO2作為上部包覆層

' O1 {  F5 u( M+ R0 z3 r9 z/ u% O9. 端面準(zhǔn)備：
+ E/ v# ]$ E' n1 I

拋光端面以進(jìn)行光學(xué)耦合
: N3 a, X7 ]* s: X7 L7 g. `4 B# n3 W+ n
! z1 F1 L+ ~2 U4 \  ~5 A光學(xué)表征
- ~2 [2 W, ?7 j' B7 D. c  H為評估制作的波導(dǎo)質(zhì)量，光學(xué)損耗測量非常重要。典型設(shè)置包括使用錐形光纖將1550 nm激光耦合到波導(dǎo)中，并測量輸出功率。

5 X7 ?( Z" [$ `6 ]  j$ T- x
圖8：測量LNOI波導(dǎo)在1550 nm波長下光學(xué)損耗的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
+ R, ^. a, P  l% Z$ F* J

圖9：對八個相同LNOI波導(dǎo)進(jìn)行的光學(xué)損耗測量結(jié)果。

使用本文描述的優(yōu)化制作工藝，可以實(shí)現(xiàn)長度為4.5 mm的LNOI波導(dǎo)，總損耗(傳播+耦合)約為-10.5 dB。這相當(dāng)于傳播損耗的上限估計(jì)約為2 dB/cm，與文獻(xiàn)報道的數(shù)值具有競爭力。
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9 z6 O" c, q( \結(jié)論
制作低損耗LNOI波導(dǎo)需要仔細(xì)優(yōu)化多個工藝步驟，從掩模選擇到刻蝕參數(shù)和刻蝕后清洗。作者認(rèn)為通過遵循本文提供的指南，研究人員可以開發(fā)可靠的工藝來制作高質(zhì)量LNOI光電子器件，即使在共享潔凈室設(shè)施中也能實(shí)現(xiàn)。持續(xù)改進(jìn)這些技術(shù)將進(jìn)一步推動集成鈮酸鋰光電子技術(shù)的發(fā)展。

6 {$ S) U- o# {1 j參考文獻(xiàn)
[1] CH. S. S. Pavan Kumar, N. N. Klimov, and P. S. Kuo, "Optimization of waveguide fabrication processes in lithium-niobate-on-insulator platform," AIP Advances, vol. 14,

- END -
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