人工智能浪潮下,算力和数据需求爆发式增长,光电子器件的制造也随着迅速发展。铌酸锂晶体作为典型的光电子器件基体材料,集光折变效应、非线性效应、电光效应、声光效应、压电效应与热电效应等于一体,且具有良好的热稳定性、化学稳定性和可调控性,可用于制造光波导器件、光参量振荡器、光折变器件、谐波发生器、红外探测器、激光调制器、倍频器等高端光电子器件。
(来源:恒元光电)
不过,除铌酸锂本征特性外,要满足高性能光电子器件对铌酸锂晶体的严格要求,铌酸锂晶体往往需要经过线锯切割、减薄、超精密研磨抛光及超构表面制备等精密加工达到亚微米级面型精度、亚纳米级表面粗糙度和纳米级表面损伤深度的加工质量要求。而铌酸锂又是一种典型的软脆性材料,各向异性也很强,容易导致加工精度和表面质量不稳定,而出现划痕、裂纹和磨粒嵌入等问题,所以如何实现铌酸锂晶体的精密加工是当前产业关注的热点。
一、减薄技术
减薄技术是指将晶体厚度减小到所需的尺寸,既可以使其可以适应更薄的封装设计,以便减少光电器件整体的厚度和重量,同时减薄后的晶圆还具有更短的热扩散路径和较高的表面积与体积比,有助于将芯片运行时产生的热量更快,更有效地传递出去,避免热量在传递过程中在芯片内部积聚,而导致局部过热,影响器件性能。目前,铌酸锂晶圆主要采取离子切片技术对晶圆进行减薄。
离子切片是基于离子注入、晶圆键合和化学机械抛光来实现晶体薄化,可以加工出厚度为数百纳米到几微米的高质量铌酸锂薄膜。具体操作是,首先使用高剂量的He+轰击铌酸锂晶圆,使He+在晶圆中一定深度形成注入层。随后,将该晶圆与另一块生长有数微米厚度二氧化硅的永久性衬底进行键合,放入高温炉中退火,由于注入层中的He+与铌酸锂晶体之间存在巨大的热膨胀系数差异,该过程中会产生严重热应力,进而导致薄膜断裂或分离而获得铌酸锂薄膜。
离子切割技术制作铌酸锂薄膜工艺流程图(来源:参考文献2)
二、精密研磨抛光
研磨和抛光主要是对晶体表面进行超精密处理,消除减薄过程中产生的表面损伤,提高晶体表面完整性。目前铌酸锂晶片主要采用游离磨料研磨、固结磨料研磨和化学机械抛光的方法。
1、游离磨料研磨
游离磨料加工是一种成熟的研磨方式,通常采用铸铁盘、锡盘、铜盘等作为研磨盘,研磨盘上加工有沟槽用于携带磨粒。加工时研磨液中的磨料游离分布于工件与研磨盘之间,在外加载荷的作用下磨料与工件发生相对运动,工件材料在磨料的滚轧和刻划作用下被去除。
游离磨料抛光
采用该方式对铌酸锂晶体进行精密研磨,可以实现在工件表面进行轻微切削,具有切削热小、切削温度低的优势,有利于减少热应力造成的材料损伤。不过铌酸锂晶体作为典型的软脆性材料,需要优化磨料种类、粒径,研磨载荷和磨盘材质等关键研磨参数,避免磨粒嵌入晶体内,扩大晶体损伤区域,影响晶体表面质量,同时提升加工速率。
2、固结磨料加工
针对游离磨料研磨铌酸锂晶体表面容易出现磨料嵌入的问题,固结磨料加工技术开始引起人们关注。采用固结磨料加工时,磨粒被固结于固结磨料抛光垫或砂轮中,加工前通过修整工具对FAP或砂轮进行修整,使锋利的磨粒微刃出露于基体表面,随后工件在磨粒的犁耕和微切削作用下被去除。
固结磨料加工
相比较于游离磨料研磨,软脆性材料使用固结磨料研磨几乎不存在磨料嵌入的问题,使加工表面更光滑、亚表面损伤更小,是实现铌酸锂晶体连续批量加工的优选方法。目前,铌酸锂的骨架磨料加工通常采用低硬度基体材料制成的固结磨料,既可减少磨料在铌酸锂晶体表面产生的脆性断裂,提高晶体表面的加工质量,也有助于磨粒脱落和替换,提高材料的去除率。
3、化学机械抛光
化学机械抛光是一种广泛采用的最终抛光方法,它结合了机械抛光和化学腐蚀技术,利用抛光液中的化学试剂将使被抛光基底材料氧化,生成一层较软的氧化膜层,然后再通过机械摩擦作用去除氧化膜层,这样通过反复的氧化成膜-机械去除过程,从而达到了有效抛光的目的。
化学机械抛光原理
CMP技术是当今时代能实现集成电路(IC)制造中晶圆表面全局平坦化的唯一技术,可达到原子级超高平整度,不过在抛光之前需要确定化学改性和机械去除之间的平衡,避免严重的表面损伤和残余应力。目前,铌酸锂的化学机械抛光通常采用硬度适中的SiO2作为抛光磨粒、PH为10左右的CMP抛光液,PH值较低,化学腐蚀作用比较微弱,化学机械抛光过程实质为纯机械作用,而PH值较高,则导致SiO2颗粒部分溶解,最终表现为化学机械抛光速率降低。
三、超构表面加工
超构表面能够灵活操纵光电器件基体材料光场、电场、声场等的局域分布,有利于多功能、超紧凑集成光电子器件的研发与应用。目前,制备高质量铌酸锂超构表面的典型加工技术包括光刻、刻蚀、飞秒激光烧蚀等。
1、光刻技术
光刻是以一种光敏感聚合物(光刻胶)为主要材料的照相制版技术,可将整套集成电路图案刻蚀在晶圆上。
在光刻时,光源的波长是影响光刻精度的主要原因。目前适用于铌酸锂的光刻技术主要有紫外光刻技术和电子束曝光技术,深紫外光源的曝光精度在100nm左右,具有较高的制造速率,适合光电子器件超构表面的大规模量产,而电子的波长较小,电子束光刻的加工精度可以达到10nm以内,有利于铌酸锂薄膜上复杂图案的制备,但制造速率较慢。
2、刻蚀技术
刻蚀技术主要包括干法刻蚀(反应离子刻蚀、氩等离子体纯物理刻蚀等)和湿法刻蚀。
干法刻蚀技术是利用等离子体、反应等离子、离子束等对材料产生物理、化学刻蚀作用而构造超构表面,具有高精度、高选择性、低污染以及成本效益高等优点。然而,干法刻蚀也存在对特定材料的刻蚀速率较慢,特殊形状的结构难以加工等挑战,在选择使用时需要综合考虑具体应用需求和材料特性。目前,氩等离子体纯物理刻蚀是铌酸锂最常用的干法刻蚀方法。
湿法刻蚀技术是利用腐蚀溶液与浸渍在腐蚀液中的材料进行化学反应生成可溶解的生成物,从而将需要腐蚀的区域去除,具有适用性广、加工效率高和成本效益高等优点,其缺点在于对设备和材料的侵蚀性较强,需要对材料进行有效处理。
3、飞秒激光烧蚀
激光加工是依靠激光光斑的高功率密度实现材料的去除,可制造出周期结构、微孔阵列结构、三维结构、复合结构等多种结构。一般来说其加工精度与脉冲宽度有很大的关系。相对于纳米、皮秒等,飞秒激光的脉冲宽度为10-15,小于电子声子相互作用的时间尺度,电子中沉积的激光能量来不及传给离子,激光脉冲辐照就已经就结束。此时离子的温度比较低,不会给周围的材料带来热影响,因此具有高精度、高灵活度的优势。
飞秒加工原理
小结
铌酸锂晶体是光电器件中的重要材料,为了满足光电子器件高性能制造标准,需要进行减薄、研磨、抛光、表面超构等一系列超精密加工步骤,但其低硬度、高脆性和强各向异性等特征导致加工难度大,容易出现表面划痕、裂纹和磨料嵌入等问题。目前,铌酸锂的减薄主要采取离子切片的方式,可以加工出厚度为数百纳米到几微米的高质量铌酸锂晶片,研磨和化学机械抛光等技术则可通过优化磨料粒径、压力、转速等参数,减少前道工序的损伤,显著改善铌酸锂晶体表面质量。而在制备高质量铌酸锂超构表面上,可通过光刻、刻蚀、飞秒激光烧蚀等技术实现光电器件的小型化以及满足更多的设计需求。
参考来源
1、田业冰,魏成伟,宋晓梅,等.铌酸锂晶体超精密加工技术研究进展[J/OL].金刚石与磨料磨具工程.
2、姚昊,王梦柯,邓佳瑶,等.薄膜铌酸锂光波导器件的研究进展(特邀)[J].激光与光电子学进展.
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