AIP Advances | 制作低損耗絕緣體上鈮酸鋰波導(dǎo)的方法

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
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(guò)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(guó)國(guó)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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掩模選擇與圖形化
選擇合適的掩模材料對(duì)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(jiǎn)單，但通常會(huì)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。
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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(duì)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)。
( T3 @2 b( o- W! e5 A. `0 I
圖1：使用ICP RIE圖形化LN的制作過(guò)程示意圖。

刻蝕過(guò)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。
; ~5 G1 l3 P! V# ]( x該過(guò)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
/ \3 Y: ]8 k( d% C# Q6 H基板溫度
) D: v, t* `' c: W7 h* J2 e
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圖2：用于LN刻蝕的ICP腔室示意圖。
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' s( M' `( T' @. y2 S$ B- a/ dRF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(guò)再沉積速率，導(dǎo)致側(cè)壁更干凈。

% K5 G9 q9 Q2 }1 e8 r圖3：SEM圖像顯示了RF功率對(duì)使用Cr掩模樣品再沉積的影響。

然而，過(guò)高的RF功率會(huì)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。

再沉積物去除
' j$ F* i: N4 E+ O7 n- M' C" Z5 ^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(guò)濕法清洗過(guò)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(duì)此很有效。

% p8 g. S. E5 R* {圖4：清洗過(guò)程不同階段的LN波導(dǎo)SEM圖像。
( ?: n  j" N8 ]: w& S7 N
清洗過(guò)程需要仔細(xì)優(yōu)化：

持續(xù)時(shí)間：清洗不足會(huì)留下再沉積物，過(guò)度清洗會(huì)損壞波導(dǎo)。

方向：樣品應(yīng)在相對(duì)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(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備新的清洗溶液。
[/ol]
4 f+ U! ]) W+ L典型的優(yōu)化清洗過(guò)程包括每個(gè)方向15分鐘，總共30分鐘。

. ?+ j) p& Y8 X6 h4 `圖5：SEM圖像顯示了過(guò)度清洗導(dǎo)致的波導(dǎo)損壞。

+ m& ~5 Z6 C2 W, `6 p; D" w6 h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：

5 m: G- T7 E4 ^0 l1. 鉻掩模：
5 Q/ {% M3 \% x7 e

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(wèn)題
8 F% F0 e* J2 u' L' @( R" v
) d6 \) e; K3 m$ c# C2. 二氧化硅掩模：

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(lái)緩解充電效應(yīng)
! p- T' p$ k+ d! T8 [: ^6 z1 E

! j' o: ]; }4 L
+ O& m9 ?# I+ U8 g' v" p. @  @圖6：比較使用(a) Cr和(b) SiO2硬掩�？涛g的LN波導(dǎo)SEM圖像。


8 [) }, N) i/ F8 e圖7：使用(a) Cr和(b) SiO2硬掩�？涛g的LN波導(dǎo)FIB-milled橫截面SEM圖像。

, E" \& ~9 m2 d+ U" ~4 M. J波導(dǎo)制作流程
! e9 Y8 g' O8 W  ^1 J7 I  b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)：
) f7 T, Z& v2 l* l3 A- T, ]
1. 基板準(zhǔn)備：
( _; g. _& T' @9 E& `從LNOI晶圓開(kāi)始(如700 nm x切割LN薄膜在2 μm SiO2上，再在Si基板上)
使用硫酸高錳酸鉀溶液清洗基板，然后進(jìn)行RCA清洗
# k3 V1 z6 g: u7 c$ e& q
2. 硬掩模沉積：

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)
! U, W- X6 u: N! j6 U( B
3. 光刻：
9 X  k) G9 Z8 F$ [; ^7 @/ j

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

* S% ]7 d/ j! Z7 H0 j4. 圖形轉(zhuǎn)移到硬掩模：

使用ICP RIE刻蝕硬掩模層
% E4 _% Z- \% b' H! n' E- H
, z, G' r9 S+ F5 y7 `2 i5. LN刻蝕：

使用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行LN的ICP RIE刻蝕：
    RF功率：150 W
    ICP功率：1500 W
    壓力：5 mTorr
    Ar氣體流量：20 SCCM
    溫度：5°C
! {. D0 x2 B4 L8 x* R3 R" i& D

使用多個(gè)短刻蝕循環(huán)，中間有冷卻期，以防止樣品損壞
) N0 b: U; [8 t1 a% W+ S4 A
+ I: R- y( Q6 @, Q6 k6. 掩模去除：
. A7 q( ]- V) j  _2 `) r

使用適當(dāng)?shù)目涛g劑去除剩余硬掩模

: W7 y6 C: s6 i2 V: h7. 再沉積物清洗：
" b, q( w- ]3 U  a: e3 f: I

在加熱的RCA-1溶液中每個(gè)方向清洗15分鐘(總共30分鐘)
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& N& l) y5 h7 C4 V8. 包覆(可選)：

使用PECVD沉積2 μm SiO2作為上部包覆層
" E7 ^/ [2 y$ T4 a8 g' M, T) e
9. 端面準(zhǔn)備：

拋光端面以進(jìn)行光學(xué)耦合

光學(xué)表征
$ q5 o) _, Z% U9 n0 Y" I為評(píng)估制作的波導(dǎo)質(zhì)量，光學(xué)損耗測(cè)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(cè)量輸出功率。

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圖8：測(cè)量LNOI波導(dǎo)在1550 nm波長(zhǎng)下光學(xué)損耗的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
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: g3 t6 y5 J/ S( v圖9：對(duì)八個(gè)相同LNOI波導(dǎo)進(jìn)行的光學(xué)損耗測(cè)量結(jié)果。
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" i( H9 p/ W* Z0 ?使用本文描述的優(yōu)化制作工藝，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(bào)道的數(shù)值具有競(jìng)爭(zhēng)力。
& e( k' r# R$ S% |+ x9 {; {3 k
6 c1 v1 E# M) G結(jié)論
3 d" }1 }  U) K4 y, a/ f. x制作低損耗LNOI波導(dǎo)需要仔細(xì)優(yōu)化多個(gè)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(guò)遵循本文提供的指南，研究人員可以開(kāi)發(fā)可靠的工藝來(lái)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(dòng)集成鈮酸鋰光電子技術(shù)的發(fā)展。

9 K9 R" j6 j: ~參考文獻(xiàn)
, x; z1 h7 c* H; r8 w[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,
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