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
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]。


- j2 t, U2 t% N

. a3 t" x- p! l* l$ k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。

2 A6 p2 L) E* S8 J7 t+ _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)。
# Z$ D* P9 [) m! z; l
圖1：使用ICP RIE圖形化LN的制作過(guò)程示意圖。

1 X3 d' B7 l8 e( Z; X刻蝕過(guò)程
3 o) W7 k3 R( D8 D8 K* ^: y# ]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。
/ F, q& g1 D; }0 j4 j5 c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。
$ S: g9 l2 z+ E6 }! {腔室壓力
氣體流量
1 X( E4 L: \  \基板溫度
1 d* q) Y2 [( V9 c9 V5 o3 \
4 f0 @. j8 f$ Y0 w2 \  R, s

圖2：用于LN刻蝕的ICP腔室示意圖。


9 g/ W, `; n8 d7 s( h- URF功率優(yōu)化
* ^+ u5 i8 l1 x+ t: RRF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。
3 q" R, q4 G: W7 T& 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。
- L- \2 t" l; w  X  M
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
8 {' O* h  ^6 K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。
8 b9 L5 b$ O- a" R, O  u+ D; c
' e% ^# K; _" P- U0 E! M圖4：清洗過(guò)程不同階段的LN波導(dǎo)SEM圖像。
# T8 A' W1 n! h9 P$ t) ]
, X& R7 S  M+ Y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]
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。
' l4 t1 y; g3 c: y" V- l. L
/ Q3 k! e7 t9 d% O9 r圖5：SEM圖像顯示了過(guò)度清洗導(dǎo)致的波導(dǎo)損壞。
4 R3 W4 V$ ~' y5 K* i/ M$ [1 _
硬掩模比較
" l1 G5 Y5 k6 L5 l8 o8 G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：
6 k6 L6 A5 W* S+ A
1. 鉻掩模：
  N5 q% S' ]8 n: M! i7 x

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
' h) j* u* d4 L7 p2 `
2. 二氧化硅掩模：
- H3 g3 l+ n) [2 V

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)


1 ^8 A( {% `7 B) e8 S" A, |
圖6：比較使用(a) Cr和(b) SiO2硬掩�？涛g的LN波導(dǎo)SEM圖像。

, u+ N/ A! j, ]3 n6 v. O
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。
1 N3 b# q% L: G, i: M9 L
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)：
; @1 |/ V0 y" \' t7 e; U( i' Y$ P
& i$ `# m+ R/ f  a' a1. 基板準(zhǔn)備：
# `, W" r* I2 ^7 u; H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)
% W' Q5 n9 {3 d2 ?! @3 n: b2 s使用硫酸高錳酸鉀溶液清洗基板，然后進(jìn)行RCA清洗
2 k3 z" j. F1 O
2. 硬掩模沉積：
, J/ `1 r' y6 u

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)
2 g  M2 D, E& @3 _
+ M7 u. g3 G% g) ~6 @4 H& e3. 光刻：
. K; Y1 D3 x; M/ h5 {" b" |

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

0 ]0 r, {% `+ C' G7 w( c- i+ K4. 圖形轉(zhuǎn)移到硬掩模：

使用ICP RIE刻蝕硬掩模層

) {, f( R/ ]2 h0 z- s: [; @5. LN刻蝕：
* \5 l; Q! B$ a- P4 j3 v1 a

使用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行LN的ICP RIE刻蝕：
6 A3 V) t. m7 T# J. a' V4 D/ g2 h4 A9 G    RF功率：150 W
    ICP功率：1500 W
- B" `# J4 M5 E1 o: `1 I    壓力：5 mTorr
4 ?: ?$ q) Q2 r! Z. I    Ar氣體流量：20 SCCM
$ _" t8 G& p( R2 v8 a' R% h    溫度：5°C
, e. }8 ?) k8 |, a

使用多個(gè)短刻蝕循環(huán)，中間有冷卻期，以防止樣品損壞
  ]. e, {, x( |  b! x
* I5 S7 _7 e' _# U6 ~8 w6. 掩模去除：
; m' x# d$ A# M

使用適當(dāng)?shù)目涛g劑去除剩余硬掩模
  m) I8 K+ R7 x2 r
5 {" J" V- J# V. }) S2 ~8 i  h7. 再沉積物清洗：
. z5 O# |7 E0 A% r# ^

在加熱的RCA-1溶液中每個(gè)方向清洗15分鐘(總共30分鐘)

$ m3 K4 k+ U. e& U+ {- E" e1 {8. 包覆(可選)：

使用PECVD沉積2 μm SiO2作為上部包覆層
0 o& P) C: S) K" t8 ?$ g
5 L2 D, c# s& _" T9. 端面準(zhǔn)備：
* x' f. ~9 G, b' n- x$ S

拋光端面以進(jìn)行光學(xué)耦合
+ `8 k% q. K2 e& J2 I. ~5 b% D) x
光學(xué)表征
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。

) b6 x( d, o( N. m
( J7 {2 H9 Q4 q% o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。
  i* v$ i5 Q2 P5 A1 E

% B' ?" m' K- g) H6 `7 K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。
% H( r8 O7 P3 h5 K7 ~7 ~; [9 f
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。
/ [+ t" i! W1 q9 r1 L$ J0 v
: A% N# ^" H: F) _7 H0 s+ u' y( t- B, h8 Y結(jié)論
: j$ f1 T* B5 c3 }6 _' f- _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。

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,
- K- t9 f: K- P2 A' Z0 Y( w/ H
- END -
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