一种X/Y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜制备方法与流程

本发明属于半导体，尤其涉及一种x/y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜制备方法。。

背景技术：

1、随着信息产业的迅速发展，传统电子芯片受限于摩尔定律其未来发展面临巨大挑战。而光互联以及光子集成芯片技术被认为是进一步提高信息容量、信息传输速率的有效方法。以绝缘体上的硅（soi）为核心的硅基光子学技术已经获得比较成熟的发展，但是受限于硅较弱的二阶非线性和电光效应，限制了其在大容量、高速率信息传输领域的发展。铌酸锂具有优良的透光性、电光性能、非线性光学性能和压电性能，在高速电光调制器和非线性器件等方面相对于硅基集成光学具有天然优势，是一种极具希望的新型集成光学材料。目前使用smart-cut技术【具体参见文献：y. c. jia et al, applied physics reviews,2021, 8, 011307】，通过离子注入、键合、剥离、抛光、热处理等步骤，已经可以制备高质量的绝缘基底上的铌酸锂单晶薄膜（lnoi）。

2、基于未掺杂稀土离子的lnoi材料，已经实现低损耗光波导、高速电光调制器、非线性器件、多物理场器件、光学频率梳等多种无源器件。而铌酸锂集成光学器件必然包括片上低阈值微纳激光器、高效率激光放大器等有源器件，因而需要lnoi中掺入稀土离子。目前主要有两种实现方式，一是在未掺杂的lnoi中通过离子注入将稀土离子掺入lnoi薄膜中，二是在生长铌酸锂单晶时掺入稀土离子，然后通过smart-cut技术制备掺杂lnoi薄膜，后者相对于前者具有掺杂分布均匀、晶体质量高、光损耗低等优点，已有微盘激光器、波导放大器等相关文献报道【参见文献：q. luo et al. optics letters, 2021, 46(13): 3275-3278；j. zhou et al. laser & photonics reviews, 2021, 15(8): 2100030；z. chenet al. optics letters, 2021, 46(5): 1161-1164.】。

3、lnoi薄膜主要有z切、x/y切等，分别需要z切、x/y切铌酸锂晶圆进行单晶薄膜的制备。一方面，由于smart-cut设备和技术的制约，目前该技术要求最小晶圆尺寸为3英寸，因此需要生长相应晶向的3英寸及以上大尺寸铌酸锂单晶；另一方面，相对于z切晶圆，使用x/y切晶圆通过smart-cut技术制备lnoi的成品率远高于z切晶圆，而且在片上集成电调制器件方面，x/y切lnoi薄膜制备的有源器件比使用z切更有优势，因为后者制备的有源器件难以实现高速电光调制。因此大尺寸x/y切稀土离子掺杂的铌酸锂晶圆对基于lnoi的片上低阈值微纳激光器、高效率激光放大器、高速电调制器等有源器件发展具有重要意义。然而，掺杂稀土离子后，铌酸锂晶体生长容易出现开裂、散射颗粒等缺陷，直径3英寸及以上x/y轴稀土离子掺杂的铌酸锂单晶生长难度大，成品率极低，因此将制约基于x/y切lnoi有源器件的发展。相比之下，2英寸及以上z轴稀土离子掺杂铌酸锂生长难度小，成品率高。而且基于x/y切稀土离子掺杂lnoi的有源器件尺寸较小，微盘激光器尺寸一般为微米级，波导放大器尺寸最大仅三四厘米，因此实际上无需3英寸及以上尺寸lnoi为一整片单晶薄膜，只要其局部面积尺寸满足有源器件尺寸制备即可。。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术难以实现3英寸及以上x/y切掺杂稀土离子lnoi薄膜的不足，提供了一种基于组合键合技术的x/y切稀土离子掺杂lnoi薄膜制备方法。

2、实现本发明目的的具体技术方案是：

3、一种x/y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1）将数片x/y向稀土离子掺杂铌酸锂晶片抛光面与载体晶圆抛光面相对，组合并放置于载体晶圆表面，形成对载体晶圆完全覆盖，通过键合使稀土离子掺杂铌酸锂与载体晶圆紧密结合。所述载体晶圆尺寸不小于3英寸，所述x/y向稀土离子掺杂铌酸锂组合片数量不少于2片。

5、步骤2）将键合后的x/y切稀土离子掺杂铌酸锂表面进行抛光；向稀土离子掺杂铌酸锂晶片表面注入离子形成薄膜层，将薄膜层与衬底晶圆键合，加热退火后使稀土离子掺杂铌酸锂表面的薄膜层与稀土离子掺杂铌酸锂晶片分离，对稀土离子掺杂铌酸锂薄膜/衬底晶圆进行退火、抛光后形成x/y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜。

6、所述稀土离子包括铒、镱、铥、钕、钬、镨中的至少一种。

7、所述稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜厚度为100nm~900nm。

8、所述载体晶圆为铌酸锂、二氧化硅/硅、硅、石英、蓝宝石中的一种。

9、所述衬底晶圆为二氧化硅/铌酸锂、二氧化硅/硅中的一种。

10、所述将铌酸锂晶片与载体晶圆键合的具体步骤为：首先将铌酸锂晶片抛光面和载体晶圆抛光面通过化学法活化处理，清洗、吹干后在常温下贴合以进行预键合，然后在空气中加热到300℃-900℃并保温1h-10h，最后降至室温，升温速率和降温速率不大于30℃/h。

11、与现有技术相比较，本发明的优点在于：仅需要生长直径较小的z轴稀土离子掺杂铌酸锂晶体即可获得x/y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜，有效规避了直接生长3英寸及以上尺寸x/y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶的成品率极低的难题，有利于降低生产成本。

技术特征：

1.一种x/y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

2.所述载体晶圆尺寸不小于3英寸，所述x/y向稀土离子掺杂铌酸锂组合片数量不少于2片。

3.步骤2）将键合后的x/y切稀土离子掺杂铌酸锂表面进行抛光；向稀土离子掺杂铌酸锂晶片表面注入离子形成薄膜层，将薄膜层与衬底晶圆键合，加热退火后使稀土离子掺杂铌酸锂表面的薄膜层与稀土离子掺杂铌酸锂晶片分离，对稀土离子掺杂铌酸锂薄膜/衬底晶圆进行退火、抛光后形成x/y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述稀土离子包括铒、镱、铥、钕、钬、镨中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜厚度为100nm~900nm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述载体晶圆为铌酸锂、二氧化硅/硅、硅、石英、蓝宝石中的一种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底晶圆为二氧化硅/铌酸锂、二氧化硅/硅中的一种。

8.权利要求1-5所述制备方法得到的x/y切稀土离子掺杂的铌酸锂单晶薄膜。

技术总结本发明公开了一种X/Y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜制备方法，其中，所述方法包括生长Z向稀土离子掺杂铌酸锂单晶，单畴化之后切割成X/Y向晶片，通过组合并键合到载体晶圆上，形成对载体晶圆的全覆盖，键合后对铌酸锂表面抛光减薄后，通过离子注入、与衬底晶圆键合、退火剥离和抛光等步骤，形成X/Y切铌酸锂单晶薄膜。本发明通过小尺寸X/Y切晶片组合，结合键合与离子切片，获得X/Y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶薄膜，有效规避了直接生长3英寸及以上尺寸X/Y切稀土离子掺杂铌酸锂单晶成品率极低的难题。技术研发人员：赵呈春,杭寅,陶斯亮,李善明,朱影受保护的技术使用者：中科瑞晶（杭州）科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5