薄膜铌酸锂衬底生产工艺与关键设备

薄膜铌酸锂衬底生产工艺与关键设备

薄膜铌酸锂有望成为下一代高速调制材料

• 薄膜化释放铌酸锂电光性能：铌酸锂的Pockels效应为高速电光调制提供材料基础。传统块体铌酸锂波导折射率反差较低，光场约束较弱，器件尺寸较大。薄膜化提高了铌酸锂波导的折射率反差与光场约束能力，使光场集中在亚波长尺度的波导区域，实现更紧凑的波导和器件结构。LNOI为薄膜铌酸锂器件提供晶圆级材料平台，通过加工光波导和电极，可以形成相位调制器、MZM等电光器件。
• 薄膜铌酸锂用于光模块与CPO发射端：TFLN调制器主要位于光互联系统的发射链路，分别进入可插拔和近封装、共封装发射链路，在其中承担高速电光转换功能。TFLN承担高速调制功能，并不替代光引擎中的全部材料。LNOI承担无源光路和电光调制功能，Ⅲ-Ⅴ族器件承担激光光源、放大和高速探测功能，不同材料按照各自的功能优势协同集成。
• AI算力升级推动TFLN进入高速调制：AI集群扩张增加了数据中心对高速、低功耗光互联的需求。3.2T接口已经出现16×200G与8×400G两种公开配置。单通道提速进一步提高了对调制器综合性能的要求，包括半波电压、电光带宽、插入损耗、消光比和线性度。InP路线具备有源和无源器件集成能力，但在损耗和线性度方面存在一定约束。TFLN通过Pockels效应改变折射率，为高速调制提供了不同的技术路径，代表性LNOI调制器已实现超过100GHz的电光带宽、数伏级半波电压、低于0.5dB的片上插入损耗以及较高的无杂散动态范围。公开验证正在推动TFLN由调制器向400G/lane发射组件延伸，包括宽带TFLN MZM和基于TFLN的O波段TOSA。

薄膜铌酸锂衬底生产全流程

• 上游：铌酸锂单晶及母晶圆制备：通过提拉法（CZ法）生长大尺寸铌酸锂单晶，再经过定向、切割、研磨及抛光，制成特定晶向且表面平整的铌酸锂母晶圆。
• 中游：薄膜铌酸锂衬底制备：
  • 薄膜铌酸锂衬底制造工艺流程总述：采用离子切割或智能剥离（Smart Cut）工艺制备，将厚度在数百微米级的高质量铌酸锂母晶圆中分离出厚度数百纳米级的单晶功能层，并将其转移至带有绝缘层的支撑晶圆。典型流程包括离子注入、支撑晶圆准备、晶圆键合、退火剥离、缺陷修复和表面抛光。
  • 离子注入：在母晶圆内部定位剥离位置，通过高能离子注入机将氢离子或氦离子注入铌酸锂晶圆，形成由空位、间隙原子和微小气泡构成的损伤层。离子注入设备的难点在于将设定的能量和剂量稳定复制到整张晶圆及连续批次中，使整片晶圆在相同深度形成连续、均匀且可控的损伤层。
  • 键合前准备：获得平坦、洁净、有活性的晶圆表面，使用化学机械抛光（CMP）设备对表面进行平坦化，通过化学清洗、聚乙烯醇（PVA）刷洗或兆声波清洗去除亚微米颗粒，利用等离子体进行表面活化。
  • 晶圆键合：形成能够承受薄膜剥离的完整界面，将离子注入后的铌酸锂母晶圆与带二氧化硅绝缘层的支撑晶圆连接成整体。键合界面必须具有足够的均匀性和初始强度，以承受后续退火产生的热应力以及薄膜沿离子损伤层剥离时的机械载荷。
  • 剥离与退火：完成薄膜转移与材料性能修复，热处理促使离子注入形成的损伤层产生气泡并沿预定损伤区域发生分离，从而将LN薄层转移至支撑衬底；随后还需通过进一步退火降低离子注入造成的晶格损伤，并通过CMP改善剥离表面的平整度。
  • CMP与膜厚修整：大尺寸TFLN制造通常需要形成“CMP精抛—膜厚测量—确定性膜厚修整”的工艺组合。CMP可以实现亚纳米级局部表面粗糙度，但可能引入膜厚非均匀性。大尺寸TFLN量产的核心难点是在大面积晶圆范围内同时实现低粗糙度和高膜厚均匀性，并通过测量与修整形成闭环控制。
  • Trim膜厚修整：IBT（Ion Beam Trimming，离子束膜厚修整）主要用于校正CMP后残余的全片膜厚非均匀性，通过光谱白光反射测量获得晶圆膜厚分布，再结合离子束刻蚀特性计算局部材料去除量；随后聚焦Ar⁺离子束以蛇形轨迹扫描晶圆，通过调节扫描速度和驻留时间，对不同位置实施差异化修整。
• 下游：从衬底到光子芯片与光模块：
  • Fab厂加工流程：将TFLN衬底转换为可用的光子芯片(PIC/调制器)，主要通过图形转移和刻蚀形成铌酸锂波导，并进一步制备金属电极和介质包层。LNOI波导干法刻蚀难度较高，需要采用特定的刻蚀工艺。
  • 光模块加工流程：完成PIC芯片的光电封装与系统集成，将“芯片"与“激光器、驱动芯片、光纤、PCB、散热结构、外壳”等集成为可插拔的高速光模块。典型流程包括器件贴装、光电互联、精密光学耦合、模块组装以及最终测试。

薄膜铌酸锂衬底厂商布局

• 青禾晶元：非上市的半导体键合装备与复合衬底平台，公司核心业务涵盖高端键合装备研发制造与精密键合工艺服务，技术广泛应用于先进封装、半导体器件制造、晶圆级异质材料集成及MEMS传感器等前沿领域。公司官网已将TFLN/TFLT衬底列入复合衬底整线方案，覆盖离子注入、晶圆键合、超原子束Trim、清洗、氧化/多晶以及裂片和退火等环节。
• 国内外厂商已公开布局LNOI衬底：
  • 济南晶正电子：已形成单晶薄膜铌酸锂产品供应，以NanoLN品牌供应300—900nm单晶LNOI产品，支撑衬底包括Si、LN、石英和熔融石英等，并列示3、4、6、8英寸规格。
  • Soitec：已在面向Cloud AI与网络基础设施的工程衬底产品组合中列出Photonics-LNOI。
  • NGK：正在开发面向光通信的TFLN键合晶圆，该方法可形成无晶体损伤的铌酸锂薄膜，并展示了6英寸TFLN键合晶圆样品。

风险提示

1. 3.2T及400G/lane导入进度不及预期。
2. 薄膜铌酸锂器件验证及衬底规模化良率提升不及预期。
3. InP、硅光等竞争路线技术进步。
4. 核心工艺设备客户验证进度不及预期。