铌酸锂铁电单晶薄膜异质集成及其电畴调控机理研究
发布时间：2021-08-12 19:08
铌酸锂（LiNbO3,LN）是一种应用前景广泛的多功能晶体,具备出色的铁电、非线性、光折变、压电、电光以及声光等特性。近年来,随着智能终端、高速通信设备的飞速发展,传统畴工程难以解决器件横向尺寸大、功耗高、性能低等问题。绝缘体上LN薄膜（Lithium Niobate Thin Film On Insulator,LNOI）可以大幅减小极化电场,从而实现畴工程器件的微型化、高集成和低功耗,突破传统LN器件性能瓶颈。因此,进行LN铁电单晶薄膜异质集成及LN薄膜电畴调控机理的研究,对LN畴工程的功能升级和应用推广具有重要的科学意义。本文围绕LN薄膜工艺优化、微畴热稳定性与畴壁传导增强三个方面展开研究,并对热致亚稳态电畴演化、畴壁电流进行测试分析。首先,完成LN低温直接键合与感应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma,ICP）干法刻蚀工艺优化。采用等离子体活化技术解决键合面的热应力失配问题,进而探明温度、压力与键合质量的关系;运用ICP干法刻蚀技术提高LN刻蚀精度,进而对光刻胶与金属掩膜层的LN刻蚀进行分析。其次,通过分析室温下电场极化电畴反...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LN晶体顺电相极化示意图（a）原生电畴示意图（b）反转电畴示意图
中北大学学位论文4图1-2铁电体的电滞回线（a）PZT（b）LN[12]Fig.1-2Hysteresisloopofferroelectrics(a)PZT(b)lithiumniobate[12]1.3铌酸锂薄膜异质集成技术研究现状1.3.1外延薄膜生长技术目前LN薄膜的制备方法主要有两类：外延薄膜生长与离子注入剥离。其中，外延法主要有：液相外延（LPE）[13]、化学气相沉积（CVD）[14]、溶胶凝胶（Sol-gel）[15]、脉冲激光沉积（PLD）法[16]、高频磁控溅射（RFMS）[17]等，表1-2为LN薄膜主要制备工艺的优缺点比较分析。（1）液相外延。1975年，首次在LiTaO3单晶表面用液相外延技术合成LN薄膜。该方法很少用于制备铌酸锂薄膜，2009年德国耶拿大学报道称通过这种方法成功地制作了LiNbO3薄膜的光波导。（2）化学气相沉积。1995年，日本使用CVD法合成LN薄膜。CVD法主要受反应器中混合物压力的影响。在减压（约266.6Pa）下，在蓝宝石衬底上形成了包含LN和LiNb3O8相的多晶膜，压力增加到约2666Pa形成单相LN薄膜。（3）溶胶凝胶。与其他方法相比，Sol-gel法能够在较低的温度下生长LN薄膜，但该方法非常耗时且使用了相当昂贵的前驱体溶液，并且合成的LN薄膜经常包含其他相（LiNb3O8和Nb2O5），粗糙度取决于沉积条件和溶液中组分的摩尔浓度，当浓度从0.25改变为1mol/L时，粗糙度从10.6nm变为16nm。（4）脉冲激光沉积。20世纪90年代，PLD被广泛应用于LN薄膜的合成。PLD制备薄膜的特性取决于靶材烧蚀过程中流动成分的分布、腔内气体压力、靶面到衬底的距
中北大学学位论文61.3.2离子注入剥离技术通过外延法制备LN薄膜技术存在薄膜均匀性差、物化性能退化和难以大面积成膜等弊端。2004年，苏黎世联邦理工学院的P.Rabiei等利用离子注入与直接键合技术[19]相结合的方法制备LN单晶薄膜。该技术不仅能够很好保留块体材料的物化性能，也可以实现大面积的薄膜制造。其主要步骤有：离子注入、键合和退火剥离。图1-3显示了使用离子注入和直接键合制造LNOI的过程。首先，用一定剂量的高能He离子注入待切割的Z切向LN晶片，形成一个非晶层，He离子驻留在图1-3（a）所示的黄色区域中。然后，使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在Si晶片上生长SiO2层，两个晶片在键合机内直接键合。最后，通过退火程序使LN晶片沿He离子驻留层剥离，并且在SiO2/Si衬底上保留了LN薄层。图1-3离子切割技术制备LNOI薄膜的示意图（a）离子注入（b）键合（c）退火剥离Fig.1-3SchematicofLNOIfilmpreparationbyioncuttingtechnique(a)Ionimplantation(b)bonding(c)Annealingstripping晶圆键合技术（WaferBondingTechnology）是LNOI制作的关键步骤，该技术通过化学和物理作用将两片同质或异质的晶片紧密地结合起来，从而达到微纳加工所能达到的的键合强度。自80年代中期采用SOI成功制造了压力传感器以来，晶圆键合在MEMS制造中扮演着越来越重要的角色，许多MEMS器件制作过程中需要不同的材料甚至电子部分的基板结合（例如CMOS晶圆）。同时，MEMS也成为晶圆键合工艺发展的主要驱动力，推动其在过去数十年中不断发展。3D晶圆级键合可以分为直接键合（DirectBonding）与中间层键合两大类，如图1-4所示。直接键合包括晶圆层直接键合与阳极键合，中间层键合分类很多，依据中间层材料不同分为金属键合、混合金属/聚合物中间层键合（PMM
【参考文献】：
期刊论文
[1]Broadband quasi-phase matching in a MgO:PPLN thin film[J]. LICHENG GE,YUPING CHEN,HAOWEI JIANG,GUANGZHEN LI,BING ZHU,YI’AN LIU,XIANFENG CHEN. Photonics Research. 2018(10)
[2]铌酸锂干法刻蚀的研究进展[J]. 要彦清,李金洋,吴建杰,陈方,祁志美. 微纳电子技术. 2012(03)
博士论文
[1]铌酸锂、钽酸锂超晶格：制备技术优化及其应用研究[D]. 袁烨.南京大学 2012
本文编号：3338901
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LN晶体顺电相极化示意图（a）原生电畴示意图（b）反转电畴示意图
中北大学学位论文4图1-2铁电体的电滞回线（a）PZT（b）LN[12]Fig.1-2Hysteresisloopofferroelectrics(a)PZT(b)lithiumniobate[12]1.3铌酸锂薄膜异质集成技术研究现状1.3.1外延薄膜生长技术目前LN薄膜的制备方法主要有两类：外延薄膜生长与离子注入剥离。其中，外延法主要有：液相外延（LPE）[13]、化学气相沉积（CVD）[14]、溶胶凝胶（Sol-gel）[15]、脉冲激光沉积（PLD）法[16]、高频磁控溅射（RFMS）[17]等，表1-2为LN薄膜主要制备工艺的优缺点比较分析。（1）液相外延。1975年，首次在LiTaO3单晶表面用液相外延技术合成LN薄膜。该方法很少用于制备铌酸锂薄膜，2009年德国耶拿大学报道称通过这种方法成功地制作了LiNbO3薄膜的光波导。（2）化学气相沉积。1995年，日本使用CVD法合成LN薄膜。CVD法主要受反应器中混合物压力的影响。在减压（约266.6Pa）下，在蓝宝石衬底上形成了包含LN和LiNb3O8相的多晶膜，压力增加到约2666Pa形成单相LN薄膜。（3）溶胶凝胶。与其他方法相比，Sol-gel法能够在较低的温度下生长LN薄膜，但该方法非常耗时且使用了相当昂贵的前驱体溶液，并且合成的LN薄膜经常包含其他相（LiNb3O8和Nb2O5），粗糙度取决于沉积条件和溶液中组分的摩尔浓度，当浓度从0.25改变为1mol/L时，粗糙度从10.6nm变为16nm。（4）脉冲激光沉积。20世纪90年代，PLD被广泛应用于LN薄膜的合成。PLD制备薄膜的特性取决于靶材烧蚀过程中流动成分的分布、腔内气体压力、靶面到衬底的距
中北大学学位论文61.3.2离子注入剥离技术通过外延法制备LN薄膜技术存在薄膜均匀性差、物化性能退化和难以大面积成膜等弊端。2004年，苏黎世联邦理工学院的P.Rabiei等利用离子注入与直接键合技术[19]相结合的方法制备LN单晶薄膜。该技术不仅能够很好保留块体材料的物化性能，也可以实现大面积的薄膜制造。其主要步骤有：离子注入、键合和退火剥离。图1-3显示了使用离子注入和直接键合制造LNOI的过程。首先，用一定剂量的高能He离子注入待切割的Z切向LN晶片，形成一个非晶层，He离子驻留在图1-3（a）所示的黄色区域中。然后，使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在Si晶片上生长SiO2层，两个晶片在键合机内直接键合。最后，通过退火程序使LN晶片沿He离子驻留层剥离，并且在SiO2/Si衬底上保留了LN薄层。图1-3离子切割技术制备LNOI薄膜的示意图（a）离子注入（b）键合（c）退火剥离Fig.1-3SchematicofLNOIfilmpreparationbyioncuttingtechnique(a)Ionimplantation(b)bonding(c)Annealingstripping晶圆键合技术（WaferBondingTechnology）是LNOI制作的关键步骤，该技术通过化学和物理作用将两片同质或异质的晶片紧密地结合起来，从而达到微纳加工所能达到的的键合强度。自80年代中期采用SOI成功制造了压力传感器以来，晶圆键合在MEMS制造中扮演着越来越重要的角色，许多MEMS器件制作过程中需要不同的材料甚至电子部分的基板结合（例如CMOS晶圆）。同时，MEMS也成为晶圆键合工艺发展的主要驱动力，推动其在过去数十年中不断发展。3D晶圆级键合可以分为直接键合（DirectBonding）与中间层键合两大类，如图1-4所示。直接键合包括晶圆层直接键合与阳极键合，中间层键合分类很多，依据中间层材料不同分为金属键合、混合金属/聚合物中间层键合（PMM
【参考文献】：
期刊论文
[1]Broadband quasi-phase matching in a MgO:PPLN thin film[J]. LICHENG GE,YUPING CHEN,HAOWEI JIANG,GUANGZHEN LI,BING ZHU,YI’AN LIU,XIANFENG CHEN. Photonics Research. 2018(10)
[2]铌酸锂干法刻蚀的研究进展[J]. 要彦清,李金洋,吴建杰,陈方,祁志美. 微纳电子技术. 2012(03)
博士论文
[1]铌酸锂、钽酸锂超晶格：制备技术优化及其应用研究[D]. 袁烨.南京大学 2012
本文编号：3338901
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