Pastilha de LNOI (LiNbO3 sobre isolante) de 8 polegadas para moduladores ópticos, guias de onda e circuitos integrados.
Diagrama detalhado
Introdução
As pastilhas de niobato de lítio sobre isolante (LNOI) são um material de ponta utilizado em diversas aplicações ópticas e eletrônicas avançadas. Essas pastilhas são produzidas pela transferência de uma fina camada de niobato de lítio (LiNbO₃) para um substrato isolante, tipicamente silício ou outro material adequado, utilizando técnicas sofisticadas como implantação iônica e colagem de pastilhas. A tecnologia LNOI compartilha muitas semelhanças com a tecnologia de pastilhas de silício sobre isolante (SOI), mas aproveita as propriedades ópticas únicas do niobato de lítio, um material conhecido por suas características piezoelétricas, piroelétricas e ópticas não lineares.
Os wafers de LNOI têm atraído considerável atenção em áreas como óptica integrada, telecomunicações e computação quântica devido ao seu desempenho superior em aplicações de alta frequência e alta velocidade. Os wafers são produzidos utilizando a técnica "Smart-cut", que permite um controle preciso da espessura da fina camada de niobato de lítio, garantindo que os wafers atendam às especificações exigidas para diversas aplicações.
Princípio
O processo de criação de wafers de LNOI começa com um cristal de niobato de lítio maciço. O cristal passa por implantação iônica, onde íons de hélio de alta energia são introduzidos em sua superfície. Esses íons penetram no cristal até uma profundidade específica e rompem sua estrutura, criando um plano frágil que pode ser usado posteriormente para separar o cristal em camadas finas. A energia específica dos íons de hélio controla a profundidade de implantação, o que impacta diretamente a espessura da camada final de niobato de lítio.
Após a implantação iônica, o cristal de niobato de lítio é colado a um substrato usando uma técnica chamada colagem de wafers. O processo de colagem normalmente utiliza um método de colagem direta, onde as duas superfícies (o cristal de niobato de lítio implantado com íons e o substrato) são pressionadas juntas sob alta temperatura e pressão para criar uma ligação forte. Em alguns casos, um material adesivo como o benzociclobuteno (BCB) pode ser usado para suporte adicional.
Após a colagem, o wafer passa por um processo de recozimento para reparar quaisquer danos causados pela implantação iônica e para fortalecer a ligação entre as camadas. O processo de recozimento também auxilia na separação da fina camada de niobato de lítio do cristal original, deixando para trás uma camada fina e de alta qualidade de niobato de lítio que pode ser utilizada na fabricação de dispositivos.
Especificações
Os wafers LNOI são caracterizados por diversas especificações importantes que garantem sua adequação para aplicações de alto desempenho. Estas incluem:
Especificações do material
| Material | Especificações |
| Material | Homogêneo: LiNbO3 |
| Qualidade do material | Bolhas ou inclusões <100μm |
| Orientação | Corte em Y ±0,2° |
| Densidade | 4,65 g/cm³ |
| Temperatura de Curie | 1142 ±1°C |
| Transparência | >95% na faixa de 450-700 nm (espessura de 10 mm) |
Especificações de fabricação
| Parâmetro | Especificação |
| Diâmetro | 150 mm ±0,2 mm |
| Grossura | 350 μm ±10 μm |
| Planicidade | <1,3 μm |
| Variação Total da Espessura (TTV) | Empenamento <70 μm em wafer de 150 mm |
| Variação Local da Espessura (LTV) | <70 μm em wafer de 150 mm |
| Rugosidade | Rq ≤0,5 nm (valor RMS da AFM) |
| Qualidade da superfície | 40-20 |
| Partículas (não removíveis) | 100-200 μm ≤3 partículas |
| Batatas fritas | <300 μm (wafer completo, sem zona de exclusão) |
| Rachaduras | Sem rachaduras (wafer completo) |
| Contaminação | Sem manchas irremovíveis (em toda a superfície) |
| Paralelismo | <30 segundos de arco |
| Plano de referência de orientação (eixo X) | 47 ±2 mm |
Aplicações
Os wafers LNOI são utilizados em uma ampla gama de aplicações devido às suas propriedades únicas, particularmente nas áreas de fotônica, telecomunicações e tecnologias quânticas. Algumas das principais aplicações incluem:
Óptica integrada:Os wafers de LNOI são amplamente utilizados em circuitos ópticos integrados, onde possibilitam dispositivos fotônicos de alto desempenho, como moduladores, guias de onda e ressonadores. As elevadas propriedades ópticas não lineares do niobato de lítio o tornam uma excelente escolha para aplicações que exigem manipulação eficiente da luz.
Telecomunicações:Os wafers LNOI são usados em moduladores ópticos, componentes essenciais em sistemas de comunicação de alta velocidade, incluindo redes de fibra óptica. A capacidade de modular a luz em altas frequências torna os wafers LNOI ideais para sistemas de telecomunicações modernos.
Computação Quântica:Em tecnologias quânticas, wafers de LNOI são usados para fabricar componentes para computadores quânticos e sistemas de comunicação quântica. As propriedades ópticas não lineares do LNOI são aproveitadas para criar pares de fótons emaranhados, que são cruciais para a distribuição de chaves quânticas e a criptografia quântica.
Sensores:Os wafers de LNOI são utilizados em diversas aplicações de sensoriamento, incluindo sensores ópticos e acústicos. Sua capacidade de interagir tanto com a luz quanto com o som os torna versáteis para diferentes tipos de tecnologias de sensoriamento.
Perguntas frequentes
Q:O que é a tecnologia LNOI?
A tecnologia LNOI envolve a transferência de uma fina película de niobato de lítio para um substrato isolante, tipicamente silício. Essa tecnologia aproveita as propriedades únicas do niobato de lítio, como suas elevadas características ópticas não lineares, piezoelectricidade e piroeletricidade, tornando-o ideal para óptica integrada e telecomunicações.
Q:Qual a diferença entre wafers LNOI e SOI?
A: Tanto os wafers LNOI quanto os SOI são semelhantes, pois ambos consistem em uma fina camada de material aderida a um substrato. No entanto, os wafers LNOI utilizam niobato de lítio como material da camada fina, enquanto os wafers SOI utilizam silício. A principal diferença reside nas propriedades do material da camada fina, sendo que o LNOI oferece propriedades ópticas e piezoelétricas superiores.
Q:Quais são as vantagens de usar wafers LNOI?
A: As principais vantagens dos wafers de LNOI incluem suas excelentes propriedades ópticas, como altos coeficientes ópticos não lineares, e sua resistência mecânica. Essas características tornam os wafers de LNOI ideais para uso em aplicações de alta velocidade, alta frequência e quânticas.
Q:É possível usar wafers de LNOI em aplicações quânticas?
Sim, os wafers de LNOI são amplamente utilizados em tecnologias quânticas devido à sua capacidade de gerar pares de fótons emaranhados e à sua compatibilidade com fotônica integrada. Essas propriedades são cruciais para aplicações em computação quântica, comunicação e criptografia.
Q:Qual é a espessura típica dos filmes de LNOI?
A espessura dos filmes de LNOI varia tipicamente de algumas centenas de nanômetros a vários micrômetros, dependendo da aplicação específica. A espessura é controlada durante o processo de implantação iônica.
