光変調器、導波管、集積回路用8インチLNOI（絶縁体上LiNbO3）ウェハ
詳細図
導入
ニオブ酸リチウム・オン・インシュレータ（LNOI）ウェハは、様々な高度な光学・電子アプリケーションで使用される最先端材料です。これらのウェハは、イオン注入やウェハボンディングといった高度な技術を用いて、ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）の薄層を絶縁基板（通常はシリコンまたは他の適切な材料）に転写することで製造されます。LNOI技術はシリコン・オン・インシュレータ（SOI）ウェハ技術と多くの類似点がありますが、圧電特性、焦電特性、非線形光学特性で知られるニオブ酸リチウムの独自の光学特性を活用しています。
LNOIウェハは、高周波・高速アプリケーションにおける優れた性能により、集積光学、通信、量子コンピューティングなどの分野で大きな注目を集めています。このウェハは、「スマートカット」技術を用いて製造されており、ニオブ酸リチウム薄膜の厚さを精密に制御することで、様々なアプリケーションの要求仕様を満たすウェハを実現しています。
原理
LNOIウェハの製造プロセスは、バルクのニオブ酸リチウム結晶から始まります。この結晶にイオン注入を施し、高エネルギーのヘリウムイオンをニオブ酸リチウム結晶の表面に導入します。これらのイオンは結晶に特定の深さまで浸透し、結晶構造を破壊して脆い面を形成します。この面は、後に結晶を薄層に分離する際に使用されます。ヘリウムイオンの比エネルギーによって注入深さが制御され、最終的なニオブ酸リチウム層の厚さに直接影響します。
イオン注入後、ニオブ酸リチウム結晶はウェーハボンディングと呼ばれる技術を用いて基板に接合されます。接合プロセスでは一般的に直接接合法が用いられ、イオン注入されたニオブ酸リチウム結晶と基板の2つの表面を高温高圧下で押し付けることで強固な接合を形成します。場合によっては、ベンゾシクロブテン（BCB）などの接着材料が追加の支持材として使用されることもあります。
接合後、ウェハはアニール処理を受け、イオン注入による損傷を修復し、層間の接合を強化します。このアニール処理により、薄いニオブ酸リチウム層が元の結晶から剥離し、デバイス製造に使用可能な薄くて高品質なニオブ酸リチウム層が残ります。
仕様
LNOIウェーハは、高性能アプリケーションへの適合性を保証するいくつかの重要な仕様を備えています。具体的には以下のとおりです。
材料仕様
| 素材 | 仕様 |
| 材料 | 均質：LiNbO3 |
| 素材の品質 | 気泡または介在物 <100μm |
| オリエンテーション | Yカット ±0.2° |
| 密度 | 4.65 g/cm³ |
| キュリー温度 | 1142 ±1℃ |
| 透明性 | 450～700 nmの範囲で95%以上（厚さ10 mm） |
製造仕様
| パラメータ | 仕様 |
| 直径 | 150 mm ±0.2 mm |
| 厚さ | 350μm±10μm |
| 平坦性 | 1.3 μm未満 |
| 総厚さ変動（TTV） | 反り <70 μm @ 150 mm ウェーハ |
| 局所厚さ変動（LTV） | 150 mmウェーハで70 μm未満 |
| 粗さ | Rq ≤0.5 nm（AFM RMS値） |
| 表面品質 | 40-20 |
| 粒子（除去不可） | 100～200 μm ≤3粒子 |
| チップス | <300 μm（ウェーハ全体、除外領域なし） |
| ひび割れ | ひび割れなし（フルウエハース） |
| 汚染 | 除去できない汚れなし（フルウェーハ） |
| 並列処理 | 30秒角未満 |
| 方向基準面（X軸） | 47±2ミリメートル |
アプリケーション
LNOIウェハは、その独自の特性により、特にフォトニクス、通信、量子技術の分野において幅広い用途に使用されています。主な用途には以下が含まれます。
統合光学:LNOIウェハは、光集積回路において広く利用されており、変調器、導波路、共振器などの高性能光子デバイスを実現します。ニオブ酸リチウムの高い非線形光学特性は、効率的な光操作を必要とする用途に最適です。
通信:LNOIウェハは、光ファイバーネットワークを含む高速通信システムに不可欠な部品である光変調器に使用されています。高周波で光を変調できるため、LNOIウェハは現代の通信システムに最適です。
量子コンピューティング:量子技術において、LNOIウェハは量子コンピュータや量子通信システムのコンポーネントの製造に用いられています。LNOIの非線形光学特性は、量子鍵配送や量子暗号に不可欠な量子もつれ光子対を生成するために利用されています。
センサー:LNOIウェハは、光学センサーや音響センサーなど、様々なセンシング用途に使用されています。光と音の両方と相互作用する能力により、様々なセンシング技術に幅広く応用できます。
よくある質問
Q:LNOI テクノロジーとは何ですか?
A: LNOI技術は、ニオブ酸リチウム薄膜を絶縁基板（通常はシリコン）上に転写する技術です。この技術は、ニオブ酸リチウムの高い非線形光学特性、圧電性、焦電性といった独自の特性を活用しており、集積光学および通信用途に最適です。
Q:LNOI ウェーハと SOI ウェーハの違いは何ですか?
A: LNOIウェーハとSOIウェーハはどちらも、基板に接合された薄い材料層で構成されているという点で似ています。ただし、LNOIウェーハは薄膜材料としてニオブ酸リチウムを使用するのに対し、SOIウェーハはシリコンを使用します。主な違いは薄膜材料の特性にあり、LNOIは優れた光学特性と圧電特性を備えています。
Q:LNOI ウェーハを使用する利点は何ですか?
A: LNOIウェーハの主な利点は、高い非線形光学係数などの優れた光学特性と機械的強度です。これらの特性により、LNOIウェーハは高速、高周波、量子アプリケーションに最適です。
Q:LNOI ウェハは量子アプリケーションに使用できますか?
A: はい、LNOIウェハは、量子もつれ光子対を生成する能力と集積フォトニクスとの互換性により、量子技術で広く使用されています。これらの特性は、量子コンピューティング、通信、暗号化などのアプリケーションにとって極めて重要です。
Q:LNOI フィルムの標準的な厚さはどれくらいですか?
A: LNOI膜の厚さは、用途に応じて数百ナノメートルから数マイクロメートルの範囲です。厚さはイオン注入プロセス中に制御されます。
