随着光子集成技术PIC的发展复杂光波导如Y分支、S弯曲成为实现器件微型化的关键但传统铌酸锂体材料折射率差小、光束缚弱而薄膜铌酸锂LNOI虽平台优良却因硬度大、化学惰性强导致光刻与刻蚀工艺中特征尺寸难以控制、传输损耗较高。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量精确测定样品的表面台阶高度与膜厚为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。本文系统采用截断法、光时域反射仪及光功率计测试系统等多种损耗表征方法结合有限差分特征模态FDE仿真分析弯曲波导的辐射损耗并利用扫描电子显微镜和台阶仪实现波导形貌与厚度的微纳表征。通过优化光刻与ICP-RIE刻蚀工艺成功制备出LNOI复杂波导样片实测光刻后线宽2.438 μm、刻蚀后线宽2.088 μm、刻蚀深度约205 nm搭建光功率计测试平台测得光路系统固有损耗7.04 dB并采用直波导与弯曲波导线路差值法获得Y分支和双圆弧弯曲波导的传输损耗为低损耗复杂波导的工艺验证提供了可靠手段。光波导基本原理光波导中光波传输示意图光波导利用芯层与包层之间的折射率差将光波束缚在导光层内实现低损耗定向传输。LNOI波导属于平板波导由铌酸锂LN薄膜层折射率较高、SiO₂埋氧层折射率较低和硅衬底构成。LN与SiO₂的折射率差可达0.7使光在垂直方向被有效限制在亚微米尺度的薄膜中。当入射角满足全反射条件时光波可在波导内稳定传输。平板光波导波动光学理论从麦克斯韦方程组出发推导出电磁场的矢量波动方程。假设光波沿z方向传播电场和磁场可表示为时谐形式。通过亥姆霍兹方程引入传播常数β得到TE模和TM模的场分量表达式。对于TE模仅存在Ey、Hx、Hz分量对于TM模仅存在Hy、Ex、Ez分量。求解本征方程可获得LN平板波导的模式特性。光波导分类与有效折射率法光波导类型(a)平板波导(b)圆柱形波导(c)加载条型波导(d)脊型波导光波导按结构分为平板波导、圆柱形波导、条形波导包括矩形波导和脊形波导。LNOI片上常用脊形波导。有效折射率法将二维矩形波导分解为水平和垂直方向上的平板波导组合分别求解TE和TM模的色散方程从而获得整体结构的等效折射率。弯曲矩形波导及其坐标表示(a)剖面示意图(b) y方向等效平板波导(c) x方向上的等效平板波导对于弯曲矩形波导其色散方程如下式所示可计算不同模式下的有效折射率。色散方程铌酸锂晶体电光效应LN 晶体的不同切向铌酸锂是一种各向异性介质其电光效应表现为外加电场引起折射率变化。通过折射率椭球方程和线性电光系数矩阵可推导出电场方向对折射率的影响。以z方向加电场为例寻常光和异常光的折射率变化分别为Δn₀ -½ n₀³γ₁₃Ez 和 Δnₑ -½ nₑ³γ₃₃Ez其中γ₃₃是最大的电光系数广泛应用于电光调制器。LN晶体按切割方向分为x-切、y-切和z-切三种不同切向影响器件的性能。时域有限差分法FDTD电场和磁场的递归表达式FDTD是分析LNOI光波导模式和传输特性的常用数值方法。它将电场和磁场在时间和空间上离散化将麦克斯韦方程组转化为差分方程迭代求解。仿真中需注意网格划分精细度和边界条件设置通常采用完美匹配层PML吸收出射光波。通过FDTD可得到电场和磁场的递归表达式从而求解光场分布。波导损耗测试方法直波导传输损耗与长度之间的关系截断法对于直波导传输损耗与波导长度成正比L(x)k·xs。通过测量两段不同长度波导的总损耗可求出传输损耗系数k [L(B)-L(A)]/[x(B)-x(A)]。光时域反射仪测试原理图光时域反射仪OTDROTDR利用光纤/波导中反向散射和反射信号来监测链路状态它适用于长距离光纤链路的损耗分析但不适合复杂波导的局部损耗测试。光功率计损耗测试系统示意图光功率计损耗测试系统该系统由激光器、多维调节架、光纤和光功率计组成。测试时激光器输出光经单模光纤耦合至波导输入端输出端经光纤接入光功率计。通过测量有无波导时的功率变化并结合系统固有损耗可计算出波导的传输损耗。该方法对复杂波导更便捷实用。求解麦克斯韦方程组上直波导、下弯曲波导采用柱坐标下的本征模形式有限差分特征模态FDEFDE是MODE Solutions软件中的求解器通过在波导横截面上求解麦克斯韦方程获得模式的空间分布和有效折射率。FDE可仿真不同弯曲半径对应的辐射损耗为波导设计提供依据。微纳表征技术扫描电子显微镜SEM本文采用SEM观测波导形貌。该设备最高分辨率达0.7 nm。对于导电性较差的LNOI样品需喷金或粘贴导电胶带以避免电荷积累。台阶仪采用Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪测量波导膜厚和粗糙度其原理是触针沿样品表面滑动将峰谷变化转化为电信号经放大、解调和滤波后得到表面轮廓数据。测量时样品应无粘性或流动性。LNOI复杂光波导微纳表征光刻后性能测试(a)图案1光刻后整体样片结构(b)图案1光刻后局部图案结构(c)图案2光刻后局部图案结构选用厚度为400 nm的LNOI芯片经磁控溅射镀300 nm厚的Cr层作为掩膜然后使用线宽为2.0 μm的掩模版在SUSS MJB4光刻机上进行套刻完成光刻、曝光、显影、烘干等工艺流程。整体轮廓较完整但膜层上有灰尘斑点需保证无尘环境。光刻后 PosCam 下测出的复杂波导线宽光刻后台阶仪测试复杂波导的厚度利用PosCam软件测量光刻后的局部波导线宽测得线宽为2.438 μm。用台阶仪对光刻后波导进行表征步进速度为0.05 mm/s。台阶跳跃处高度为286.5 nm与Cr膜厚度基本相当。ICP-RIE刻蚀后波导表征刻蚀后的LNOI复杂波导图形采用电感耦合等离子体刻蚀机ICP-RIE对光刻后样片进行刻蚀刻蚀完成后将样片浸泡于Cr腐蚀液中2小时去除剩余Cr层随后依次用清水、丙酮、酒精清洗使复杂波导图案转移至LNOI衬底层。刻蚀后 PosCam 下测出的复杂波导线宽LNOI 复杂波导局部分叉处图像用PosCam软件测量刻蚀后的波导线宽测得宽度为2.088 μmS弯曲波导的弯曲半径为25.109 μm。刻蚀后线宽略低于光刻线宽说明刻蚀后的宽度受光刻分辨率限制验证了工艺各步骤之间的密切相关性。在多维观察系统下整体线条齐整但局部放大后可见复杂结构连接处的断续和粗糙其波导宽度和连续性明显低于简单元结构这也是目前LNOI复杂波导工艺尚未解决的难题之一。刻蚀后台阶仪测试复杂波导的厚度用台阶仪对刻蚀后波导进行表征跳跃处高度为205.1 nm与设计值吻合。本文围绕LNOI片上复杂光波导从理论、工艺与测试三方面研究。理论上由麦克斯韦方程推导平板波导TE/TM模本征方程结合折射率法建立矩形波导色散方程用FDTD和FDE仿真量化脊弯曲波导模场与辐射损耗。工艺上经光刻和ICP-RIE刻蚀制备光刻后线宽2.438 μm刻蚀后收窄至2.088 μm、台阶高度205.1 nm与设计值吻合Y分叉等复杂结构处线宽一致性和边壁连续性不足为工艺主要瓶颈。测试上以光功率计法标定平台固有损耗7.04 dB并用Y分支分光比和双圆弧弯曲波导差分损耗测试评估传输性能结果可与仿真互验为后续工艺优化提供依据。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值尤其是台阶高度是一个重要的参数对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。✔ 配备500W像素高分辨率彩色摄像机✔ 亚埃级分辨率台阶高度重复性1nm✔ 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台✔ 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量保证材料质量、提高生产效率。原文参考《薄膜铌酸锂复杂波导关键工艺研究》