行业领域

新一代信息技术产业

需求背景

近年来，以铌酸锂为核心的集成光子技术发展迅猛，绝缘体上铌酸锂平台已成为构建高性能集成光路芯片的关键支撑材料。掺铒铌酸锂（Er:LN）集铌酸锂优异非线性光学性能和Er³⁺离子丰富光谱特性于一身，可在通信波段（1.53~1.6 μm）实现光放大和激光输出，上海交通大学团队已实现掺铒铌酸锂波导放大器增益达16 dB、最大输出功率113 mW。发展掺铒铌酸锂单晶薄膜的低损伤、高质量制备技术，已成为集成有源光子学领域亟待突破的核心课题。

目前，铌酸锂单晶薄膜的主流制备技术是基于离子注入和晶圆键合的“智能剥离”技术。然而，离子注入法应用于掺铒铌酸锂时面临严峻挑战：Er³⁺在高温热处理（>300℃）过程中易发生迁移和团聚，导致发光效率下降和增益性能劣化；离子注入引入的晶格缺陷会增强非辐射弛豫，缩短荧光寿命；剥离面粗糙度高需额外化学机械抛光，增加有源器件制备的工艺复杂度。发展低损伤、高保真的掺铒铌酸锂薄膜制备技术，已成为提升集成有源光子器件制造水平的迫切需求。

激光剥离技术通过超快激光在晶圆内部形成改质层实现薄膜与衬底分离，有望在低温条件下实现高质量薄膜剥离，从根本上避免Er³⁺热扩散问题。然而，现有技术在掺铒铌酸锂薄膜产业化应用中仍面临诸多瓶颈：掺铒铌酸锂在通信波段（1.53 μm）存在Er³⁺特征吸收，增加了激光与物质相互作用复杂性；激光诱导的瞬态热场和冲击波可能引起Er³⁺微观重新分布，导致荧光寿命缩短和量子效率下降；大面积（≥ 4英寸）晶圆改质层深度均匀性和薄膜完整性难以保证。因此，研发适用于4英寸及以上掺铒铌酸锂晶圆、实现界面温升≤150℃、Er³⁺荧光寿命保持率≥ 90%、改质层深度控制精度≤ ± 2 μm、单片剥离时间≤ 15分钟的低损伤激光剥离技术与装备，对我国集成有源光子芯片产业自主发展具有重要意义。

需解决的主要技术难题

1. 掺铒铌酸锂激光改质层的Er³⁺特征吸收干扰难题：Er³⁺离子在1.53 μm附近具有特征吸收峰（⁴I_15/2→⁴I_13/2跃迁），若采用近红外飞秒激光（如1040 nm）进行剥离，需考虑Er³⁺的能级结构对非线性吸收过程的影响。掺铒铌酸锂中Er³⁺掺杂浓度通常为0.5~2 mol%，其吸收系数虽远小于基质晶体的本征吸收，但在高重复频率飞秒激光作用下，Er³⁺的激发态吸收可能影响改质层的形成均匀性和阈值稳定性。需系统研究Er³⁺掺杂浓度对飞秒激光改质阈值的影响规律，建立掺杂浓度-激光参数-改质效果的定量关系模型。 |

2. 激光诱导热效应对Er³⁺发光性能的损伤难题：掺铒铌酸锂的发光效率对Er³⁺的局域环境高度敏感。Er³⁺的荧光寿命（⁴S_3/2态）和发射截面等光谱参数与晶格完整性密切相关。激光剥离过程中的瞬态高温（即使控制在200℃以下）和应力波可能导致Er³⁺周围的晶格畸变，增强多声子弛豫，降低荧光寿命和量子效率。如何在保证剥离效率的前提下，将热影响区控制在100 nm以内、界面温升低于150℃，同时确保剥离后Er³⁺的荧光寿命保持率≥90%，是亟待解决的核心难题。 |

***³⁺掺杂均匀性在剥离过程中的保持难题：掺铒铌酸锂薄膜的增益性能取决于Er³⁺在薄膜厚度方向和面内的均匀分布。研究表明，Er³⁺在高温下容易发生迁移和团聚。激光剥离虽然避免了离子注入法所需的高温热处理，但激光诱导的瞬态热场和冲击波仍可能引起Er³⁺的微观重新分布。需确保剥离后薄膜中Er³⁺的分布均匀性与原始晶体保持一致（偏差＜5%），且Er³⁺的局域配位环境不发生显著改变。

期望实现的主要技术目标

a. 可剥离晶圆尺寸：≥ 4英寸（兼容4英寸、6英寸）

b. 可剥离材料体系：掺铒铌酸锂（Er:LN），掺杂浓度0.5~2 mol% Er₂O₃；铒镱共掺铌酸锂（Er/Yb:LN）

c. 剥离薄膜厚度：300 nm ~ 10 μm（可调）

d. 全幅面改质层深度控制精度：≤ ± 2 μm

e. 热影响区（HAZ）厚度：≤ 100 nm

f. 剥离界面温升：≤ 150℃