人工智能浪潮下，算力和數據需求爆發式增長，光電子器件的制造也隨著迅速發展。鈮酸鋰晶體作為典型的光電子器件基體材料，集光折變效應、非線性效應、電光效應、聲光效應、壓電效應與熱電效應等于一體，且具有良好的熱穩定性、化學穩定性和可調控性，可用于制造光波導器件、光參量振蕩器、光折變器件、諧波發生器、紅外探測器、激光調制器、倍頻器等高端光電子器件。

（來源：恒元光電）

不過，除鈮酸鋰本征特性外，要滿足高性能光電子器件對鈮酸鋰晶體的嚴格要求，鈮酸鋰晶體往往需要經過線鋸切割、減薄、超精密研磨拋光及超構表面制備等精密加工達到亞微米級面型精度、亞納米級表面粗糙度和納米級表面損傷深度的加工質量要求。而鈮酸鋰又是一種典型的軟脆性材料，各向異性也很強，容易導致加工精度和表面質量不穩定，而出現劃痕、裂紋和磨粒嵌入等問題，所以如何實現鈮酸鋰晶體的精密加工是當前產業關注的熱點。

一、減薄技術

減薄技術是指將晶體厚度減小到所需的尺寸，既可以使其可以適應更薄的封裝設計，以便減少光電器件整體的厚度和重量，同時減薄后的晶圓還具有更短的熱擴散路徑和較高的表面積與體積比，有助于將芯片運行時產生的熱量更快，更有效地傳遞出去，避免熱量在傳遞過程中在芯片內部積聚，而導致局部過熱，影響器件性能。目前，鈮酸鋰晶圓主要采取離子切片技術對晶圓進行減薄。

離子切片是基于離子注入、晶圓鍵合和化學機械拋光來實現晶體薄化，可以加工出厚度為數百納米到幾微米的高質量鈮酸鋰薄膜。具體操作是，首先使用高劑量的He⁺轟擊鈮酸鋰晶圓，使He⁺在晶圓中一定深度形成注入層。隨后，將該晶圓與另一塊生長有數微米厚度二氧化硅的永久性襯底進行鍵合，放入高溫爐中退火，由于注入層中的He⁺與鈮酸鋰晶體之間存在巨大的熱膨脹系數差異，該過程中會產生嚴重熱應力，進而導致薄膜斷裂或分離而獲得鈮酸鋰薄膜。

離子切割技術制作鈮酸鋰薄膜工藝流程圖（來源：參考文獻2）

二、精密研磨拋光

研磨和拋光主要是對晶體表面進行超精密處理，消除減薄過程中產生的表面損傷，提高晶體表面完整性。目前鈮酸鋰晶片主要采用游離磨料研磨、固結磨料研磨和化學機械拋光的方法。

1、游離磨料研磨

游離磨料加工是一種成熟的研磨方式，通常采用鑄鐵盤、錫盤、銅盤等作為研磨盤，研磨盤上加工有溝槽用于攜帶磨粒。加工時研磨液中的磨料游離分布于工件與研磨盤之間，在外加載荷的作用下磨料與工件發生相對運動，工件材料在磨料的滾軋和刻劃作用下被去除。

游離磨料拋光

采用該方式對鈮酸鋰晶體進行精密研磨，可以實現在工件表面進行輕微切削，具有切削熱小、切削溫度低的優勢，有利于減少熱應力造成的材料損傷。不過鈮酸鋰晶體作為典型的軟脆性材料，需要優化磨料種類、粒徑，研磨載荷和磨盤材質等關鍵研磨參數，避免磨粒嵌入晶體內，擴大晶體損傷區域，影響晶體表面質量，同時提升加工速率。

2、固結磨料加工

針對游離磨料研磨鈮酸鋰晶體表面容易出現磨料嵌入的問題，固結磨料加工技術開始引起人們關注。采用固結磨料加工時，磨粒被固結于固結磨料拋光墊或砂輪中，加工前通過修整工具對FAP或砂輪進行修整，使鋒利的磨粒微刃出露于基體表面，隨后工件在磨粒的犁耕和微切削作用下被去除。

固結磨料加工

相比較于游離磨料研磨，軟脆性材料使用固結磨料研磨幾乎不存在磨料嵌入的問題，使加工表面更光滑、亞表面損傷更小，是實現鈮酸鋰晶體連續批量加工的優選方法。目前，鈮酸鋰的骨架磨料加工通常采用低硬度基體材料制成的固結磨料，既可減少磨料在鈮酸鋰晶體表面產生的脆性斷裂，提高晶體表面的加工質量，也有助于磨粒脫落和替換，提高材料的去除率。

3、化學機械拋光

化學機械拋光是一種廣泛采用的最終拋光方法，它結合了機械拋光和化學腐蝕技術，利用拋光液中的化學試劑將使被拋光基底材料氧化，生成一層較軟的氧化膜層，然后再通過機械摩擦作用去除氧化膜層，這樣通過反復的氧化成膜-機械去除過程，從而達到了有效拋光的目的。

化學機械拋光原理

CMP技術是當今時代能實現集成電路（IC）制造中晶圓表面全局平坦化的唯一技術，可達到原子級超高平整度，不過在拋光之前需要確定化學改性和機械去除之間的平衡，避免嚴重的表面損傷和殘余應力。目前，鈮酸鋰的化學機械拋光通常采用硬度適中的SiO₂作為拋光磨粒、PH為10左右的CMP拋光液，PH值較低，化學腐蝕作用比較微弱，化學機械拋光過程實質為純機械作用，而PH值較高，則導致SiO₂顆粒部分溶解，最終表現為化學機械拋光速率降低。

三、超構表面加工

超構表面能夠靈活操縱光電器件基體材料光場、電場、聲場等的局域分布，有利于多功能、超緊湊集成光電子器件的研發與應用。目前，制備高質量鈮酸鋰超構表面的典型加工技術包括光刻、刻蝕、飛秒激光燒蝕等。

1、光刻技術

光刻是以一種光敏感聚合物（光刻膠）為主要材料的照相制版技術，可將整套集成電路圖案刻蝕在晶圓上。

在光刻時，光源的波長是影響光刻精度的主要原因。目前適用于鈮酸鋰的光刻技術主要有紫外光刻技術和電子束曝光技術，深紫外光源的曝光精度在100nm左右，具有較高的制造速率，適合光電子器件超構表面的大規模量產，而電子的波長較小，電子束光刻的加工精度可以達到10nm以內，有利于鈮酸鋰薄膜上復雜圖案的制備，但制造速率較慢。

2、刻蝕技術

刻蝕技術主要包括干法刻蝕（反應離子刻蝕、氬等離子體純物理刻蝕等）和濕法刻蝕。

干法刻蝕技術是利用等離子體、反應等離子、離子束等對材料產生物理、化學刻蝕作用而構造超構表面，具有高精度、高選擇性、低污染以及成本效益高等優點。然而，干法刻蝕也存在對特定材料的刻蝕速率較慢，特殊形狀的結構難以加工等挑戰，在選擇使用時需要綜合考慮具體應用需求和材料特性。目前，氬等離子體純物理刻蝕是鈮酸鋰最常用的干法刻蝕方法。

濕法刻蝕技術是利用腐蝕溶液與浸漬在腐蝕液中的材料進行化學反應生成可溶解的生成物，從而將需要腐蝕的區域去除，具有適用性廣、加工效率高和成本效益高等優點，其缺點在于對設備和材料的侵蝕性較強，需要對材料進行有效處理。

3、飛秒激光燒蝕

激光加工是依靠激光光斑的高功率密度實現材料的去除，可制造出周期結構、微孔陣列結構、三維結構、復合結構等多種結構。一般來說其加工精度與脈沖寬度有很大的關系。相對于納米、皮秒等，飛秒激光的脈沖寬度為10^-15，小于電子聲子相互作用的時間尺度，電子中沉積的激光能量來不及傳給離子，激光脈沖輻照就已經就結束。此時離子的溫度比較低，不會給周圍的材料帶來熱影響，因此具有高精度、高靈活度的優勢。

飛秒加工原理

小結

鈮酸鋰晶體是光電器件中的重要材料，為了滿足光電子器件高性能制造標準，需要進行減薄、研磨、拋光、表面超構等一系列超精密加工步驟，但其低硬度、高脆性和強各向異性等特征導致加工難度大，容易出現表面劃痕、裂紋和磨料嵌入等問題。目前，鈮酸鋰的減薄主要采取離子切片的方式，可以加工出厚度為數百納米到幾微米的高質量鈮酸鋰晶片，研磨和化學機械拋光等技術則可通過優化磨料粒徑、壓力、轉速等參數，減少前道工序的損傷，顯著改善鈮酸鋰晶體表面質量。而在制備高質量鈮酸鋰超構表面上，可通過光刻、刻蝕、飛秒激光燒蝕等技術實現光電器件的小型化以及滿足更多的設計需求。

參考來源

1、田業冰,魏成偉,宋曉梅,等.鈮酸鋰晶體超精密加工技術研究進展[J/OL].金剛石與磨料磨具工程.

2、姚昊,王夢柯,鄧佳瑤,等.薄膜鈮酸鋰光波導器件的研究進展（特邀）[J].激光與光電子學進展.

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