薄膜铌酸锂晶圆（LNOI）的生产制造技术与传统SOI晶圆制造方法相同，大多基于"Smart-cut"技术实现，该项技术专利于1998年申请【1】，到2018年截止，目前该项专利技术已经不受专利保护，可无偿使用。

LNOI晶圆制备过程如下下图所示，包括以下五个步骤：（1）离子注入；（2）衬底准备；（3）薄膜键合；（4）退火及剥离；（5）CMP平坦化。

LNOI晶圆制备工艺流程图

（a）单晶铌酸锂晶体准备；（b）He离子注入；（c）薄膜键合；（d）退火、剥离并做CMP平坦化处理。

第一步：离子注入

如下图b所示，利用离子注入机，从铌酸锂晶体上表面打入高能的He离子，特定能量的He离子进入晶体后，受到LN晶体中原子和电子的阻挠，会逐渐减速并停留在特定深度位置，破坏该位置附近处的晶体结构，将LN晶体分成上下A/B两层，而A区将会是我们需要制备LNOI所需要的薄膜。

离子注入工艺图：

（a）单晶体材料铌酸锂；（b）He离子注入到LN晶体中，注入深度0.6um，将LN分成A/B层；（c）带有切边的单晶铌酸锂晶体实物；（d）He离子在晶体中的浓度随深度的变化情况（该分布曲线只是定性示意曲线，不具备实际意义）

说明：

（1）原始基材：加工LN的基材是体材料铌酸锂（单晶铌酸锂晶棒），如上图c所示，经过处理后的单晶铌酸锂晶体成圆柱形状，其直径决定了生产的LNOI晶圆尺寸（3寸 75mm，4寸 100mm）。

（2）晶圆切边：从上图c中，可以看到圆柱晶体有个平面切面，这个切面也对应成品晶圆的切边，切边的作用是方便辨别晶体的晶向，切边的方向通常与晶体的某一晶向保持平行。

（3）He离子分布与薄膜厚度：He离子能量的高低，将决定离子进入晶体的深度，也决定了A层LN薄膜的厚度。在特定加速电场下，所有He离子进入晶体特定深度位置，形成一个分界面。由于He离子的能量几乎相同，在分界面附近离子呈现高斯分布状态（如上图d）。

（4）注入损伤：He离子在实际注入过程中，需要从晶体上表面逐渐向下渗透，并达到特定深度位置。在这个过程中A层的薄膜晶体也是会受到He离子的撞击而产生一些损耗，破坏晶体原有的性能。如上图b所示，为了表述这一情形，我在图中A层区域绘制了一条黑色折线段，用于表征A层薄膜属于部分破坏状态。关于A层薄膜注入损伤修复，会在后面的工艺中讲到。

第二步：衬底制备

要做薄膜铌酸锂晶圆，肯定不能让几百nm的LN薄膜处于悬空状态，必须有底层支撑材料。常用的SOI晶圆，衬底都是一层厚度大于500um的硅晶圆，然后在其表面制备SiO2介质层，最后将单晶硅薄膜键合在上表面，形成SOI晶圆。

对于LNOI晶圆一样，常用的衬底有Si和LN这两种材料，然后通过热氧或PECVD沉积工艺制备SiO2介质层，如果介质层表面不平整，还需要化学机械研磨CMP工艺，使其上表面光滑平整，便于后续的键合工艺。  

  衬底制备流程图：（a）商业化晶圆衬底Si或LN等；（b）SiO2介质层制备；（c）介质层表面CMP处理

第三步：薄膜键合

利用晶圆键合设备，将注入离子后的LN晶体反转180度，键合到衬底上。对于晶圆级生产而言，衬底与LN两者的键合表面都做了平整化处理，通常采用直接键合方式键合，中间不需要粘结剂材料。

而对于科学研究而言，还可以采用BCB（benzocyclobutene）作为中间层粘结剂材料，实现Die to Die的键合，采用BCB键合方式，对键合表面平整度要求较低，非常适合于科研实验中。但是BCB不具有长期稳定性，所以在晶圆生产中，通常不会采用BCB键合。

LN与衬底键合工艺

第四步：退火及剥离

将两种晶体表面贴合挤压后，还需高温退火及剥离工艺。两种晶体表面贴合后，首先在特定温度下维持一定时间，加强界面键合力，同时使得注入离子层气泡化，使得A,B两层薄膜逐渐分离开，最后用机械设备将两者剥离开，然后再逐渐降低温度至室温，完成整个退火及剥离工艺。退火工艺作用：

（1）较高的温度能够使得键合界面的键合力增加，使得键合的薄膜更牢固。

（2）较高的温度能偶使得注入离子层气泡化，使得A,B两层薄膜逐渐分离开。

（3）高温退火也会修复A层薄膜内受离子注入损伤的晶体，使其恢复单晶材料特性。

退火及剥离工艺：（a）两种材料界面贴合；（b）高温退火，界面键合力增加，A/B层气泡化分离；（c）完全剥离 

 第五步：CMP平坦化

经过退火剥离后的LNOI晶圆，其表面是粗糙的，不平整的，需要进一步做CMP平坦化处理，使得晶圆表面薄膜平整，降低表面粗糙度。

薄膜表面CMP平坦化处理：（a）剥离后的LNOI晶圆；（b）LNOI表面CMP处理示意图；（c）CMP设备实物图；（d）CMP工作示意图。

    参考文献

    【1】Crystal ion-slicing of single-crystal films (USPTO patent 6120597 September 19, 2000)

    【2】Thin-fIlm Lithium Niobate Integrated Photonics on Silicon for Electro- and Nonlinear-optic Applications