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01 导读
清华大学精密仪器系李杨副教授研究团队，利用湿法刻蚀工艺在薄膜铌酸锂（ThinFilm Lithium Niobate, TFLN）上实现了本征品质因子高达9.27×106的微环腔,并对该湿法刻蚀工艺在x切和z切TFLN上刻蚀的各向异性进行了研究。该湿法刻蚀工艺具有高品质、低成本、高吞吐量、高重现性和高刻蚀选择比的优势。相关成果以“High-Q Thin Film Lithium Niobate Microrings Fabricated with Wet Etching”为题发表在期刊Advanced Materials上，并被编辑选为“Editor’s Choice”和内封面。
02 研究背景
铌酸锂具有大二阶非线性系数和电光系数、高居里温度、宽透光窗口以及稳定的物理和化学性质。除此之外，还能通过周期性的铁电畴极化翻转实现各种非线性光学过程所需的准相位匹配。因此，铌酸锂是一种光电性能特别优异的光学材料。随着TFLN的出现，传统基于体块铌酸锂的光电器件可以被集成到芯片上。这极大地缩小了器件的体积，降低了器件的功耗，并提升了器件的性能。TFLN在电光调制器、光传感器、非线性波长转换器、光频梳以及光量子信息处理等领域扮演着重要的角色。
高质量的微纳加工工艺是实现高性能集成光电子器件的基础。以电感耦合等离子体-反应离子刻蚀（Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching, ICP-RIE）为代表的干法刻蚀工艺是目前用来刻蚀TFLN的主流微纳加工工艺。基于ICP-RIE技术，在TFLN上实现了本征品质因子高达1×107的微环腔。但由于铌酸锂中的锂元素目前被认为是CMOS工艺中的污染元素，TFLN的干法刻蚀无法与目前的CMOS产线兼容，需要使用专门的干法刻蚀设备。因此，目前基于干法刻蚀的TFLN微纳加工工艺成本比较高。除此之外，干法刻蚀工艺还具有工艺参数复杂和吞吐量有限等问题。
03 研究创新点
本研究中的TFLN湿法刻蚀工艺可以实现高微纳加工工艺品质。微环腔的本征品质因子是衡量微纳加工工艺品质的关键指标。基于湿法刻蚀工艺，研究团队在z切的TFLN上实现了本征品质因子高达9.27×106的微环腔（图1）。该结果与基于ICP-RIE实现的TFLN微环腔的最高本征品质因子处于同一水平。由于本研究中的湿法刻蚀溶液对二氧化硅几乎没有腐蚀性，该湿法刻蚀工艺可以实现极高的刻蚀选择比。实验中仅使用厚度为100 nm的二氧化硅掩模，即可实现百纳米厚的TFLN刻蚀。
图1 z切TFLN上微环的TE0模式的（a）归一化透射谱和（b）1535-1545 nm之间的品质因子分布。QL：加载品质因子；Qint本征品质因子。
由于湿法刻蚀的各向同性以及铌酸锂晶体的各向异性，在使用湿法刻蚀加工TFLN脊波导时，会在波导的左右两侧产生不同的刻蚀速率和侧壁形貌，从而形成左右不对称的波导。本工作对该湿法刻蚀工艺在x切和z切TFLN上刻蚀的各向异性进行了系统的研究（图2）。这些结果有助于研究者基于湿法刻蚀工艺对TFLN微纳器件进行相应的各向异性补偿设计。
图2 湿法刻蚀后TFLN脊波导截面（未去除掩模）电镜图。（a）和（b）为x切TFLN上沿y和z轴方向的脊波导截面电镜图。（c）和（d）为z切TFLN上沿y和x轴方向的脊波导截面电镜图。
该湿法刻蚀工艺具有成本低、吞吐量高和复现容易的优势。本研究仅需要化学实验中常用的过氧化氢和氨水的混合溶液，在特定温度的水浴下对TFLN进行刻蚀。因此，所需的工艺条件非常容易保证。除此之外，该湿法刻蚀工艺可以同时刻蚀多片TFLN晶圆，且对晶圆大小没有限制。因此，该湿法刻蚀工艺具有简单、极易复现、成本低和吞吐量高的优势。这对集成铌酸锂光电子器件的规模化量产具有重要意义。
04 总结和展望
该工作提出的TFLN湿法刻蚀工艺具有高品质、低成本、高吞吐量、高重现性、高刻蚀选择比的优势。为集成铌酸锂光电器件的规模化量产提供了核心关键技术。TFLN湿法刻蚀工艺的工艺流程和参数的优化以及湿法刻蚀各向异性的补偿，是未来需要进一步研究的方向。
本论文的完成单位为清华大学精密仪器系、精密测试技术与仪器国家重点实验室，第一作者为博士生庄荣津，通讯作者为李杨副教授。清华大学精密仪器系博士生何金泽、祁一凡为本论文工作做出了重要贡献。该工作的主要合作者还包括中国科学院国家纳米科学中心的胡海峰副研究员、徐丽华副研究员和褚卫国研究员。
本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金和珠海市产学研项目的资助。该论文的成果已申请PCT国际发明专利（申请号：PCT/CN2022/128685）。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202208113?af=R
