磁控溅射法制备硅基LiNbO3光波导薄膜材料研究

论文摘要

LiNbO3因具有优异的电光、压电、非线性光学等特性,已被广泛应用于声表面波及集成光学器件中。制备集成光学器件常需将LiNbO3制成各种形式的光波导结构,但传统方法制备的光波导薄膜存在较多的缺点,因而异质LiNbO3薄膜引起了人们的关注。与体单晶相比,异质LiNbO3薄膜具有明显的优势。如可以获得较大的波导膜与衬底折射率差。至今人们已经采用多种薄膜生长技术来制备异质LiNbO3薄膜,相比其它薄膜生长技术,射频磁控溅射法有许多优势。硅材料作为半导体微电子工业的基石,在硅衬底上生长LiNbO3薄膜与目前半导体工艺兼容,有利于光电集成且价格低廉,具有广阔的应用前景。因而,开展硅基LiNbO3薄膜的研究具有非常重要的意义。采用缓冲层是改善薄膜生长质量的常用途径,本文采用了Si3N4/SiO2作为缓冲层,波导结构为LiNbO3/Si3N4/SiO2/Si。介绍了缓冲层（Si3N4/SiO2）的作用以及制备方法。在Si3N4/SiO2/Si衬底上制备了LiNbO3薄膜,分析了工艺条件（工作气压、衬底温度、退火温度、氧氩比例）与薄膜质量之间的关系,得出了生长高质量C轴取向LiNbO3薄膜的优化条件:溅射功率为30W、氧氩比例为4:6,衬底温度为550℃、工作气压为3Pa、快速退火处理（T=700℃,保持时间60s）。通过多种测试结果的分析表明:在优化条件下生长的LiNbO3薄膜是一种柱状的多晶结构,具有良好的C轴择优取向性,表面平整和截面清晰。这种高质量的LiNbO3薄膜在光波导和声表面波器件应用方面具有很大的潜力,有利于光声电器件的集成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 3薄膜研究进展'>1.1 LiNbO₃薄膜研究进展
• 1.2 本论文的工作
• 1.3 本论文的章节安排
• 第二章 理论基础
• 3的晶体结构'>2.1 LiNbO₃的晶体结构
• 3的性质及性能'>2.2 LiNbO₃的性质及性能
• 2.2.1 电光效应
• 2.2.2 非线性光学效应
• 2.2.3 压电效应
• 2.3 光波导的理论
• 2.3.1 平面光波导的基本理论
• 2.3.2 矩形光波导理论
• 2.3.3 光波导的损耗
• 3在光波导领域的应用'>2.4 LiNbO₃在光波导领域的应用
• 第三章 衬底的选择与缓冲层的制备
• 3.1 衬底的选择
• 3薄膜常用的衬底'>3.1.1 制备LiNbO₃薄膜常用的衬底
• 3.1.2 选择衬底材料需要考虑的几个因素
• 2缓冲层的制备'>3.2 SiO₂缓冲层的制备
• 3N₄缓冲层的制备'>3.3 Si₃N₄缓冲层的制备
• 3.3.1 实验条件
• 3.3.2 实验结果分析
• 3.3.3 实验结论
• 3薄膜的制备技术'>第四章 LiNbO₃薄膜的制备技术
• 4.1 脉冲激光沉积法
• 4.2 化学气相沉积法
• 4.3 溶胶-凝胶法
• 4.4 射频磁控溅射沉积法
• 4.4.1 溅射镀膜原理
• 4.4.2 辉光放电
• 4.4.3 溅射率
• 4.4.4 溅射机理
• 4.4.5 射频（RF）磁控溅射镀膜机理
• 4.4.6 磁控溅射的特点
• 第五章 实验设备和实验过程
• 5.1 磁控溅射实验系统简介
• 3薄膜的生长工艺'>5.2 LiNbO₃薄膜的生长工艺
• 5.2.1 实验流程
• 5.2.2 实验条件的设计
• 5.2.3 分析测试方法
• 第六章 结果讨论
• 6.1 薄膜的C 轴择优取向
• 6.1.1 取向度的计算
• 6.1.2 数据的直观分析
• 6.1.3 小结
• 6.2 薄膜的晶粒尺寸
• 6.2.1 计算晶粒尺寸
• 6.2.2 数据分析
• 6.2.3 小结
• 6.3 薄膜的物相（组分）
• 6.3.1 不同条件下的物相
• 6.3.2 缺锂相产生的原因
• 6.3.3 小结
• 6.4 快速退火改进薄膜质量
• 6.5 优化条件及其表面形貌图
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 硕士期间发表的论文