局域掺杂铌酸锂单晶薄膜高精度激光剥离关键技术研发

【需求背景】 近年来，绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台凭借其低损耗、高密度集成和多功能等特性，已成为构建高性能集成光路芯片的关键支撑材料。一个完整的光子集成平台应同时包含光的产生、传输、控制及探测等功能器件。然而，名义纯铌酸锂薄膜属于间接带隙材料，无法实现电致发光。尽管稀土掺杂铌酸锂可以实现光泵发光，但也带来吸收损耗问题。异质有源-无源集成或拼接掺杂与名义纯LNOI薄膜的方式，都存在界面损耗大、精度要求高且难以灵活控制有源区域等局限，严重制约了基于LNOI大规模多功能光子集成的发展与应用。针对上述难题，南开大学孔勇发、许京军教授团队创新性地采用局域热扩散技术，在单片LNOI上实现了有源与无源区域的定制化集成。然而，该技术路线仍依赖Smart-Cutting进行薄膜剥离，离子注入引入的晶格缺陷难以完全消除，高温热处理易导致局域掺杂边界发生不可控扩散，破坏了掺杂分布的陡峭界面。发展高效、高保真的局域掺杂铌酸锂薄膜激光剥离技术，已成为突破LNOI大规模多功能光子集成瓶颈的关键课题。 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，从根本上避免局域掺杂边界的不可控热扩散。然而，现有技术在局域掺杂铌酸锂薄膜产业化应用中仍面临诸多瓶颈：局域掺杂区域与非掺杂区域在光学吸收、热导率和损伤阈值等方面存在显著差异，单一激光参数难以实现两种区域的均匀剥离；激光诱导的瞬态热场可能在掺杂边界处引起元素的微观再分布，破坏掺杂分布的亚微米级陡峭度；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，研发适用于局域掺杂铌酸锂晶圆、实现改质层深度控制精度≤ ± 2 μm、局域掺杂边界过渡区宽度≤ 500 nm、热影响区≤ 100 nm、单片剥离时间≤ 15分钟的高精度激光剥离技术与装备，对我国LNOI多功能光子集成芯片产业的自主发展具有重要意义。 【需解决的主要技术难题】 1. 局域掺杂/非掺杂界面处的激光改质层均匀性控制难题：局域掺杂区域（如Er、Tm等稀土离子掺杂区）与非掺杂区域在光学吸收系数、热导率和损伤阈值等方面存在显著差异。磁控溅射与局域热扩散技术可在LNOI薄膜中实现特定离子的精准扩散与分布。然而，在激光剥离过程中，同一激光参数在掺杂区和非掺杂区产生的改质层深度和形貌可能不同，导致剥离界面不平整或掺杂边界处产生微裂纹。如何在保持掺杂边界亚微米级陡峭度的前提下，实现全幅面改质层深度偏差≤ ± 2 μm，是亟待解决的核心难题。 2. 局域掺杂边界的不可控热扩散抑制难题：铌酸锂晶体中稀土离子的扩散对温度极为敏感。Smart-Cutting技术所需的高温热处理（>300℃）易导致局域掺杂元素在边界处发生不可控扩散，破坏掺杂分布的陡峭性。激光剥离虽然整体热输入较低，但激光诱导的瞬态热场仍可能在掺杂边界处引起元素的微观再分布。需将剥离界面温升控制在150℃以下，确保局域掺杂边界的陡峭度保持在亚微米级（过渡区宽度≤ 500 nm）。 3. 局域掺杂区域与非掺杂区域的应力匹配难题：稀土离子掺杂会引起铌酸锂晶格的局部膨胀或收缩，在掺杂区域与非掺杂区域的界面处产生本征应力。Smart-Cutting技术中，这种本征应力与离子注入应力和热应力叠加，易导致剥离过程中薄膜开裂。需通过激光参数优化（能量密度、扫描速度、脉冲串模式）和应力缓冲层设计，实现剥离后薄膜无可见微裂纹，且掺杂区域与非掺杂区域边界完整无断裂。 【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. 可掺杂离子体系：Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺等稀土离子及Mg²⁺等抗光折变离子 c. 局域掺杂区域最小特征尺寸：≤ 50 μm d. 局域掺杂边界过渡区宽度：≤ 500 nm e. 剥离薄膜厚度：300 nm \~ 10 μm f. 全幅面改质层深度控制精度：≤ ± 2 μm g. 热影响区（HAZ）厚度：≤ 100 nm h. 剥离界面温升：≤ 150℃ i. 剥离后薄膜表面粗糙度：Ra ≤ 0.5 nm 【技术需求】 ](https://www.kczg.org.cn/needs/index?type=1) — 采集元信息 — 需求单位：济南\*\*\*公司 所在地区：山东省 济南市 济南高新技术产业开发区 合作方式：委托开发 预算：¥50万 截止日期：2027-12-31 发布日期：2026-07-16 数据来源：科创中国 来源链接：https://www.kczg.org.cn/needs/detailThe?type=1&id=8423155