掺镁铌酸锂单晶薄膜高质量激光剥离关键技术研发

【需求背景】 近年来，以铌酸锂（LiNbO₃）为核心的集成光子技术发展迅猛，绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台凭借其优异的电光效应（r₃₃≈ 30.8 pm/V）、非线性光学系数（d₃₃≈ 27 pm/V）及极低的光学传输损耗（< 0.027 dB/cm），已成为高性能集成光路芯片的关键支撑材料。然而，同成分铌酸锂在强激光作用下易发生光折变损伤，严重制约高功率光子器件性能。掺镁铌酸锂（MgO:LN）可将抗光损伤能力提升约100倍，光损伤阈值提高5\~10倍，是非线性光学准相位匹配和高功率电光器件的理想材料。发展掺镁铌酸锂单晶薄膜的高质量制备技术，已成为集成光子学领域亟待突破的核心课题。 目前，铌酸锂单晶薄膜的主流制备技术是基于离子注入和晶圆键合的“智能剥离”（Smart-Cut）技术，全球LNOI市场预计2032年将达13.46亿美元。然而，离子注入法应用于掺镁铌酸锂时存在显著局限：工艺复杂、成本高、产能受限，且离子注入引入的晶格缺陷难以完全消除，剥离面粗糙度高需额外化学机械抛光，高温热处理（>300℃）易导致Mg²⁺掺杂元素扩散，影响薄膜光学均匀性和电光性能一致性。发展高效、低损伤的掺镁铌酸锂薄膜制备技术，已成为提升集成光子器件制造水平的迫切需求。 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，有望克服离子注入法的固有缺陷，已在透明硬脆材料切片领域展现出显著优势。然而，现有技术在掺镁铌酸锂薄膜产业化应用中仍面临诸多瓶颈：MgO掺杂浓度（1\~6 mol%）差异导致不同晶圆需不同激光参数窗口，设备兼容性加工难度大；铌酸锂热导率较低（\~4.6 W·m^-1·K^-1），激光热效应易引发裂纹和掺杂元素分布改变；大面积（≥ 4英寸）晶圆改质层深度均匀性难以保证。因此，研发适用于4英寸及以上掺镁铌酸锂晶圆、实现改质层深度控制精度≤ ± 2 μm、热影响区≤ 100 nm、单片剥离时间≤ 15分钟的高质量激光剥离技术与装备，对我国集成光子芯片产业自主发展具有重要意义。 【需解决的主要技术难题】 1. 掺镁铌酸锂激光改质层的掺杂浓度依赖性调控难题：MgO掺杂浓度显著影响晶体的载流子迁移率和损伤阈值。MgO(6%):LiNbO₃的载流子迁移率（70 cm·V^-1·s^-1）远高于MgO (0.5%):LiNbO₃（30.6 cm·V^-1·s^-1）和未掺杂晶体（0.8 cm·V^-1·s^-1）。载流子迁移率越大，飞秒激光作用下电子与晶格的能量耦合效率越低，实现相同晶格温度升高所需激光能量密度越高。不同掺杂浓度（1\~6 mol% MgO）的晶圆需要不同的激光参数窗口（波长、脉宽、能量密度），如何在单一设备平台上实现宽掺杂浓度范围的兼容性加工，是亟待解决的核心难题。 2. 激光诱导热损伤与改质层精准控制难题：掺镁铌酸锂晶体的热导率较低（\~4.5 W·m^-1·K^-1），飞秒激光能量沉积易导致局部温升过高。研究表明，飞秒激光脉冲宽度越大，MgO:LN晶体的晶格温度越高。在剥离过程中，需将热影响区控制在100 nm以内，同时避免改质层附近产生微裂纹或非晶化。MgO:LN晶体在不同晶向（X切、Y切、Z切）下具有各向异性的光学吸收和热力学响应，高重复率飞秒脉冲诱导的周期性烧蚀形貌与晶体取向密切相关，需建立掺杂浓度-晶体取向-激光参数的耦合模型以实现精准工艺控制。 3. 剥离界面损伤与薄膜结晶质量保持难题：掺镁铌酸锂的光学性能和电光性能对晶格完整性高度敏感。任何剥离引入的位错、应力或非晶层都将导致薄膜的折射率变化和光学损耗增加。需通过激光参数优化（波长、脉宽、能量密度、扫描策略）确保剥离后薄膜的XRD摇摆曲线半高宽与原始晶体偏差≤10%，且薄膜光学传输损耗不劣于离子注入法制备的LNOI（＜0.1 dB/cm）。此外，掺镁铌酸锂的抗光折变能力依赖于Mg²⁺在晶格中的均匀取代，激光剥离过程中的热效应可能导致Mg²⁺局部分布改变，需确保剥离后掺杂元素分布均匀性与原始晶体偏差≤5%。 【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. 可剥离材料体系：掺镁铌酸锂（MgO:LN），掺杂浓度1\~6 mol% c. 剥离薄膜厚度：300 nm \~ 10 μm d. 全幅面改质层深度控制精度：≤ ± 2 μm e. 热影响区（HAZ）厚度：≤ 100 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=8423153