磁控溅射法制备硅基LiNbO3光波导薄膜材料研究

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。

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第一章 引言

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

2.1 LiNbO3的晶体结构

2.2 LiNbO3的性质及性能

2.3 光波导的理论

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

3.2 SiO2缓冲层的制备

3.3 Si3N4缓冲层的制备

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

第五章 实验设备和实验过程

5.1 磁控溅射实验系统简介

5.2 LiNbO3薄膜的生长工艺

第六章 结果讨论

6.1 薄膜的C轴择优取向

6.2 薄膜的晶粒尺寸

6.3 薄膜的物相（组分）

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