如何为集成光子学指定 TFLN 晶圆规格（晶向、厚度、BOX、直径）

当你向 TFLN 晶圆供应商发送 RFQ 时，有五个参数决定收到的晶圆是否真的能用于你的 photonic integrated circuit：crystal cut、film thickness、buried oxide (BOX) thickness、wafer diameter，以及 lithium niobate 基底是 congruent-melt 还是 MgO-doped。任何一个参数写得不清楚，你要的就不是晶圆，而是意外。本文解释每个参数的含义、如何选择，以及这些选择在交期和可获得性上的代价。

Crystal Cut: X-cut vs Z-cut

lithium niobate 薄膜的 crystal cut 决定 ferroelectric c-axis 相对于晶圆表面的取向，而这个取向决定了你需要怎样的电极几何，才能调用主导电光系数。

在 X-cut TFLN 中，c-axis 位于晶圆平面内。波导脊两侧的侧向电极施加的电场大体平行于 c-axis，从而利用 r33 系数（约 30 pm/V），也就是 lithium niobate 中最强的电光张量元素。由于电极不需要直接位于波导上方，光学模式避免了金属吸收带来的插入损耗。X-cut 是面向 coherent optical communications 和 microwave-photonic 应用的电光调制器主流配置。

在 Z-cut TFLN 中，c-axis 垂直于晶圆表面。这种几何用于某些 nonlinear-optical 和 acousto-optic 器件，因为垂直电场取向在结构上更方便。制造更复杂，因为电极必须跨越波导，需要仔细设计 buffer layer，以避免金属邻近造成过高光吸收。

对今天多数集成光子采购来说，调制器、开关、相干收发器用 IQ 调制器都应以 X-cut 为起点，除非你的器件架构明确要求 Z-cut 几何。多数 TFLN foundry process design kits (PDKs) 都面向 X-cut 基底。

Film Thickness: 300–600 nm Range

lithium niobate 薄膜厚度是器件设计中最关键的参数之一。它决定光学模式尺寸，进而影响弯曲损耗、与光纤的耦合损耗，以及光场与电极施加 RF 场之间的重叠。

较薄薄膜（300–400 nm）会更强地限制光学模式。这有利于集成密度，可实现亚毫米弯曲半径，也适合 nonlinear-photonic 应用中需要与 periodically poled 结构紧密模式重叠的场景。代价是较薄薄膜更容易受波导侧壁粗糙度影响，因为倏逝场相对于总模式功率更大；同时，与标准单模光纤的耦合更难，因为模式失配更大。

较厚薄膜（500–600 nm）放宽光刻和刻蚀要求，可通过中间几何的 spot-size converters 改善 fibre-chip coupling，并通常在同等刻蚀质量下降低传播损耗。代价是紧凑弯曲需要更多面积，且对调制器半波电压 Vπ 至关重要的 RF-optical overlap factor 会改变。多数商业成熟 TFLN 工艺将 300–600 nm 作为实际范围，其中 400 nm 和 600 nm 是最常见目录库存厚度。

Buried Oxide (BOX) Thickness

lithium niobate 薄膜下方是一层热生长或沉积的 silicon dioxide，它形成下包层，并将有源层与 silicon handle wafer 电隔离。该层必须足够厚，避免导模的倏逝尾部泄漏到高折射率硅基底中；这种损耗机制在薄膜厚度降低、模式限制变弱时会加重。

TFLN 标准 BOX 厚度大约从 2 µm 到 4.7 µm。对于 600 nm LN film，2–3 µm BOX 通常足以支持电信波长工作。对于 300–400 nm 的较薄薄膜，模式更深入包层，3–4.7 µm BOX 可提供更安全的基底漏光余量。如果你设计的是更短波长（近红外或可见光）器件，漏光问题会加剧，可能需要指定 BOX 范围的较厚端。

BOX 厚度也影响 bonding stress 和 wafer bow。较厚氧化层会在 lithium niobate 薄膜、氧化层和硅 handle 之间引入更大的应力失配，可能导致 wafer bow；对于需要在完整晶圆直径上保持严格焦距的光刻步骤，这一参数非常关键。请求晶圆时，应要求供应商同时给出 bow 和 warp 规格。

Wafer Diameter: 4-inch vs 6-inch

晶圆直径决定你能使用哪些 foundry 工艺，并显著影响规模化时的单 die 成本。4-inch (100 mm) TFLN 是目前最普遍可获得的格式，由广泛供应商支持。6-inch (150 mm) 晶圆也可获得，但供应商基础更窄，且规格控制，尤其是全 150 mm 面积上的薄膜厚度均匀性，更难核实。8-inch (200mm) TFLN 截至 2026 年仍处于少数 foundry 的早期开发阶段。

对于原型和低量研究，4-inch 晶圆提供最广供应商选择和最多目录库存。如果你计划转向使用 6-inch 或更大 CMOS-compatible tooling 的 merchant foundry 进行量产，应在采购流程中为更大格式预留更长交期。

MgO Doping

lithium niobate 容易出现 photorefractive effect：吸收的光功率导致电荷重新分布，改变局部折射率，使器件行为不稳定。约 5 mol% 的 MgO doping 可将光折变损伤阈值提高数个数量级，因此高功率应用、低于约 1 µm 波长的器件，以及波导内产生可见光的 second-harmonic 或 sum-frequency generation，都应选择 MgO:LN 基底。

对于在 1310 nm 或 1550 nm 运行、波导内光功率适中（低于数百毫瓦）的标准电信波段电光调制器，未掺 MgO 的 congruent-melt lithium niobate 通常足够，并且供应商基础略宽。如果你的器件要承受高光功率、在可见或近可见波长工作，或应用不能接受缓慢光折变漂移，应指定 MgO-doped TFLN。

Putting It Together: A Minimal Specification

用于标准电信波段调制器开发项目的一份完整 TFLN 晶圆规格至少应写为：X-cut, 600 nm LN film ± 10 nm uniformity (full-wafer), 3 µm SiO2 BOX, 500 µm silicon handle, 4-inch diameter, congruent-melt substrate, film non-uniformity <1% (1σ), wafer bow <30 µm。若工作波长低于 1 µm 或功率较高，应增加 MgO doping，并将 BOX 厚度扩展到 4.7 µm。

供应商 datasheets 很少在一份文件中主动给出所有这些数字。深科技采购应系统地用规格矩阵比较供应商，而不是把第一份 datasheet 当作报价；在这个市场中，报价里最醒目的数值往往不能代表整片晶圆最差区域的表现。