如何為集成光子學指定 TFLN 晶圓規格（晶向、厚度、BOX、直徑）

當你向 TFLN 晶圓供應商發送 RFQ 時，有五個參數決定收到的晶圓是否真的能用於你的 photonic integrated circuit：crystal cut、film thickness、buried oxide (BOX) thickness、wafer diameter，以及 lithium niobate 基底是 congruent-melt 還是 MgO-doped。任何一個參數寫得不清楚，你要的就不是晶圓，而是意外。本文解釋每個參數的含義、如何選擇，以及這些選擇在交期和可獲得性上的代價。

Crystal Cut: X-cut vs Z-cut

lithium niobate 薄膜的 crystal cut 決定 ferroelectric c-axis 相對於晶圓表面的取向，而這個取向決定了你需要怎樣的電極幾何，才能調用主導電光係數。

在 X-cut TFLN 中，c-axis 位於晶圓平面內。波導脊兩側的側向電極施加的電場大體平行於 c-axis，從而利用 r33 係數（約 30 pm/V），也就是 lithium niobate 中最強的電光張量元素。由於電極不需要直接位於波導上方，光學模式避免了金屬吸收帶來的插入損耗。X-cut 是面向 coherent optical communications 和 microwave-photonic 應用的電光調制器主流配置。

在 Z-cut TFLN 中，c-axis 垂直於晶圓表面。這種幾何用於某些 nonlinear-optical 和 acousto-optic 器件，因為垂直電場取向在結構上更方便。製造更複雜，因為電極必須跨越波導，需要仔細設計 buffer layer，以避免金屬鄰近造成過高光吸收。

對今天多數集成光子採購來說，調制器、開關、相干收發器用 IQ 調制器都應以 X-cut 為起點，除非你的器件架構明確要求 Z-cut 幾何。多數 TFLN foundry process design kits (PDKs) 都面向 X-cut 基底。

Film Thickness: 300–600 nm Range

lithium niobate 薄膜厚度是器件設計中最關鍵的參數之一。它決定光學模式尺寸，進而影響彎曲損耗、與光纖的耦合損耗，以及光場與電極施加 RF 場之間的重疊。

較薄薄膜（300–400 nm）會更強地限制光學模式。這有利於集成密度，可實現亞毫米彎曲半徑，也適合 nonlinear-photonic 應用中需要與 periodically poled 結構緊密模式重疊的場景。代價是較薄薄膜更容易受波導側壁粗糙度影響，因為倏逝場相對於總模式功率更大；同時，與標準單模光纖的耦合更難，因為模式失配更大。

較厚薄膜（500–600 nm）放寬光刻和刻蝕要求，可透過中間幾何的 spot-size converters 改善 fibre-chip coupling，並通常在同等刻蝕質量下降低傳播損耗。代價是緊湊彎曲需要更多面積，且對調制器半波電壓 Vπ 至關重要的 RF-optical overlap factor 會改變。多數商業成熟 TFLN 工藝將 300–600 nm 作為實際範圍，其中 400 nm 和 600 nm 是最常見目錄庫存厚度。

Buried Oxide (BOX) Thickness

lithium niobate 薄膜下方是一層熱生長或沉積的 silicon dioxide，它形成下包層，並將有源層與 silicon handle wafer 電隔離。該層必須足夠厚，避免導模的倏逝尾部洩漏到高折射率矽基底中；這種損耗機制在薄膜厚度降低、模式限制變弱時會加重。

TFLN 標準 BOX 厚度大約從 2 µm 到 4.7 µm。對於 600 nm LN film，2–3 µm BOX 通常足以支持電信波長工作。對於 300–400 nm 的較薄薄膜，模式更深入包層，3–4.7 µm BOX 可提供更安全的基底漏光餘量。如果你設計的是更短波長（近紅外或可見光）器件，漏光問題會加劇，可能需要指定 BOX 範圍的較厚端。

BOX 厚度也影響 bonding stress 和 wafer bow。較厚氧化層會在 lithium niobate 薄膜、氧化層和矽 handle 之間引入更大的應力失配，可能導致 wafer bow；對於需要在完整晶圓直徑上保持嚴格焦距的光刻步驟，這一參數非常關鍵。請求晶圓時，應要求供應商同時給出 bow 和 warp 規格。

Wafer Diameter: 4-inch vs 6-inch

晶圓直徑決定你能使用哪些 foundry 工藝，並顯著影響規模化時的單 die 成本。4-inch (100 mm) TFLN 是目前最普遍可獲得的格式，由廣泛供應商支持。6-inch (150 mm) 晶圓也可獲得，但供應商基礎更窄，且規格控制，尤其是全 150 mm 面積上的薄膜厚度均勻性，更難核實。8-inch (200mm) TFLN 截至 2026 年仍處於少數 foundry 的早期開發階段。

對於原型和低量研究，4-inch 晶圓提供最廣供應商選擇和最多目錄庫存。如果你計劃轉向使用 6-inch 或更大 CMOS-compatible tooling 的 merchant foundry 進行量產，應在採購流程中為更大格式預留更長交期。

MgO Doping

lithium niobate 容易出現 photorefractive effect：吸收的光功率導致電荷重新分佈，改變局部折射率，使器件行為不穩定。約 5 mol% 的 MgO doping 可將光折變損傷閾值提高數個數量級，因此高功率應用、低於約 1 µm 波長的器件，以及波導內產生可見光的 second-harmonic 或 sum-frequency generation，都應選擇 MgO:LN 基底。

對於在 1310 nm 或 1550 nm 運行、波導內光功率適中（低於數百毫瓦）的標準電信波段電光調制器，未摻 MgO 的 congruent-melt lithium niobate 通常足夠，並且供應商基礎略寬。如果你的器件要承受高光功率、在可見或近可見波長工作，或應用不能接受緩慢光折變漂移，應指定 MgO-doped TFLN。

Putting It Together: A Minimal Specification

用於標準電信波段調制器開發項目的一份完整 TFLN 晶圓規格至少應寫為：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。若工作波長低於 1 µm 或功率較高，應增加 MgO doping，並將 BOX 厚度擴展到 4.7 µm。

供應商 datasheets 很少在一份文件中主動給出所有這些數字。深科技採購應系統地用規格矩陣比較供應商，而不是把第一份 datasheet 當作報價；在這個市場中，報價裏最醒目的數值往往不能代表整片晶圓最差區域的表現。