СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ LINBO 3 Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2014

Серия: Физика

Вып. 1 (26)

УДК 681.7.036

Структурные особенности поверхностных слоев

LiNbOs

А. Б. Волынцев, А. В. Сосунов, Р. С. Пономарев, В. П. Бачурихин, И. Д. Шитоев, C. C. Мушинский

Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, Пермь, ул. Букирева, 15 email: alexeisosunov@gmail.com

Структурными методами исследованы поверхностные слои образцов ниобата лития производства Sipat и Crystal Technology в состоянии поставки. Показано, что поверхностные слои ниобата лития в образцах обоих производителей находятся в напряженном состоянии, а структура и свойства поверхностных слоев образца значительно отличаются от структуры и свойств его внутренних областей. Отмечается, что при производстве интегрально-оптических устройств на ниобате лития входной контроль качества пластин может проводиться при помощи оптической и электронной микроскопии, а также метода дифракционного структурного анализа.

Ключевые слова: ниобат лития; поверхностные слои; излом

1. Введение

Уже более 30 лет кристалл ниобата лития (НЛ) используется для создания электрооптических компонентов интегральной оптики и оптоэлек-троники [1]. Преимущество НЛ перед другими оптическими кристаллами заключается в малых оптических потерях, высоких электрооптических коэффициентах и возможности относительно легко получать на его поверхности оптические волноводы. Это позволяет создавать на его основе электрооптические модуляторы фазы и амплитуды излучения с использованием стандартных фотолитографических методов [2].

Канальные волноводы создаются на поверхности кристалла, и основной объем волновода лежит в слое глубиной не более 6 мкм. В работах [3-5] было показано, что после шлифовки и полировки пластин НЛ могут образовываться до трех различных деформированных слоев, а также области с повышенной концентрацией водорода. Этот факт показывает, что контроль состояния поверхности (шероховатость, наличие и плотность дефектов и др.) исходных пластин становится актуальной задачей при производстве оптических модуляторов. От структуры и свойств поверхностных слоев будут зависеть стабильность рабочих характеристик модуляторов, приращение показателя преломления при формировании волноводов, рассеяние света в

волноводах и многие другие параметры. В данной работе методами структурного анализа были исследованы поверхностные слои НЛ различных производителей в состоянии поставки. Целью проведенного исследования является поиск простого и надежного неразрушающего метода входного контроля пластин НЛ, применяемых при производстве оптических модуляторов.

2. Изготовление образцов

Образцы изготавливались из стандартных пластин НЛ X-среза толщиной 1 мм производства Sipat и Crystal Technology. Пластины нарезались на прямоугольные блоки размером 15*20 мм, после чего очищались по следующей методике. Образцы пропаривались в парах изопропилового спирта в течение 10 мин, после чего их обрабатывали в пе-рекисно-аммиачном растворе, состоящем на 1/7 из концентрированного нашатырного спирта, на 1/7 из 40%-ной перекиси водорода и на 5/7 из чистой дистиллированной воды. Обработка проводилась при температуре 80 °С в течение 10 мин.

Электронно-микроскопические исследования проводились на свежих сколах образцов, прошедших очистку. Для скалывания образца по его нерабочей поверхности проводилась царапина с помощью алмазной пирамидки, после чего образец ломался вручную вдоль сделанной царапины.

© Волынцев А. Б., Сосунов А. В., Пономарев Р. С. и др. 2014

5

3. Методы исследования

3.1. Оптическая микроскопия

Оценка и сравнение состояния поверхности образцов НЛ после очистки производились на оптическом микроскопе Olympus MX-61. Исследования проводились в режиме темного поля и с увеличенным временем экспозиции.

3.2. Прецизионный рентгеноструктурный анализ

Рентгенографические исследования монокристаллов ниобата лития проводились методом двухкристального спектрометра. В двухкристаль-ном спектрометре рентгеновские лучи последовательно отражаются от двух плоских монокристаллов, из которых первый - монохроматор имеет совершенное строение, а второй представляет собой исследуемый кристалл. В качестве монохро-матора использовался монокристалл бездислокационного кремния, установленный в положение, соответствующее отражению Ä^-линии кобальтового излучения от кристаллографической плоскости (111). Получение дифракционной картины состоит в том, что исследуемый кристалл поворачивают вокруг оси гониометра около отражающего положения с углом 9; интенсивность отраженного пучка при этом регистрируется счетчиком, установленным под углом 29 и движущимся с угловой скоростью в два раза большей, чем скорость вращения образца. Кривые, полученные таким образом, называются 9/29-кривыми.

3.3. Электронная сканирующая микроскопия

Электронно -микроскопические исследования проводились с помощью микроскопа Hitachi S3400N. Снимки были получены в стандартном режиме рассеянных электронов (SE) при ускоряющем напряжении 20 кВ.

4. Результаты исследования

4.1. Оптическая микроскопия

Поверхность образцов исследовалась на оптическом микроскопе до и после очистки. Фотографии поверхности при увеличении от х25 до х50 представлены на рис. 1-4.

Из рис. 1-2 видно, что поверхность образца НЛ производства Crystal Technology после очистки почти не имеет видимых царапин. Природу точечных дефектов, имеющихся на фотографии, надежно определить не удается.

Из рис. 3 видно, что образцы НЛ производства Sipat имеют значительное количество царапин и точечных дефектов на поверхности. При очистке на поверхности образцов производства Sipat было

выявлено большое количество разнонаправленных царапин (рис. 4). Исследование образцов НЛ производства Crystal Technology при тех же условиях не выявило наличия подобных царапин на их поверхности.

Опыт производства оптических модуляторов показывает, что царапины на поверхности пластин НЛ приводят к тому, что канальные волноводы, создаваемые на неочищенных пластинах, имеют недостаточное для корректной работы оптического модулятора значение приращения показателя преломления. Канальные волноводы, полученные на образцах, прошедших очистку, имеют после протонного обмена оптимальное для работы оптического модулятора приращение показателя преломления, но в них наблюдается повышенное значение оптических потерь. Таким образом, различие в состоянии поверхности НЛ может приводить к отсутствию повторяемости при создании волноводов оптических модуляторов, как это отмечают авторы [7].

На основе рис. 1-4 можно сделать вывод о том, что для производства высокостабильных оптических модуляторов лучше подходит НЛ, произведенный компанией Crystal Technology.

Рис. 1. Поверхность образца НЛ производства Crystal Technology до очистки

Рис. 2. Поверхность образца НЛ производства Crystal Technology после очистки

Структурные особенности поверхностных слоев LiNbO3

7

Ранее в работе [6] было показано, что под поверхностью пластин НЛ имеется деформированный слой со структурой, значительно отличающейся от объемной структуры НЛ. Полученные в данном исследовании результаты подтверждают эти данные для образца производства Sipat, но для образца производства Crystal Technology в явном виде данный слой обнаружить по всей ширине образца не удалось.

Рис. 3. Поверхность образца НЛ производства Sipat до очистки

Рис. 4. Поверхность образца НЛ производства Sipat после очистки

4.2. Сканирующая электронная микроскопия

Выбор в качестве объекта исследования именно изломов образцов обусловлен тем, что структура излома максимально репрезентативно представляет структуру всего поперечного сечения образца в сравнении с ситуацией, когда производится механическая резка пластины с неизбежными дополнительными повреждениями на поверхности разреза независимо от того, производится последующая полировка этой поверхности или нет.

Свежий скол образца дает дополнительную информацию о состоянии материала, поскольку получается за счет движения трещины, которая движется в соответствии с минимальными энергозатратами и в ходе формирования скола дробится на множество ответвлений. Этот эффект, несомненно, связан с наличием в поверхностном слое повышенной, по сравнению с объемом вещества, концентрацией дефектов, в том числе повышенной плотностью дислокаций. Типичное изображение скола образца НЛ производства Sipat приведено на рис. 5.

Рис. 5. НЛ после излома производства Sipat. Прямоугольником показана выделенная область справа

4.3. Прецизионный рентгеноструктурный анализ

Кривые 0/20 были получены на образцах НЛ с целью сравнения степени совершенства кристаллической структуры образцов производства Sipat и Crystal Technology и подтверждения результатов исследований с помощью сканирующей электронной микроскопии. На рис. 6 приведены деформационные кривые, рассчитанные по кривым 0/20 от плоскости отражения (220) - второй порядок отражения.

Рис. 6. Деформационные кривые исследуемых образцов

Из рис. 6 видно, что пики образцов НЛ имеют несимметричный вид. Это означает, что поверхностные слои имеют несовершенную структуру с элементами фрагментации, как для производителя Sipat, так и для производителя Crystal Technology. Из сравнения деформационных кривых видно, что образец производства Sipat имеет значительно менее совершенную структуру в поверхностном слое по сравнению с образцом производства Crystal Technology, что также подтверждают результаты электронной и оптической микроскопии.

5. Заключение

Полученные результаты структурных исследований образцов НЛ двух производителей указывают на существенную разницу в состоянии приповерхностных слоев монокристалла. Предложенные методы анализа, кроме оптической микроскопии, являются разрушающими, однако могут быть использованы для входного контроля при выборке контрольных образцов из партии пластин. Предложенные методы исследования структуры могут использоваться при анализе причин ухудшения характеристики или выхода из строя оптических модуляторов и других интегрально -оптических схем.

Список литературы

1. Jackel J. L. Proton exchange: past, present, and future. Proceeding SPIE 1583 // Integrated Optical Circuits. 1991. P. 54-63.

2. Jackel J. L., Rice C. E., Veselka J. J. Proton exchange for high-index waveguides in LiNbO3 // Applied Physics Letters. 1982. Vol. 41. N. 7. P. 607-608.

3. Кострицкий С. М., Новомлинцев А. В. Композиционная неоднородность приповерхностных нарушенных слоев в монокристаллах LiNbO3 // Физика твердого тела. 1996. Т. 38, № 5. С. 1614-1616.

4. Колесников О. М., Кострицкий С. М. Водород в ниобате лития // Автометрия. 1995. № 4. С. 60-67.

5. Тамир Т. Интегральная оптика. М.: Мир, 1978. 344 с.

6. Пономарев Р. С., Сосунов А. В., Бачурихин В. П., Волынцев А. Б. Исследование приповерхностных слоев Х-среза пластин ниобата лития различных производителей // Вестник Пермского университета. Серия: Физика. 2013. Вып. 2(24). С. 67-70.

7. Muller H .G., Stapleton A. D., Foran B. J., Radha-krishnan G., Kim H. I., Adams P. M., Lipeles R. A., Herman P. Reduction of lattice defects in proton-exchanged lithium niobate waveguides // Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 110, N. 3. 033539.

Reference

1. Jackel J. L. Proton exchange: past, present, and future. Proceeding SPIE 1583. Integrated Optical Circuits. 1991, pp. 54-63.

2. Jackel J. L., Rice C. E., Veselka J. J. Proton exchange for high-index waveguides in LiNbO3. Applied Physics Letters. 1982, vol. 41, no. 7, pp. 607-608.

3. Kostrickij S. M., Novomlincev A. V. Kompozi-cionnaja neodnorodnost' pripoverhnostnyh narushennyh sloev v monokristallah LiNbO3. Fizika tverdogo tela. 1996, vol. 38, no. 5, pp. 1614-1616. (In Russian).

4. Kolesnikov O. M., Kostrickij S. M. Vodorod v niobate litija. Avtometrija. 1995, no. 4, pp. 60-67. (In Russian).

5. Tamir T. Integral'naja optika. M.: Mir. 1978. 344 p. (In Russian).

6. Ponomarev R. S., Sosunov A. V., Bachurihin V. P., Volyntsev A. B. The research of near-surface layers of lithium niobate wafers from different manufacturers. Bulletin of Perm University. Series: Physics. 2013, no. 2(24), pp. 67-70. (In Russian).

7. Muller H .G. Stapleton A. D., Foran B. J., Radha-krishnan G., Kim H. I., Adams P. M., Lipeles R. A., Herman P. Reduction of lattice defects in proton-exchanged lithium niobate waveguides. Journal of Applied Physics. 2011, vol. 110, no. 3, 033539

Structural features of the surface layers of LiNbO3

A. B. Volyntsev, A. V. Sosunov, R. S. Ponomarev, V. P. Bachurihin, I. D. Shitoev, S. S. Myshinsky

Perm State University, Bukirev St., 15, 614990, Perm

The surface layers of lithium niobate single crystals manufactured by Sipat and Crystal Technology was investigated. It was shown that the surface layers of the samples from both manufacturers have stressed and there is a dramatic difference between surface layer of sample and the volume. It was shown that using X-ray diffraction and optical and electron microscopy is suitable for the incoming control of the crystal wafer in integrated-optical manufacturing.

Keywords: lithium niobate; surface layers; broken