薄膜铌酸锂衬底生产工艺与关键设备

摘要

国联民生证券机械行业“一周解一惑”系列报告指出，AI 集群扩张推高数据中心光互联的带宽与能效要求，NVIDIA 称现代 AI 集群可由数千颗 GPU 共同执行计算任务，服务器与交换机连接距离增加后光连接数量及相关功耗同步上升。 接口规范方面，OSFP-XD Rev 1.0 可通过 16 条 200Gb/s 差分通道形成 3.2Tb/s 接口，OIF 3.2T CPO 实施协议包含 8×400Gb/s 光接口，单通道由 200G 提升至 400G 后所需并行通道数由 16 路降至 8 路，为薄膜铌酸锂高速调制打开需求空间。 工艺上，LNOI 衬底由离子注入、晶圆键合、退火剥离、CMP 与离子束 Trim 等核心工序构成：CMP 可将键合侧 SiO₂ 表面 RMS 粗糙度由约 6nm 降至 0.35nm，4 英寸 TFLN 晶圆经 Trim 后全片膜厚 Range 由 19.1nm/27.7nm 降至 7.6nm/16.4nm。 设备端，青禾晶元复合衬底离子注入设备覆盖 5–210 keV、剂量均匀性控制在 0.3%以内，其 6/8 英寸 CMP 平台公开指标为 Ra＜0.2nm、THK Range＜400Å。 厂商布局方面，济南晶正以 NanoLN 品牌供应 300—900nm 单晶 LNOI（3、4、6、8 英寸规格），Soitec 将 Photonics-LNOI 列入数据中心互联工程衬底，NGK 展示 6 英寸 TFLN 键合晶圆样品。 行业评级为“推荐（维持）”，投资建议关注薄膜铌酸锂产业有所布局的相关设备公司，如青禾晶元（未上市）。

主要观点

• AI 集群扩张提高光互联的带宽与能效要求：数千颗 GPU 并行计算使数据中心网络带宽与时延承压，服务器与交换机连接距离增加后光连接数量及相关功耗同步上升，光互联需在提高传输速率的同时兼顾功耗和连接密度。

• LNOI 衬底是薄膜铌酸锂器件的晶圆级材料基础：传统块体铌酸锂波导采用钛扩散或质子交换，折射率反差低、光场约束弱；LNOI 在低折射率绝缘层上形成单晶铌酸锂薄膜，提高折射率反差和光场约束能力，经波导和电极加工后可形成 MZM 等调制器，进入可插拔光模块或 CPO 发射链路。

• 3.2T 接口已出现 16×200G 与 8×400G 两种公开配置：OSFP-XD Rev 1.0 的 224G-PAM4 模式可通过 16 条 200Gb/s 差分通道形成 3.2Tb/s 接口，OIF 3.2T CPO 实施协议包含 8×400Gb/s 光接口，单通道升至 400G 后并行通道数由 16 路降至 8 路。

• TFLN 高速调制能力获公开数据支撑：HyperLight 的 TFLN IMDD Tx PIC 电光带宽超过 100GHz，当前支持 1.6T、200G/lane 并给出向 400G/lane 演进的产品路径；代表性 LNOI 调制器已实现超过 100GHz 电光带宽、数伏级半波电压、低于 0.5dB 的片上插入损耗及较高无杂散动态范围。

• OFC 2026 公开验证推动 TFLN 由调制器向发射组件延伸：Th1C.3 验证了宽带 TFLN MZM 用于 NPO/CPO 400G/lane 线性驱动光学的可行性，W4J.4 展示基于 TFLN 的 O 波段 TOSA，实现 210GBaud、420Gb/s PAM4 运行。

• TFLN 承担高速电光转换而非替代全部材料：铌酸锂平台缺少原生光源、放大器和探测器，完整集成系统需与Ⅲ-Ⅴ族光子器件异质集成，LNOI 负责无源光路和电光调制，Ⅲ-Ⅴ族器件负责激光光源、放大和高速探测。

• 上游为铌酸锂单晶及母晶圆制备：高纯锂、铌原料按比例混合加热熔化后，经 CZ 提拉法将籽晶缓慢旋转提拉生长大尺寸单晶，核心设备为单晶生长炉，需精确控制原料配比、炉内温场、提拉及旋转速度。

• 中游 Smart Cut 工序的设备精度决定衬底质量：离子注入确定解理面、晶圆键合形成承载界面、退火促使沿注入层分离、抛光改善表面，需连续控制注入深度、键合界面、薄膜完整性、表面粗糙度和全片膜厚；青禾晶元复合衬底离子注入设备覆盖 5–210 keV 注入能量，剂量均匀性控制在 0.3%以内。

• 退火修复与 CMP 平坦化是衬底性能关键：250 keV He⁺ 注入制备的 LNOI 在氧气气氛下经 500°C、5h 退火后，普通光和非常光折射率恢复至接近块体 LN 水平；CMP 可将键合侧 SiO₂ 表面 RMS 粗糙度由约 6nm 降至 0.35nm，剥离后 LNOI 表面进一步抛光至约 0.5nm。

• 大尺寸 TFLN 量产核心难点在全片膜厚均匀性：2026 年发表的 4 英寸 TFLN 研究显示，Ion-Cut 与 CMP 后两片晶圆全片膜厚 Range 约 19.1nm 和 27.7nm，经离子束 Trim 降至 7.6nm 和 16.4nm，表面 RMS 粗糙度由约 0.7nm 降至约 0.5nm；青禾晶元 6/8 英寸 CMP 平台可加工 LN、LT、SiO₂ 等材料，公开指标 Ra＜0.2nm、THK Range＜400Å。

• 下游从衬底到光子芯片与光模块：LNOI 波导干法刻蚀难度较高，氟基刻蚀易产生不易挥发的氟化锂并发生再沉积；公开 MPW 工艺采用 600nm 厚 x 切 LNOI 晶圆、铌酸锂刻蚀深度 300nm、SiO₂ 上包层 2.0μm，光模块封装环节核心难点在高精度光学对准及对准后长期稳定性。

• 国内外厂商已公开布局 LNOI 衬底：青禾晶元将 TFLN/TFLT 列入复合衬底整线方案，覆盖离子注入、键合、Trim、清洗和退火等环节；济南晶正以 NanoLN 品牌供应 300—900nm 单晶 LNOI，规格覆盖 3、4、6、8 英寸；Soitec 列出 Photonics-LNOI；NGK 展示 6 英寸 TFLN 键合晶圆样品。

论述逻辑

• 起点是 AI 需求：AI 模型与应用复杂度提高，参与并行计算的加速芯片数量增加，芯片间交换数据随之增长，数据中心网络带宽与时延要求提升，光连接数量与功耗同步上升。

• 速率升级驱动材料切换：3.2T 接口由 16×200G 向 8×400G 演进，单通道速率提升后调制器需同时兼顾带宽、驱动、损耗和线性度，而 InP 路线波导损耗较高、调制器线性度有限，TFLN 凭借 Pockels 效应提供另一条高速电光调制路径。

• 器件要求传导至材料平台：LNOI 晶圆经波导和电极加工形成 MZM 等薄膜铌酸锂调制器，进入可插拔光模块或 CPO 发射链路，下游器件所需晶圆一致性需由多道衬底工序连续实现。

• 材料平台再传导至设备：Smart Cut 需依次完成离子注入、支撑晶圆准备、晶圆键合、退火剥离、缺陷修复和表面抛光，再叠加 CMP 精抛、膜厚测量与 Trim 修整形成闭环控制，设备精度与工序参数匹配共同决定最终产品质量。

• 落脚到投资建议：由此关注薄膜铌酸锂产业有所布局的相关设备公司，如在离子注入、键合、CMP、Trim 等环节均有公开产品布局的青禾晶元（未上市）。

关键展望

• TFLN 产品路线明确向 400G/lane 演进：HyperLight 的 TFLN IMDD Tx PIC 当前支持 1.6T、200G/lane，并给出向 400G/lane 演进的产品路径。

• 关键验证点一：3.2T 及 400G/lane 导入进度，如果下游传输速度提升比例不及预期，可能拖累上游新技术渗透率提升。

• 关键验证点二：薄膜铌酸锂器件验证及衬底规模化良率提升进度，配套产业链良率不及预期可能拖累下游光互联高速产品渗透率。

• 关键验证点三：竞争路线技术进步，目前主流仍是 InP 技术路线，若老技术路线能一定程度维持当下最新 AI 服务器需求，新技术渗透率普及速度可能低于预期。

• 关键验证点四：核心工艺设备客户验证进度，涉及离子注入、晶圆键合、CMP、膜厚量测和 Trim 等设备，验证周期延长可能影响产线建设和衬底规模化生产进度；报告未给出具体时间窗口。

推荐标的

• 行业评级：机械行业“推荐”，维持评级；报告未列示个股评级与目标价。

• 投资建议：关注薄膜铌酸锂产业有所布局的相关设备公司，如青禾晶元（未上市）。

• 青禾晶元（未上市）：非上市的半导体键合装备与复合衬底平台，官网已将 TFLN/TFLT 衬底列入复合衬底整线方案，覆盖离子注入、晶圆键合、超原子束 Trim、清洗、氧化/多晶以及裂片和退火等环节；复合衬底离子注入设备覆盖 5–210 keV，剂量均匀性 0.3%以内，6/8 英寸 CMP 平台 Ra＜0.2nm、THK Range＜400Å。

• 济南晶正电子：以 NanoLN 品牌供应 300—900nm 单晶 LNOI 产品，支撑衬底包括 Si、LN、石英和熔融石英等，列示 3、4、6、8 英寸规格，应用指向高速电光调制器、声学滤波器等器件。

• Soitec：已在面向 Cloud AI 与网络基础设施的工程衬底产品组合中列出 Photonics-LNOI，公司称该衬底有助于实现高速数据传输并降低数据中心能耗。

• NGK：正在开发面向光通信的 TFLN 键合晶圆，由铌酸锂与支撑衬底键合后精密抛光制成，公司称可形成无晶体损伤的铌酸锂薄膜，并展示 6 英寸 TFLN 键合晶圆样品。