CN112612149A

CN112612149A - 光调制器用接合体、光调制器及光调制器用接合体的制造方法

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Publication number: CN112612149A
Application number: CN202011031274.9A
Authority: CN
Inventors: 多井知义; 鹈野雄大; 近藤顺悟; 小林义政; 菱木达也; 小林博治
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2040-09-27
Also published as: CN112612149B; JP7343347B2; EP3800501A1; US11448907B2; JP2021060479A; US20210103164A1

Abstract

本发明涉及一种光调制器用接合体、光调制器及光调制器用接合体的制造方法。在将由铌酸锂等形成的光波导用材料与支撑基板接合而成的光调制器用接合体及光调制器中，抑制光波导用材料因退火处理而开裂，并且，改善光调制器对频率的光响应特性。光调制器用接合体(6)具备支撑基板(4)；光波导用材料(7)，其由选自由铌酸锂、钽酸锂及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质形成，并设置于支撑基板(4)上；以及光波导(8)，其存在于光波导材料(7)。支撑基板(4)由选自由氧化镁及镁－硅复合氧化物构成的组中的材质形成。

Description

光调制器用接合体、光调制器及光调制器用接合体的制造方法

技术领域

本发明涉及光调制器用接合体、光调制器及光调制器用接合体的制造方法。

背景技术

已知有将由铌酸锂形成的光波导用基板与支撑基板接合而得到的光调制器。根据专利文献1，将铌酸锂基板和低介电常数基板借助有机物或低熔点玻璃进行接合。根据专利文献2，将由铌酸锂形成的光波导用基板借助粘接层而与由铌酸锂或钽酸锂形成的支撑基板进行接合。根据专利文献3，使铌酸锂的外延膜在硅或蓝宝石的单晶基板上生长，将其用作光波导用基板。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平01-18121

专利文献2：日本特许4667932

专利文献3：日本特开2015-14716

发明内容

例如，使钛扩散于铌酸锂结晶中得到的光波导如下制作，即，在铌酸锂结晶基板上堆积金属钛膜，于1000℃左右的温度经过数小时的热扩散，由此制作出上述光波导。在该加工时，铌酸锂结晶的结晶性劣化，因此，需要进行600～1000℃的退火工序，以便改善该结晶性劣化。但是，在像这样的高温的退火工序中，如果铌酸锂基板与支撑基板的热膨胀差较大，则发生开裂。

此外，根据铌酸锂基板与支撑基板的相容性，光调制器对频率的光响应特性(频宽)也是有限的。

本发明的课题在于，在将由铌酸锂等形成的光波导用材料与支撑基板接合而成的光调制器用接合体及光调制器中，抑制光波导用材料因退火处理而开裂，并且，改善光调制器对频率的光响应特性。

本发明是一种光调制器用接合体，其具备：

支撑基板；

光波导用材料，该光波导用材料由选自由铌酸锂、钽酸锂及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质形成，并设置于所述支撑基板上；以及

光波导，该光波导存在于所述光波导用材料，

所述光调制器用接合体的特征在于，

所述支撑基板由选自由氧化镁及镁－硅复合氧化物构成的组中的材质形成。

另外，本发明涉及光调制器，其特征在于，

具备电极和所述光调制器用接合体，所述电极设置于所述光波导用材料上，对在所述光波导中传播的光进行调制。

另外，本发明涉及光调制器用接合体的制造方法，其特征在于，具有如下工序：

将由选自由氧化镁及镁－硅复合氧化物构成的组中的材质形成的支撑基板和由选自由铌酸锂、钽酸锂及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质形成的光波导用材料接合的工序、以及

在所述光波导用材料设置光波导的工序。

发明效果

根据本发明，在将由铌酸锂等形成的光波导用材料与支撑基板接合而成的光调制器用接合体及光调制器中，能够抑制光波导用材料因退火处理而开裂，并且，能够改善光调制器对频率的光响应特性。

附图说明

图1中，(a)表示在光波导用材料1上设置有中间层2及第一氧化物膜3A的状态，(b)表示在支撑基板4上设置有第二氧化物膜3B的状态，(c)表示支撑基板4与光波导用材料1的接合体5。

图2中，(a)表示在光波导用材料7形成有脊型光波导8的状态，(b)表示在光调制器11形成有调制电极10A、10B的状态。

图3中，(a)表示支撑基板4与光波导用材料7A的接合体6A，(b)表示光调制器11A。

图4是接合体的重要部分截面照片。

具体实施方式

图1～图2表示本发明的实施方式所涉及的光调制器用接合体及光调制器。

如图1(a)所示，在光波导用材料1上，隔着中间层2而设置第一氧化物膜3A。然后，像箭头A那样，对第一氧化物膜3A的表面照射中性原子束，制成活化面12A。另外，如图1(b)所示，在支撑基板4上设置第二氧化物膜3B。然后，像箭头B那样，对第二氧化物膜3B的表面照射中性原子束，制成活化面12B。接下来，使第一氧化物膜3A的活化面12A和第二氧化物膜3B的活化面12B抵接，进行直接键合，由此得到图1(c)所示的接合体5。第一氧化物膜和第二氧化物膜一体化而构成接合层。

接下来，如图2(a)所示，对光波导用材料1进行加工，由此得到具有脊部8的光波导用材料7。此处，可以使脊部8为脊型光波导，不过，也可以进一步利用金属扩散法或质子交换法使金属离子或质子在脊部8中扩散，由此生成光波导。6为光调制器用接合体。另外，还可以仅利用所述金属离子或质子的扩散来生成光波导。

接下来，如图2(b)所示，在光波导用材料7上，隔着缓冲层9而形成调制电极10A、10B，由此得到光调制器11。本例中，由于光波导用材料为Z板，所以在光波导8的正上方形成电极10A，不过，可以根据光波导用材料的形态而适当变更电极的位置。

在使用X板的情况下，可以没有缓冲层9。

另外，图3的实施方式中，如图3(a)所示，在光波导用材料形成金属扩散或质子交换光波导8A，由此得到光波导用材料7A及光调制器用接合体6A。不过，本例中，第一氧化物膜3A和第二氧化物膜3B直接键合。第一氧化物膜和第二氧化物膜一体化而构成接合层。另外，在光波导8A未设置脊部。接下来，如图3(b)所示，在光波导用材料7A上，隔着缓冲层9而形成调制电极10A、10B，由此得到光调制器11A。

以下，对本发明的各构成要素进一步进行说明。

支撑基板的材质采用选自由氧化镁及镁－硅复合氧化物构成的组中的材质。氧化镁可以为单晶，也可以为多晶。另外，镁－硅复合氧化物为镁原子、硅原子以及氧原子的复合氧化物，作为稳定的结晶组成，优选为块滑石(MgSiO₃)、镁橄榄石(Mg₂SiO₄)或它们的混合物。

构成支撑基板的材质的相对密度优选为90％以上，也可以为100％。另外，支撑基板的制法没有特别限定，优选利用加压烧结法而使相对密度升高。

从光波导的传播效率的观点考虑，光波导用材料的厚度优选为0.05～5μm，更优选为0.1～1.0μm。

构成光波导用材料的材质采用选自由铌酸锂、钽酸锂及铌酸锂－钽酸锂构成的组中的材质。这些材质与构成支撑基板的镁氧化物、镁－硅复合氧化物之间的相容性良好，能够抑制退火时(或者光波导用材料成膜时)的开裂，另外，能够实现宽频带化。

构成光波导的材质由LixAOz(A＝Nb、Ta)表示，此时，优选为，x为0.9～1.05，z为2.8～3.2。另外，可以将Li及A的10％以下置换为另一元素。作为另一元素，有K、Na、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、V、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ni、Zn、Sc、Ce等，也可以为2种以上的组合。

设置于光波导用材料的光波导可以为所谓的脊型光波导，另外，也可以为金属扩散光波导或质子交换光波导。优选为，利用金属扩散或质子交换而在脊部中形成扩散型光波导，由此使光的封入变强。

通过在光波导用材料的表面上设置由介电常数比光波导用材料的材质低的材质形成的中间层，能够使光在光波导中的封入变强。从该观点考虑，中间层的材质优选为氧化硅。另外，中间层的厚度优选为2.0～15μm，更优选为4.0～10μm。

在优选的实施方式中，在光波导用材料1上设置第一氧化物膜，在支撑基板上设置第二氧化物膜，将第一氧化物膜的表面和第二氧化物膜的表面分别利用中性原子束进行活化，并将各活化面直接键合。其中，可以将光波导用材料1和第二氧化物膜直接键合，也可以将支撑基板和第一氧化物膜直接键合，还可以将光波导用材料1和支撑基板直接键合。第一氧化物膜和第二氧化物膜一体化而构成接合层。

在利用中性原子束进行表面活化时，优选使待接合的各表面平坦化，得到平坦面。此处，使各表面平坦化的方法有精研(lap)、化学机械研磨加工(CMP)等。另外，平坦面优选为Ra≤1nm，更优选为0.3nm以下。

接下来，对各表面进行清洗，以便除去研磨剂的残渣或加工变质层。对表面进行清洗的方法有湿洗、干洗、刷洗等，不过，为了简便且高效地得到清洁表面，优选为刷洗。此时，特别优选为，作为清洗液，使用Sunwash LH540后，使用丙酮与IPA的混合溶液，利用刷洗机进行清洗。

接下来，对各表面照射中性束，由此使各表面活化。

在利用中性束进行表面活化时，作为束源，使用鞍域型的高速原子束源。然后，向腔室中导入不活泼性气体，从直流电源向电极施加高电压。由此，利用在电极(正极)与壳体(负极)之间产生的鞍域型的电场，使得电子e运动，从而生成由不活泼性气体形成的原子和离子的射束。到达栅格的射束中的离子束在栅格被中和，因此，中性原子的射束从高速原子束源射出。构成射束的原子种类优选为不活泼性气体(氩、氮等)。

利用射束照射进行活化时的电压优选为0.5～2.0kV，电流优选为50～200mA。

接下来，在真空气氛中，使活化后的表面彼此接触，进行接合。此时的温度为常温，具体而言，优选为40℃以下，更优选为30℃以下。另外，接合时的温度特别优选为20℃以上25℃以下。接合时的压力优选为100～20000N。

设置第一氧化物膜、第二氧化物膜的目的在于使直接键合时的接合强度提高。从该观点考虑，各氧化物膜的材质(接合层的材质)优选为选自由氧化硅、氧化镁、氧化铝、五氧化钽、氧化钛及五氧化铌构成的组中的材质。

另外，从本发明的观点考虑，第一氧化物膜、第二氧化物膜的厚度优选为2.0μm以下，更优选为1.0μm以下，进一步优选为0.5μm以下。另外，从本发明的观点考虑，第一氧化物膜、第二氧化物膜的厚度优选为0.01μm以上。

中间层、第一氧化物膜、第二氧化物膜的成膜方法没有限定，可例示溅射、化学气相生长法(CVD)、蒸镀。

光波导用材料可以呈图1～图3所示的基板形状。或者，也可以利用成膜在支撑基板上形成光波导用材料。在这种情况下，作为成膜方法，可例示溅射、CVD、MOCVD(有机金属化学气相生长法)，能够形成单晶膜或取向膜。可以将该单晶膜或取向膜用作光波导用材料。

实施例

(实施例1)

按照参照图1～图2进行说明的方法，制作光调制器。

具体而言，准备出由铌酸锂单晶形成的光波导用材料1。该光波导用材料为X板。接下来，利用溅射法，在光波导用材料1上依次将由氧化硅形成的中间层2、由非晶质氧化硅形成的第一氧化物膜3A成膜。第一氧化物膜3A的厚度设为50nm。

另一方面，利用溅射法，在由氧化镁形成的支撑基板4上将由非晶质氧化硅形成的第二氧化物膜3B成膜。第二氧化物膜3B的厚度设为50nm。

接下来，对各氧化物膜的各表面进行化学机械研磨加工(CMP)，使膜厚为20～40nm，使Ra为0.08～0.4nm。

接下来，对第一硅氧化物膜的表面及第二硅氧化物膜的表面照射中性原子束，使表面活化，进行直接键合。

具体而言，对各表面进行清洗，去除污垢后，导入至真空腔室。抽真空至10^－6Pa左右后，对各表面照射120秒钟的高速原子束(加速电压1kV、Ar流量27sccm)，使各表面活化，制成活化面。接下来，使第一氧化物膜的活化面和第二氧化物膜的活化面接触后，以10000N进行2分钟加压，由此进行接合。

应予说明，将接合体的重要部分截面照片示于图4(利用透射电子显微镜，倍率200万倍)。该照片中，自下而上依次表示支撑基板、第二硅氧化物膜、直接键合界面、第一硅氧化物膜、中间层(氧化硅)。另外，将各点处的组成比率的测定结果示于表1。

接下来，在光波导用材料1上，利用光刻的方法，采用抗蚀剂，形成脊部8的图案，利用铣削装置，进行光波导用材料1的干法蚀刻。铣削装置为Veeco制的RF-350，采用束电压300～700V、束电流300～800mA的条件。然后，将抗蚀剂部分用有机溶剂剥离，形成高度0.4μm、宽度2μm、长度20mm的脊部。

接下来，在脊部上堆积金属钛膜，于1000℃进行10小时的热扩散，形成钛扩散光波导。接下来，于650℃实施退火工序。

针对得到的接合体，利用肉眼观察有无开裂。

另外，在接合体形成电极10A、10B，测定光学特性(频带)。具体而言，测定光调制器对频率的光响应特性(dB)，将下降3dB时的频率设为频宽。采用光成分分析器(HP8530)，以频率0～50GHz测定光响应特性。将这些结果示于表2。

表1

	Si	O	Ar
				Point 1	44.6	54.8	0.6
Point 2	92.2	7.4	0.5
				Point 3	88.4	8.4	3.2
Point 4	89.7	8.1	2.2
				Point 5	90.7	6.6	2.7
Point 6	94.5	4.9	0.6

(实施例2)

与实施例1同样地得到光调制器用接合体及光调制器，测定有无开裂及频带。

不过，本例中，由镁橄榄石(Mg₂SiO₄)形成支撑基板。具体而言，按规定比率称量MgO和SiO₂的原料粉末，将它们混合、预烧、粉碎，由此得到镁橄榄石(Mg₂SiO₄)的混合粉。接下来，相对于该混合粉而添加氧化铝(Al₂O₃)、分散剂，在乙醇中进行混合，使其干燥。接下来，在得到的混合粉中添加粘合剂及丙酮，隔水干燥，过筛，得到粒径100μm左右的粉末。进而，将该粉末填充到模具中，采用单轴加压机，成型为晶片形状的圆柱状的成型体。将其进行CIP处理(冷等静压处理)，于规定温度(1300～1400℃)进行烧成，由此得到圆柱状的由氧化物烧结体形成的支撑基板。

(实施例3)

不过，本例中，由块滑石(MgSiO₃)形成支撑基板。具体而言，按规定比率称量MgO和SiO₂的原料粉末，将其混合、预烧、粉碎，由此得到块滑石(MgSiO₃)的混合粉。接下来，相对于该混合粉而添加氧化铝(Al₂O₃)、分散剂，在乙醇中进行混合，使其干燥。接下来，在得到的混合粉中添加粘合剂及丙酮，隔水干燥，过筛，得到粒径100μm左右的粉末。进而，将该粉末填充到模具中，采用单轴加压机，成型为晶片形状的圆柱状的成型体。将其进行CIP处理(冷等静压处理)，于规定温度(1300～1400℃)进行烧成，由此得到圆柱状的由氧化物烧结体形成的支撑基板。

(比较例1)

不过，使支撑基板的材质为玻璃(石英玻璃)。除此以外，与实施例1相同。

(比较例2)

不过，使支撑基板的材质为铌酸锂。除此以外，与实施例1相同。

表2

由表2可知，根据本发明的实施例，退火时没有开裂，另外，光学特性良好。

比较例1中，虽然采用了由玻璃形成的支撑基板，但是退火时发生了开裂。

比较例2中，频带与本发明实施例相比变差。

Claims

1.一种光调制器用接合体，其具备：

支撑基板；

光波导，该光波导存在于所述光波导用材料，

所述光调制器用接合体的特征在于，

2.根据权利要求1所述的光调制器用接合体，其特征在于，

所述镁－硅复合氧化物为块滑石或镁橄榄石。

3.根据权利要求1或2所述的光调制器用接合体，其特征在于，

在所述支撑基板与所述光波导用材料之间具有接合层。

4.根据权利要求3所述的光调制器用接合体，其特征在于，

所述接合层由氧化物膜形成。

5.一种光调制器，其特征在于，

具备电极和权利要求1～4中的任一项所述的光调制器用接合体，

所述电极设置于所述光波导用材料上，对在所述光波导中传播的光进行调制。

6.一种光调制器用接合体的制造方法，其特征在于，具有如下工序：

在所述光波导用材料设置光波导的工序。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述镁－硅复合氧化物为块滑石或镁橄榄石。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，

在所述支撑基板与所述光波导用材料之间设置接合层。

9.根据权利要求6～8中的任一项所述的方法，其特征在于，具有如下工序：

在所述光波导用材料上形成第一氧化物膜的工序、

在所述支撑基板上形成第二氧化物膜的工序、以及

将所述第一氧化物膜和所述第二氧化物膜直接键合的工序。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，具有如下工序：

通过对所述第一氧化物膜的表面照射中性原子束而制成第一活化面的工序、以及

通过对所述第二氧化物膜的表面照射中性原子束而制成第二活化面的工序，

将所述第一活化面和所述第二活化面直接键合。