DE112018000112T5

DE112018000112T5 - Verfahren zur Herstellung von periodischen Polarisationsinversionsstrukturen

Info

Publication number: DE112018000112T5
Application number: DE112018000112.1T
Authority: DE
Inventors: Ryosuke Hattori; Shoichiro Yamaguchi; Hidetsugu Shimokata
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: CN111226167B; WO2019073713A1; US20190284720A1; DE112018000112B4; US11332849B2; JP6591117B2; JPWO2019073713A1; CN111226167A

Abstract

(Aufgabe) Es soll ein Abstand zwischen angrenzenden periodischen Polarisationsinversionsstrukturen vermindert werden und gleichzeitig ein Isolationszusammenbruch zwischen Elektrodenstückteilen verhindert werden, so dass die Produktivität der Polarisationsinversionsstrukturen verbessert wird.
(Lösung) Es werden erste Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2A, die jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenstückteilen umfassen, auf einer ersten Hauptfläche 1a eines ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 bereitgestellt. Eine Spannung wird an die ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2A zur Bildung von ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A angelegt. Es werden zweite Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2B, die jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenstückteilen 3 umfassen, zwischen der angrenzenden Mehrzahl von ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen bereitgestellt. Eine Spannung wird an die zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2B zur Bildung von zweiten Polarisationsinversionsstrukturen 5B angelegt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung einer periodischen Polarisationsinversionsstruktur durch ein Spannungsanlegeverfahren.
Es ist ein sogenanntes Spannungsanlegeverfahren als Technik zum Bilden einer periodischen Polarisationsinversionsstruktur in einem ferroelektrischen nicht-linearen optischen Material bekannt. Gemäß dem Verfahren werden eine kammartige Elektrode auf einer Hauptfläche und eine einheitliche Elektrode auf der anderen Hauptoberfläche eines ferroelektrischen Kristallsubstrats ausgebildet und eine Pulsspannung wird zwischen diesen angelegt.
Zum Erhalten einer hohen Umwandlungseffizienz in einer Vorrichtung zum Erzeugen einer zweiten harmonischen Welle ist es erforderlich, eine tiefe periodische Polarisationsinversionsstruktur in einem ferroelektrischen Kristall zu bilden. Gemäß dem Patentdokument 1 ist beschrieben, dass ein Lithiumniobatsubstrat mit der Kammelektrode und der einheitlichen Elektrode, die darauf ausgebildet sind, auf ein separates Lithiumniobatsubstrat laminiert und damit integriert wird und dann in ein isolierendes Öl eingetaucht wird, in dem eine Spannung an die Elektroden angelegt wird.
Ferner wird gemäß dem Verfahren, das in den Patentdokumenten 2 und 3 beschrieben ist, ein Isolierfilm auf einer Oberfläche eines Z-geschnittenen Substrats aus Lithiumniobat gebildet, streifenförmige längliche Zwischenräume werden in dem Isolierfilm ausgebildet und ein leitender Film wird zum Bedecken des Isolierfilms und der Zwischenräume ausgebildet. Dann wird zum Bilden von periodischen Polarisationsinversionsstrukturen in dem Substrat eine Pulsspannung an den leitenden Film angelegt.
(Dokumente des Standes der Technik)
(Patentdokumente)

(Patentdokument 1) Japanisches Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2005-070192 A
(Patentdokument 2) Japanisches Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2014-153555 A
(Patentdokument 3) Japanisches Patent Nr. 4642065 B

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
(Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben)
Es ist erforderlich, die Anzahl von Vorrichtungen, die von einem einzelnen Wafer entnommen werden, zu erhöhen, um die Massenherstellung der Vorrichtungen, die jeweils eine periodische Polarisationsinversionsstruktur aufweisen, z.B. Vorrichtungen zum Erzeugen eine harmonischen Welle hoher Ordnung, zu realisieren. Als Verfahren zum Erhöhen der Anzahl der Vorrichtungen sind zwei Verfahren bekannt, bei denen die Länge der Vorrichtung kleiner gemacht wird und ein Intervall von Positionen der Vorrichtungen kleiner gemacht wird. In dem Fall, bei dem die Länge der Vorrichtung gemäß dem erstgenannten Verfahren kleiner gemacht wird, wird die Umwandlungseffizienz beträchtlich vermindert, so dass eine gewünschte optische Abgabeleistung nicht erhalten werden kann. Die Länge kann folglich nicht einfach verändert werden. Andererseits werden in dem Fall des letztgenannten Verfahrens, bei dem das Intervall der Vorrichtungen kleiner gemacht wird, die Bedingungen des Schritts des Bildens einer periodischen Polarisationsinversionsstruktur verändert, so dass es erforderlich ist, zu bestätigen, ob eine stabile Herstellung möglich ist. Im Unterschied zu dem erstgenannten Verfahren kann jedoch die Massenherstellung verbessert werden, ohne dass sich die optische Abgabeleistung verschlechtert. Es wurde folglich untersucht, wie stark die Abstände zwischen den angrenzenden periodischen Polarisationsinversionsstrukturen vermindert werden können. Es wurde jedoch gefunden, dass es aus dem folgenden Grund eine Grenze bei der Verbesserung der Dichte der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen gibt.
Die Probleme werden nachstehend unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
Beispielsweise ist, wie es in der 1(a) gezeigt ist, eine Mehrzahl von Gruppierungen 2 von Elektrodenstückteilen auf einer ersten Hauptfläche 1a eines ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 in einem vorgegebenen Interval L bereitgestellt. Eine gegenüberliegende Elektrode 22 kann auf einer zweiten Hauptfläche 1b ausgebildet sein. Wie es in der 1(b) gezeigt ist (entsprechend einem Bereich A, der in der 1(a) gezeigt ist), ist jede der Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2 aus vielen Elektrodenstücken 3 und Zwischenräumen 4 zusammengesetzt. Ferner sind Zwischenräume 8 auch zwischen den angrenzenden Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2 bereitgestellt. L stellt eine Periode der Gruppierungen der Elektrodenstückteile dar, 30 stellt eine potenzialfreie Elektrode dar und 31 stellt eine Zuführungselektrode dar.
Dabei werden, wenn eine Spannung zwischen jedem der Elektrodenstückteile 3 und der gegenüberliegenden Elektrode 22 angelegt wird, wie es durch den Pfeil B gezeigt ist, periodische Polarisationsinversionsstrukturen in dem ferroelektrischen Kristallsubstrat 1 ausgebildet. D.h., Polarisationsinversionsteile werden jeweils unter den Elektrodenstückteilen 3 gebildet und Nicht-Polarisationsinversionsteile werden unter den Zwischenräumen 4 gebildet. Als Ergebnis werden, wie es in der 2 gezeigt ist, die Polarisationsinversionsteile 5 entsprechend den jeweiligen Elektrodenstückteilen gebildet. Jede der Polarisationsinversionsstrukturen umfasst viele Polarisationsinversionsteile 6 und Nicht-Polarisationsinversionsteile 7 zwischen diesen. Zwischenräume 18 sind jeweils zwischen den angrenzenden Polarisationsinversionsstrukturen 5 ausgebildet. Zum Erhöhen der Dichte der Polarisationsinversionsstrukturen ist es erforderlich, die Periode L der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen zu vermindern.
Die Erfinder haben versucht, die Periode S der Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2 zu vermindern, wie es in den 3(a) und 3(b) gezeigt ist. In diesem Fall findet jedoch beim Anlegen der Spannung ein Durchbruch zwischen den angrenzenden Elektrodenstückteil-Gruppierungen und der potenzialfreien Elektrode 30 statt, so dass eine Stromleckage auftritt, wie es durch den Pfeil C gezeigt ist. In diesem Fall zeigt sich, wie es z.B. in der 11 gezeigt ist, dass das Anlegen einer Spannung nicht von den Elektrodenstückteilen durchgeführt werden kann, so dass die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen nicht erzeugt werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Elektrodenstückteil-Gruppierungen, die jeweils aus einer Mehrzahl von Elektrodenstückteilen zusammengesetzt sind, auf einer ersten Hauptfläche eines ferroelektrischen Kristallsubstrats und das Anlegen einer Spannung an die Elektrodenstückteil-Gruppierungen zum Bilden von periodischen Polarisationsinversionsstrukturen, in denen die Periode der angrenzenden periodischen Polarisationsinversionsstrukturen vermindert ist und gleichzeitig ein Durchbruch zwischen den Elektrodenstückteil-Gruppierungen verhindert werden kann, so dass die Produktivität der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen verbessert wird.
(Lösung der Aufgaben)
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von periodischen Polarisationsinversionsstrukturen in einem ferroelektrischen Kristallsubstrat mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Bereitstellen von ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen, die jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenstückteilen umfassen, auf der ersten Hauptfläche des ferroelektrischen Kristallsubstrats;
Bilden von ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen durch Anlegen einer Spannung an die ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen;
Bereitstellen von zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen, die jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenstückteilen umfassen, zwischen einer Mehrzahl der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen, die aneinander angrenzen; und
Bilden von zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen durch Anlegen einer Spannung an die zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen.

(Effekte der Erfindung)
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zu bildende periodische Polarisationsinversionsstrukturen in mindestens erste und zweite Gruppen aufgeteilt und die periodischen Polarisationsstrukturen der ersten Gruppe und die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen der zweiten Gruppe werden durch das Spannungsanlegeverfahren getrennt gebildet. Es ist dadurch möglich, die Periode der angrenzenden Gruppierungen der Elektrodenstückteile beim Anlegen der Spannung groß zu halten und gleichzeitig die Periode der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen weiter zu vermindern. Als Ergebnis kann die Periode der angrenzenden periodischen Polarisationsinversionsstrukturen klein gemacht werden und gleichzeitig kann der Durchbruch zwischen den Elektrodenstückteil-Gruppierungen verhindert werden. Die Produktivität der periodischen Polarisationsinversionsteile kann folglich verbessert werden.
Figurenliste

1(a) zeigt schematisch eine Mehrzahl von Linien von Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2 auf einem ferroelektrisches Kristallsubstrat 1 und 1(b) ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs A, der in der 1(a) gezeigt ist.
2 zeigt den Zustand, bei dem periodische Domäneninversionsstrukturen 5 in dem Substrat 1 ausgebildet sind.
3(a) zeigt schematisch den Zustand, bei dem eine Mehrzahl von Linien der Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2 auf dem ferroelektrischen Kristallsubstrat 1 bereitgestellt ist, und 3(b) ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs A, der in der 3(a) gezeigt ist.
4(a) zeigt den Zustand, bei dem erste Gruppierungen 2A der Elektrodenstückteile auf einer ersten Hauptfläche 1a des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 bereitgestellt sind, 4(b) zeigt den Zustand, bei dem zweite Gruppierungen 2B der Elektrodenstückteile auf der ersten Hauptfläche 1a bereitgestellt sind, und 4(c) zeigt den Zustand, bei dem die ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A und zweite Polarisationsinversionsstrukturen 5B in dem ferroelektrischen Kristallsubstrat 1 bereitgestellt sind.
5(a) zeigt den Zustand, bei dem die ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A von den ersten Gruppierungen 2A der Elektrodenstückteile verlängert sind, und
5 (b) zeigt den Zustand, bei dem die zweiten periodischen Polarisationsinversionsteile 5B von den zweiten Gruppierungen 2A der Elektrodenstückteile verlängert sind.
6(a) zeigt den Durchbruch D, der sich von den zweiten Gruppierungen 2B der Elektrodenstückteile zu den ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A erstreckt, und die 6(b) zeigt Beschädigungspositionen 12.
7 zeigt den Zustand, bei dem die ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2A auf der ersten Hauptfläche 1a des ferroelektrischen Substrats 1 bereitgestellt sind.
8 zeigt, dass zweite Gruppierungen 2C der Elektrodenstückteile auf der ersten Hauptfläche 1a bereitgestellt sind, wobei die Enden der Gruppierungen 2C der Elektrodenstückteile und die Enden der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A voneinander beabstandet sind.
9 zeigt den Zustand, bei dem die ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A und die zweiten Polarisationsinversionsstrukturen 5C in dem ferroelektrischen Kristallsubstrat bereitgestellt sind.
10 zeigt den Zustand, bei dem strukturierte leitende Filme und ein Isolierfilm auf der ersten Hauptfläche 1a des ferroelektrischen Kristallsubstrats bereitgestellt sind und eine gegenüberliegende Elektrode auf der zweiten Hauptfläche 1b bereitgestellt ist.
11 ist eine Fotografie, die den Zustand zeigt, bei dem die periodische Polarisationsinversionsstruktur im Vergleichsbeispiel 1 nicht ausgebildet ist.
12 ist eine Fotografie, die den Zustand zeigt, bei dem die Länge der periodischen Polarisationsinversionsstruktur im Vergleichsbeispiel 2 kleiner gemacht ist.
13 ist eine Fotografie, die den Zustand zeigt, bei dem im Erfindungsbeispiel 1 bevorzugte periodische Polarisationsinversionsstrukturen ausgebildet sind.
14 ist eine Fotografie, die den Zustand zeigt, bei dem im Erfindungsbeispiel 1 lokale Beschädigungen aufgrund einer Konzentration des elektrischen Felds an den Enden der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen erzeugt werden.
15 ist eine Fotografie, die den Zustand zeigt, bei dem im Erfindungsbeispiel 2 lokale Beschädigungen aufgrund einer Konzentration des elektrischen Felds an den Enden der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen erzeugt werden.
16 ist eine Fotografie, die den Zustand zeigt, bei dem im Erfindungsbeispiel 3 bevorzugte periodische Polarisationsinversionsstrukturen ausgebildet sind.
17 ist eine Fotografie, die den Zustand zeigt, bei dem im Erfindungsbeispiel 3 lokale Beschädigungen aufgrund einer Konzentration des elektrischen Felds an den Enden der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen erzeugt werden.

MODI ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter geeigneter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben.
Zuerst wird, wie es in der 4(a) gezeigt ist, ein ferroelektrisches Kristallsubstrat 1 mit einer ersten Hauptfläche 1a und einer zweiten Hauptfläche 1b hergestellt. In den Zeichnungen ist jedoch aufgrund der begrenzten Papierbreite nur ein Teil A des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 vergrößert und gezeigt. In dem realen ferroelektrischen Kristallsubstrat 1 sind viele Gruppierungen der Elektrodenstückteile ausgebildet.
Es werden erste Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2A einer Mehrzahl der Elektrodenstückteile 3 auf der ersten Hauptfläche 1a des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 bereitgestellt. Zwischenräume 4 sind jeweils zwischen den angrenzenden Elektrodenstückteilen 3 bereitgestellt und Zwischenräume 8 und potenzialfreie Elektroden 30 sind jeweils zwischen den angrenzenden Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2A bereitgestellt. Ferner sind die jeweiligen Gruppierungen der Elektrodenstückteile durch eine Zuführungselektrode 31 verbunden. Die Periode der angrenzenden Gruppierungen der Elektrodenstückteile wird auf L eingestellt.
Dann wird eine Spannung an die ersten Gruppierungen der Elektrodenstückteile zum Bilden der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A angelegt, wie es in den 4(b) und 5(a) gezeigt ist. Dabei werden Polarisationsinversionsteile 6 unter den jeweiligen Elektrodenstückteilen 3 ausgebildet, Nicht-Polarisationsinversionsteile 7 werden unter den jeweiligen Zwischenräumen 4 ausgebildet, und die Polarisationsinversionsteile 6 und die Nicht-Polarisationsinversionsteile 7 bilden jede periodische Polarisationsinversionsstruktur 5A. Die Periode der angrenzenden periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A beträgt auf der ersten Hauptfläche 1a L.
Dann werden, wie es in der 4(b) gezeigt ist, zweite Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2B, die aus einer Mehrzahl der Elektrodenstückteile 3 zusammengesetzt sind, jeweils zwischen den angrenzenden ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A ausgebildet. Dabei ist die potenzialfreie Elektrode 30 zwischen der gegenüberliegenden Elektrodenstückteilen-Gruppierung und der Zuführungselektrode 31 positioniert. Typischerweise wird die potenzialfreie Elektrode 30 über den periodischen Polarisationsinversionsteilen 5A ausgebildet. Die Spannung wird dann an die zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2B zum Bilden der zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 2B angelegt, wie es in den 4(c) und 5(b) gezeigt ist. Dabei werden die Polarisationsinversionsteile 6 unter den jeweiligen Elektrodenstückteilen 3 ausgebildet, die Nicht-Polarisationsinversionsteile 7 werden unter den jeweiligen Zwischenräumen 4 ausgebildet, und die Polarisationsinversionsteile 6 und die Nicht-Polarisationsinversionsteile 7 bilden die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5B.
Als Ergebnis wird L der Periode der angrenzenden ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A auf der ersten Hauptfläche 1a zugeordnet und L wird auch der Periode der angrenzenden zweiten Polarisationsinversionsstrukturen 5B zugeordnet (5(a)). Die Periode S der angrenzenden ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A und zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5B kann jedoch beträchtlich kleiner gemacht werden als L (5(b)). Ferner wird, wenn die Spannung an die jeweiligen Elektrodenstückteil-Gruppierungen angelegt wird, wie es in den 4(a) und 4(b) gezeigt ist, der Abstand der angrenzenden Elektrodenteilgruppierungen so groß wie L. Es ist daher möglich, die Defekte bei der Polarisationsinversion aufgrund eines Durchbruchs zwischen den Elektrodenstückteil-Gruppierungen zu vermindern und die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen zu bilden.
Es wird jedoch ferner gefunden, dass gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die folgenden Probleme auftreten.
D.h., wie es in der 6(a) gezeigt ist, werden nach der Bildung der ersten periodischen Polarisationsinversionsteile 5A die zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2B gebildet und die Spannung wird an die zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2B angelegt. In einem solchen Fall kann, wie es in der 6(b) gezeigt ist, ein Kurzschluss auftreten, wie es durch den Pfeil D gezeigt ist, was zu lokalen Beschädigungen 12 in den zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5B führt.
Die Erfinder haben ferner die Ursache der Beschädigungen 12 untersucht und die folgenden Erkentnisse erhalten. D.h., es wurde gezeigt, dass die Beschädigungen 12 an den Enden der zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen konzentriert sind. Es wird davon ausgegangen, dass der Durchbruch zwischen den Enden der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen und den Enden der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen, die unter den zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen ausgebildet sind, auftritt.
Auf der Basis dieser Annahme haben die Erfinder versucht, die Enden der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen getrennt von den Enden der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen in der Längsrichtung der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen anzuordnen. Es wird folglich gefunden, dass die vorstehend beschriebenen Beschädigungen verhindert werden können. Diese Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
D.h., wie es in der 7 gezeigt ist, sind erste Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2A, die jeweils aus einer Mehrzahl von Elektrodenstückteilen 3 zusammengesetzt sind, auf einer ersten Hauptfläche 1a eines ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 ausgebildet. Zwischenräume 4 sind jeweils zwischen den angrenzenden Elektrodenstückteilen 3 bereitgestellt und Zwischenräume 8 sind ferner jeweils zwischen den angrenzenden Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2A bereitgestellt. L ist einer Periode der angrenzenden Elektrodenstückteil-Gruppierungen zugeordnet.
Die Spannung wird dann an die ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen angelegt, so dass die ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A gebildet werden, wie es in der 8 gezeigt ist. L ist der Periode der angrenzenden periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A auf der ersten Hauptfläche 1a zugeordnet.
Eine Mehrzahl der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2C, die jeweils aus einer Mehrzahl der Elektrodenstückteile 3 zusammengesetzt sind, wird dann zwischen der angrenzenden Mehrzahl von ersten periodischen Polarisationsinversionsteilen 5A gebildet. Dabei werden die Enden 5e der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A getrennt von den Enden 2a der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2C in der Längsrichtung P der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2C eingestellt. In diesem Zustand wird die Spannung an die zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2C angelegt, so dass die zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5C gebildet werden, wie es in der 9 gezeigt sind.
Als Ergebnis wird L der Periode der angrenzenden ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A zugeordnet und die Periode der angrenzenden zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5C ist ebenfalls L auf der Hauptoberfläche 1a. Die Periode S der angrenzenden ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A und zweiten Polarisationsinversionsstrukturen 5C kann jedoch beträchtlich kleiner gemacht werden als L. Darüber hinaus sind die Enden 5e der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen getrennt von den Enden 5f der zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5C in der Längsrichtung P der zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5C angeordnet. Als Ergebnis können Beschädigungen 12 der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen aufgrund des Durchbruchs von den Enden der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen in die Richtung der Enden der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen verhindert werden.
Ferner tritt in dem Fall, bei dem die Zuführungselektrode mit diesen zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2C von den Enden auf der linken Seite, die in der 8 nicht gezeigt sind, verbunden ist, eine lokale Konzentration eines elektrischen Felds am Ende der linken Seite nicht auf, so dass die Beschädigungen verhindert werden. Ferner ist es nicht erforderlich, die Enden auf der linken Seite der ersten Elektrodenstückteil-Gruppierung 2A getrennt von den Enden auf der linken Seite der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierung 2C in der Längsrichtung anzuordnen.
Die Form des Elektrodenstückteils ist nicht speziell beschränkt und kann eine herkömmliche kammartige Elektrode sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind isolierende Elektroden jeweils zwischen den Elektrodenstückteilen auf der ersten Hauptfläche des ferroelektrischen Kristallsubstrats ausgebildet und eine einheitliche Elektrode ist auf der zweiten Hauptfläche des ferroelektrischen Kristallsubstrats ausgebildet, und eine Spannung wird zwischen den Elektrodenstückteilen und der einheitlichen Elektrode angelegt. Die 10 betrifft diese Ausführungsform.
Zuerst wird ein einheitlicher leitender Film auf der ersten Hauptfläche 1a des ferroelektrischen Kristallsubstrats 1 gebildet und der leitende Film wird dann so strukturiert, dass viele Linien von länglichen leitenden Filmen 41 gebildet werden, wie es in der 10 gezeigt ist. Ein Isolierfilm 42 wird zum Bedecken der leitenden Filme 41 bereitgestellt.
Als Ergebnis wird die Gruppierung der Elektrodenstückteile, die aus vielen Linien von länglichen leitenden Filmen 41 zusammengesetzt ist, so angeordnet, dass der Isolierfilm 42 zwischen den angrenzenden Elektrodenstückteilen angeordnet ist. Die Spannung wird an die jeweiligen Elektrodenstückteile von der gemeinsamen Zuführungselektrode 31 angelegt.
Ein leitender Film 40 wird über der gesamten zweiten Hauptfläche 1b des Substrats 1 ausgebildet.
Der ferroelektrische Kristall des Substrats, in dem die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen ausgebildet sind, ist nicht speziell beschränkt. Er umfasst jedoch Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithiumtantalat (LiTaO₃), eine feste Lösung aus Lithiumniobat-Lithiumtantalat, K₃Li₃Nb₅O₁₅ und La₃Ga₅SiO₁₄. Der ferroelektrische Kristall kann vorzugsweise ein Einkristall sein.
Als das ferroelektrische Kristallsubstrat ist ein X-geschnittenes Substrat, ein abgeschnittenes X-geschnittenes Substrat, ein Y-geschnittenes Substrat oder ein abgeschnittenes Y-geschnittenes Substrat bevorzugt. Der Abschneidwinkel kann vorzugsweise 10° oder weniger und mehr bevorzugt 5° oder weniger betragen.
Obwohl das Material des Isolierfilms nicht beschränkt ist, kann das Material ein Oxid, wie z.B. Siliziumoxid (SiO₂), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Aluminiumoxid (Al₂O₃), oder ein Nitrid, wie z.B. Siliziumnitrid, sein. Es ist mehr bevorzugt Siliziumoxid, das nach der Polarisationsinversion durch ein Mittel leicht durch Ätzen entfernt werden kann.
Obwohl die Dicke des strukturierten Isolierfilms nicht speziell beschränkt ist, kann sie vorzugsweise 500 Angström oder mehr und 4000 Angström oder weniger betragen. In dem Fall, bei dem die Dicke des Isolierfilms gering ist, werden die Isoliereigenschaften schlechter, so dass die Polarisationsinversion nur schwer gebildet werden kann. In dem Fall, bei dem der Isolierfilm zu groß ist, wird die Genauigkeit der Strukturierung verschlechtert.
Obwohl das Material des Elektrodenstückteils oder der Gegenelektrode nicht speziell beschränkt ist, kann das Material vorzugsweise Al, Au, Ag, Cr, Cu, Ni, Ni-Cr, Pd, Ta, Mo, W, Ta, ein laminierter Film aus AuCr und dergleichen sein.
Obwohl das Verfahren zur Bildung des Elektrodenstückteils oder der Gegenelektrode nicht speziell beschränkt ist, kann das Verfahren ein Gasphasenabscheidungs- oder Sputterverfahren sein. Die Dicke der Elektrode kann beispielsweise auf 500 bis 3000 Angström eingestellt werden.
Dann wird eine Spannung zwischen den Elektrodenstückteilen und den Gegenelektroden angelegt, so dass die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen in dem Substrat gebildet werden.
Die Temperatur des ferroelektrischen Kristallsubstrats während des Anlegens der Spannung kann im Hinblick auf das Erleichtern der Bildung der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen vorzugsweise 15 °C oder höher und mehr bevorzugt 25 °C oder höher sein. Ferner kann die Temperatur des ferroelektrischen Kristallsubstrats während des Anlegens der Spannung im Hinblick auf das Verhindern von Rissen oder einer Pyroelektrizität des ferroelektrischen Kristallsubstrats 60 °C oder niedriger und mehr bevorzugt 40 °C oder niedriger sein.
Das ferroelektrische Kristallsubstrat kann in einer Atmosphäre bereitgestellt werden und kann vorzugsweise in einer isolierenden Flüssigkeit bereitgestellt werden. Eine solche isolierende Flüssigkeit umfasst ein isolierendes Öl (beispielsweise Silikonöl) und eine inerte Flüssigkeit auf Fluoridbasis.
Das Verfahren zum Anlegen der Spannung ist nicht speziell beschränkt. Beispielsweise kann die Spannung angelegt werden, während das Substrat in einer inerten Atmosphäre bereitgestellt ist oder während das Substrat in der isolierenden Flüssigkeit bereitgestellt ist. In dem Fall, bei dem die Spannung unter Verwendung eines Sondenstifts zum Anlegen der Spannung angelegt wird, kann der Stift vorzugsweise an der zentralen Position in Kontakt gebracht werden.
Die Spannung kann vorzugsweise eine Pulsspannung sein und ferner kann eine Gleichspannungsvorspannung angewandt werden. Bevorzugte Bedingungen für die Pulsspannung sind wie folgt.
Pulsspannung: 2,0 kV bis 8,0 kV (/mm)
Pulsbreite: 0,1 ms bis 10 ms
Gleichspannungsvorspannung: 1,0 kV bis 5,0 kV (/mm)
Gemäß der vorliegenden Erfindung können nach dem Bilden der zweiten Elektrodenstück-Gruppierungen zum Bilden der zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen separate Elektrodenstückteil-Gruppierungen zwischen den ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen und den zweiten Polarisationsinversionsstrukturen gebildet werden und die Spannung kann an die dritten Elektrodenstückteil-Gruppierungen zum Bilden von dritten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen angelegt werden. In diesem Fall kann, obwohl die Anzahl der Anlegevorgänge der Spannung erhöht wird, stattdessen die Dichte der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen weiter erhöht werden. Ferner können das Bilden der Elektrodenstückteil-Gruppierungen und das Anlegen der Spannung viermal oder häufiger wiederholt werden.
Die Periode L der angrenzenden Elektrodenstückteil-Gruppierungen während des Anlegens der Spannung kann abhängig vom Material ausgewählt werden und kann beispielsweise vorzugsweise 1,4 mm oder weniger und mehr bevorzugt 1,2 mm oder weniger betragen. Ferner können, wenn die Periode L der angrenzenden Elektrodenstückteil-Gruppierungen während des Anlegens der Spannung zu klein ist, die Einflüsse eines Kurzschlusses auftreten. Die Periode kann vorzugsweise 0,4 mm oder mehr, mehr bevorzugt 0,6 mm oder mehr und insbesondere 0,7 mm oder mehr betragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Enden der angrenzenden ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen getrennt von Enden der Elektrodenstückteil-Gruppierungen in der Längsrichtung der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen angeordnet. In diesem Fall kann der Abstand t (vgl. die 8) des Endes der ersten periodischen Polarisationsinversionsstruktur und des Endes der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierung in der Längsrichtung vorzugsweise 1 mm oder mehr und mehr bevorzugt 3 mm oder mehr betragen. Da jedoch die Effekte in dem Fall, bei dem der Abstand zu groß gemacht wird, nicht weiter verbessert werden, kann der Abstand t vorzugsweise auf 5 mm oder weniger eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf eine Vorrichtung zum Erzeugen einer harmonischen Welle höherer Ordnung, wie z.B. eine Vorrichtung zum Erzeugen einer zweiten harmonischen Welle, angewandt werden. In dem Fall, bei dem sie als die Vorrichtung zum Erzeugen einer zweiten harmonischen Welle verwendet wird, kann die Wellenlänge der harmonischen Welle höherer Ordnung vorzugsweise 330 bis 1700 nm betragen.
BEISPIELE
(Vergleichsbeispiel 1)
Wie es in den 3 und 10 gezeigt ist, wurden periodische Polarisationsinversionsstrukturen 5 in einem ferroelektrischen Kristallsubstrat 1 gebildet.
Insbesondere wurde als Substrat 1 ein abgeschnittenes Y-geschnittenes Substrat aus LiNbO₃, das mit MgO dotiert war, verwendet. Der Abschneidwinkel betrug 5°. Ein Molybdänfilm wurde als leitender Film auf einer ersten Hauptfläche 1a des Substrats 1 gebildet. Ferner wurde ein Molybdänfilm als leitender Film 40 auf einer zweiten Hauptfläche 1b des Substrats 1 gemäß dem entsprechenden Verfahren gebildet. Die Dicke jedes der leitenden Filme betrug etwa 1000 Angström.
Ein Fotolack wurde dann mittels Schleuderbeschichten auf den leitenden Film auf der Hauptfläche 1a aufgebracht und einer Belichtung unter Verwendung einer Maske und einem Entwickeln zur Bildung einer Fotolackstruktur mit einer Periode von etwa 6,5 µm unterzogen. Die Fotolackstruktur wurde als Maske zum Durchführen einer Nassätzbehandlung zum Bilden von strukturierten leitenden Filmen 41 verwendet, wie es in der 10 gezeigt ist.
Dann wurde ein Isolierfilm 42 durch Sputtern gebildet. Dessen Filmdicke wurde auf 2000 Angström eingestellt und das Material war Siliziumoxid. Wie es jedoch in der 3 gezeigt ist, wurde die Periode S der angrenzenden Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2 auf der Hauptfläche 1a auf 0,4 mm eingestellt.
Das so hergestellte Substrat 1 wurde in ein isolierendes Öl eingetaucht und eine Pulsspannung wurde bei 25 °C daran angelegt. Bezüglich der Bedingungen des Anlegens der Spannung wurde die Spannung auf etwa 2,8 kV/mm eingestellt und ein Rechteckpuls mit einer Breite von 1 ms wurde angewandt.
Nach dem Anlegen der Spannung wurde ein Nassätzen unter Verwendung einer 50 %igen Fluorwasserstoffsäure zum Bestätigen durchgeführt, ob die Polarisationsinversion stattgefunden hat. Als Ergebnis wurde, wie es in der 11 gezeigt ist, nachgewiesen, dass die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen nicht gebildet worden sind. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Periode S der Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2 klein ist, so dass selbst bei einer geringen Spannung ein Kurzschluss zwischen den Elektroden resultiert, wodurch die Bildung der Polarisationsinversionsteile verhindert wird.
(Vergleichsbeispiel 2)
Die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen wurden in dem ferroelektrischen Kristallsubstrat gemäß dem Verfahren entsprechend dem Vergleichsbeispiel 1 gebildet. Die Periode S der angrenzenden Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2 wurde jedoch auf einen großen Wert von 0,6 mm eingestellt, so dass die Dichte der Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2 in einem gewissen Maß vermindert wurde.
Als Ergebnis wurden, wie es in der 12 gezeigt ist, die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen gebildet, jedoch wies die Länge jeder periodischen Polarisationsinversionsstruktur einen geringen Wert von etwa 30 µm auf (es sollte beachtet werden, dass ein Pfeil eine Länge von 30 µm aufweist). Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine hohe Spannung zum Verhindern des Kurzschlusses zwischen den angrenzenden Elektrodenstückteil-Gruppierungen nicht angelegt werden kann.
(Erfindungsbeispiel 1)
Die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen wurden gemäß dem Verfahren entsprechend dem Vergleichsbeispiel 1 gebildet. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wurden jedoch, wie es in den 4 und 5 gezeigt ist, die ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2A und die zweiten Elektrodenstück-Gruppierungen 2B getrennt bereitgestellt, um die ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A und die zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5B getrennt zu bilden. Die Periode L der ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2A wurde auf 0,8 mm eingestellt und die Periode S der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen und der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen wurde auf 0,4 mm eingestellt. Die anderen Verfahrensschritte waren mit denjenigen im Vergleichsbeispiel 1 identisch.
Als Ergebnis wurden, wie es in der 13 gezeigt ist, gute periodische Polarisationsinversionsstrukturen, die jeweils eine Länge von etwa 60 µm aufweisen, bei einem kleinen Intervall gebildet (es sollte beachtet werden, dass ein Pfeil eine Länge von etwa 60 µm aufweist). Wie es in der 14 gezeigt ist, wurden jedoch die Beschädigungen 12 aufgrund der Konzentration des elektrischen Felds zwischen den Enden eines Teils der Elektrodenstückteil-Gruppierungen und Enden der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen, wenn die Spannung an die zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen angelegt wird, gelegentlich festgestellt (vgl. die 6(b)).
(Erfindungsbeispiel 2)
Die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen wurden mit einem entsprechenden Verfahren wie das Erfindungsbeispiel 1 gebildet. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wurde jedoch die Periode L der ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen auf 1,2 mm eingestellt, und die Periode S der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen und der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen wurde auf 0,6 mm eingestellt. Die Dichte der periodischen Polarisationsinversionsstrukturen wurde in einem gewissen Maß vermindert.
Als Ergebnis wurden gute erste periodische Polarisationsinversionsstrukturen und zweite Polarisationsinversionsstrukturen, die jeweils eine Länge von etwa 50 µm aufweisen, erfolgreich gebildet. Ferner konnten sie erfolgreich bei einem kleinen Intervall gebildet werden. Wie es in der 15 gezeigt ist, wurden die Beschädigungen 12 aufgrund der Konzentration des elektrischen Felds zwischen den Enden eines Teils der Elektrodenstückteil-Gruppierungen und Enden der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen, wenn die Spannung an die zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen angelegt wird, gelegentlich festgestellt (vgl. die 6(b)). Es wurde jedoch gezeigt, dass der Grad der Beschädigungen geringer war als derjenige der Beschädigungen in dem Erfindungsbeispiel 1 (vgl. die 14).
(Erfindungsbeispiel 3)
Die Elektrodenstück-Gruppierungen wurden so wie diejenigen in dem Erfindungsbeispiel 1 gebildet und es wurde versucht, die periodischen Polarisationsinversionsstrukturen zu bilden. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wurden jedoch, wie es in der 8 gezeigt ist, die Enden 5e der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen 5A mit einem Abstand von 2 mm (t) in der Längsrichtung P der ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2C getrennt von den Elektrodenstückteil-Gruppierungen 2C angeordnet.
Wie es in der 16 gezeigt ist, wurden als Ergebnis gute periodische Polarisationsinversionsstrukturen, die jeweils eine Länge von etwa 60 µm aufweisen, bei einem kleinen Intervall erfolgreich gebildet (es sollte beachtet werden, dass ein Pfeil eine Länge von etwa 60 µm aufweist). Ferner wurden, wie es in der 17 gezeigt ist, die Beschädigungen 12 aufgrund der Konzentration des elektrischen Felds zwischen den Enden eines Teils der Elektrodenstückteil-Gruppierungen und Enden der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen, wenn die Spannung an die zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen angelegt wird, nicht festgestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005070192 A [0004]
JP 2014153555 A [0004]
JP 4642065 B [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung von periodischen Polarisationsinversionsstrukturen in einem ferroelektrischen Kristallsubstrat mit einer ersten Hauptfläche und einer zweiten Hauptfläche, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen von ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen, die jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenstückteilen umfassen, auf der ersten Hauptfläche des ferroelektrischen Kristallsubstrats; Bilden von ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen durch Anlegen einer Spannung an die ersten Elektrodenstückteil-Gruppierungen; Bereitstellen von zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen, die jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenstückteilen umfassen, zwischen einer Mehrzahl der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen, die aneinander angrenzen; und Bilden von zweiten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen durch Anlegen einer Spannung an die zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Ende von jeder der ersten periodischen Polarisationsinversionsstrukturen getrennt von einem Ende von jeder der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen in einer Längsrichtung der zweiten Elektrodenstückteil-Gruppierungen angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner die Schritte umfasst: Bilden von Isolierfilmen jeweils zwischen den Elektrodenstückteilen auf der ersten Hauptfläche des ferroelektrischen Kristallsubstrats; Bereitstellen einer einheitlichen Elektrode auf der zweiten Hauptfläche des ferroelektrischen Kristallsubstrats; und Anlegen der Spannung zwischen den Elektrodenstückteilen und der einheitlichen Elektrode.