DE112021001746T5

DE112021001746T5 - Verbundsubstrat für photonische kristallelemente und photonischeskristallelement

Info

Publication number: DE112021001746T5
Application number: DE112021001746.2T
Authority: DE
Inventors: Jungo Kondo; Keiichiro Asai; Tomoyoshi Tai
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2022-12-29
Also published as: WO2021241361A1; DE112021001746T8; JPWO2021241361A1; JP2023020811A; JP2023171912A; JP7361746B2; US20230061055A1

Abstract

Es wird ein Verbundsubstrat (100) bereitgestellt, mit dem ein photonisches Kristallelement mit hervorragenden Eigenschaften erzielt werden kann. Das Verbundsubstrat (100) für ein photonisches Kristallelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält: ein elektro-optisches Kristallsubstrat (10) mit einem elektro-optischen Effekt; eine optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht (20), die auf einer Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats (10) angeordnet ist; und ein Trägersubstrat (30), das mit dem elektro-optischen Kristallsubstrat (10) durch die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht (20) verbunden ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement und ein photonisches Kristallelement.
Technischer Hintergrund
Verschiedene elektro-optische Elemente sind bekannt. Das elektro-optische Element kann ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umwandeln, indem es einen elektro-optischen Effekt nutzt. Das elektro-optische Element wird beispielsweise in der optischen und Funkwellen-Fusionskommunikation eingesetzt, und seine Entwicklung ist im Gange, um eine Hochgeschwindigkeits- und Großkapazitätskommunikation, einen geringen Stromverbrauch (niedrige Treiberspannung) und eine geringe Stellfläche zu erreichen. Das elektro-optische Element wird beispielsweise aus einem Verbundsubstrat hergestellt., Das Verbundsubstrat enthält typischerweise ein elektro-optisches Kristallsubstrat mit einem elektro-optischen Effekt und ein Trägersubstrat, das mit dem elektro-optischen Kristallsubstrat verbunden ist. Auf diese Weise kann das elektro-optische Kristallsubstrat dünner gestaltet werden und daher wurde die angewandte Entwicklung zum Erreichen der verschiedenen vorstehend aufgeführten Funktionen energisch durchgeführt. Bei einem Verbundstoffsubstrat des Standes der Technik sind das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat mit einem Klebstoff miteinander verbunden. Bei einer solchen Konfiguration ist es in einigen Fällen zu Ablösungen im Verbundsubstrat gekommen, weil sich der Klebstoff mit der Zeit verschlechtert hat. Darüber hinaus ist in einigen Fällen eine Beschädigung (z.B. ein Riss) in dem elektro-optischen Kristallsubstrat aufgetreten, die aus einer solchen Ablösung resultiert.
Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, wurde eine Technologie entwickelt, bei der das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat ohne Verwendung eines Klebstoffs direkt miteinander verbunden werden. Wenn jedoch das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat direkt miteinander verbunden werden, wird zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat und dem Trägersubstrat eine amorphe Schicht gebildet, die ein Element des elektro-optischen Kristallsubstrats und ein Element des Trägersubstrats enthält. Die amorphe Schicht hat keine Kristallinität und ihre optischen Eigenschaften unterscheiden sich von denen des elektro-optischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats. Außerdem ist die Schnittstelle zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat und der amorphen Schicht nicht eben. Eine solche nicht ebene Schnittstelle kann Licht, das sich im elektro-optischen Kristallsubstrat ausbreitet, streuen (z.B. unregelmäßig reflektieren oder austreten) und/oder absorbieren. Außerdem kann die Amorphisierung den elektro-optischen Effekt eines elektro-optischen Kristalls verschlechtern, so dass eine gewünschte Verringerung der Ansteuerspannung des elektro-optischen Elements nicht erreicht werden kann. Um solche Probleme zu bewältigen, wurde beispielsweise eine Technologie vorgeschlagen, bei der eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat und dem Trägersubstrat eingefügt wird.
Die Entwicklung eines photonischen Kristallelements, das als elektro-optisches Element dient, ist übrigens weit fortgeschritten. Die Anwendungen und die Entwicklung des photonischen Kristallelements in einer Vielzahl von Bereichen, einschließlich eines Lichtwellenleiters, der Hochgeschwindigkeitskommunikation der nächsten Generation, eines Sensors, der Laserverarbeitung und der photovoltaischen Energieerzeugung, werden erwartet. Parallel zur Entwicklung eines solchen photonischen Kristallelements wurde ein für das photonische Kristallelement geeignetes Verbundsubstrat angestrebt.
Zitatenliste
Patentliteratur
[PTL 1] JP 6650551 B1
Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundsubstrat bereitzustellen, mit dem ein photonisches Kristallelement mit hervorragenden Eigenschaften erzielt werden kann.
Lösung der Aufgabe
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement bereitgestellt, enthaltend: ein elektro-optisches Kristallsubstrat mit einem elektro-optischen Effekt; eine optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht bzw. Hohlraumausarbeitungsschicht, die auf einer Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats angeordnet ist; und ein Trägersubstrat, das mit dem elektro-optischen Kristallsubstrat durch die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht verbunden bzw. integriert ist.
In einer Ausführungsform ist die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht eine Einzelschicht.
In dieser Ausführungsform kann das Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement außerdem eine Ablösungsverhinderungsschicht zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat und der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht enthalten.
In dieser Ausführungsform kann das Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement außerdem eine Verbindungsschicht zwischen der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht und dem Trägersubstrat enthalten.
In dieser Ausführungsform kann das Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement außerdem eine strukturierte bzw. gemusterte Opferschicht enthalten, die in der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht gebildet wird.
In dieser Ausführungsform kann das Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement außerdem eine Überzugsschicht zwischen der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht und dem Trägersubstrat enthalten.
In einer anderen Ausführungsform enthält die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht eine optische Verlustunterdrückungsschicht, die auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat angeordnet ist, und eine Hohlraumbearbeitungsschicht, die auf dem Trägersubstrat angeordnet ist, und die optische Verlustunterdrückungsschicht und die Hohlraumbearbeitungsschicht sind direkt miteinander verbunden.
In dieser Ausführungsform kann das Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement außerdem eine Verbindungsschicht zwischen der optischen Verlustunterdrückungsschicht und dem Trägersubstrat enthalten.
In dieser Ausführungsform kann das Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement außerdem eine strukturierte Opferschicht enthalten, die in der optischen Verlustunterdrückungsschicht oder der Hohlraumbearbeitungsschicht gebildet wird.
In dieser Ausführungsform kann das Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement außerdem eine Überzugsschicht zwischen der optischen Verlustunterdrückungsschicht und der Hohlraumbearbeitungsschicht enthalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein photonisches Kristallelement bereitgestellt. Das photonische Kristallelement ist ein photonisches Kristallelement, das das vorstehend erwähnte Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement verwendet. Das photonische Kristallelement enthält: eine photonische Kristallschicht, die durch periodische Bildung von Löchern in dem elektro-optischen Kristallsubstrat erhalten wird; einen Verbindungsabschnitt, der unter der photonischen Kristallschicht angeordnet ist, wobei der Verbindungsabschnitt so konfiguriert ist, dass er die photonische Kristallschicht und das Trägersubstrat miteinander verbindet bzw. integriert; und einen Hohlraum, der durch eine untere Oberfläche der photonischen Kristallschicht, eine obere Oberfläche des Trägersubstrats und den Verbindungsabschnitt definiert ist.
In einer Ausführungsform wird das photonische Kristallelement unter Verwendung des vorstehend erwähnten Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement gebildet.
In einer Ausführungsform ist in der photonischen Kristallschicht ein Durchgangsloch zum Ätzen ausgebildet. In diesem Fall kann das Durchgangsloch zum Ätzen größer sein als die Größe der einzelnen Löcher.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in dem Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement, das das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat enthält, die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht auf einer Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats angeordnet, und das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat sind durch die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht miteinander verbunden bzw. integriert. Auf diese Weise kann ein photonisches Kristallelement mit hervorragenden Eigenschaften erzielt werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Schnittansicht des Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement von 1.
3 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung des Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement aus 5.
7 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines photonischen Kristallelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11(a) bis 11(c) sind schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung des photonischen Kristallelements gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12(a) bis 12(d) sind schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung eines weiteren Beispiels für das Verfahren zur Herstellung des photonischen Kristallelements gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13(a) bis 13(d) sind schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung noch eines weiteren Beispiels für das Verfahren zur Herstellung des photonischen Kristallelements gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
A. Verbundsubstrat für photonisches Kristallelement
A-1. Gesamtkonfiguration und Modifizierungsbeispiel
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement (nachstehend manchmal einfach als „Verbundsubstrat“ bezeichnet) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 2 ist eine schematische Schnittansicht des Verbundsubstrats von 1. Das Verbundsubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann typischerweise in Form eines sogenannten Wafers hergestellt werden, wie in 1 dargestellt. Das Verbundsubstrat kann in Form eines solchen Wafers, wie in 1 dargestellt, an einen Hersteller von photonischen Kristallelementen geliefert werden oder es kann in Form eines Wafers, auf dem eine photonische Kristallschicht ausgebildet ist (photonischer Kristallwafer), an den Hersteller geliefert werden, wie später beschrieben. In dieser Beschreibung kann der photonische Kristallwafer als „photonisches Kristallelement“ bezeichnet werden. Das heißt, der hier verwendete Begriff „photonisches Kristallelement“ umfasst sowohl einen photonischen Kristallwafer als auch einen Chip, der durch Schneiden des photonischen Kristallwafers entsteht.
Ein Verbundsubstrat 100 des gezeigten Beispiels enthält: ein elektro-optisches Kristallsubstrat 10 mit einem elektro-optischen Effekt; eine optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20, die auf einer Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats angeordnet ist; und ein Trägersubstrat 30, das mit dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 durch die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 integriert ist. In der Ausführungsform des dargestellten Beispiels sind die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 und das Trägersubstrat 30 direkt miteinander verbunden. Somit sind das elektro-optische Kristallsubstrat 10 und das Trägersubstrat 30 miteinander integriert. Eine amorphe Schicht (nicht dargestellt) wird normalerweise an der Verbindungsschnittstelle der direkten Verbindung gebildet. In der Ausführungsform des gezeigten Beispiels ist die amorphe Schicht eine Schicht, die an der Verbindungsschnittstelle durch die direkte Verbindung der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 und des Trägersubstrats 30 gebildet wird. Die amorphe Schicht hat, wie ihr Name schon sagt, eine amorphe Struktur und die Schicht enthält ein Element zur Bildung der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 und ein Element zur Bildung des Trägersubstrats 30. In jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den Ausführungsformen, die in 1 und 2 dargestellt sind, kann die amorphe Schicht typischerweise an der Verbindungsschnittstelle der direkten Verbindung gebildet werden. Die amorphe Schicht enthält die Bestandteilselemente der Schichten oder Substrate, die direkt miteinander verbunden werden sollen.
Wie später beschrieben, werden in dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 Löcher in einem vorbestimmten Muster gebildet, so dass das Substrat als photonische Kristallschicht in einem photonischen Kristallelement dienen kann. Die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 verhindert die Bildung einer amorphen Schicht auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat zum Zeitpunkt des direkten Verbindens, um dadurch den optischen Verlust des elektro-optischen Kristallsubstrats zu unterdrücken. Außerdem kann die Schicht, nachdem sie zum Zeitpunkt der direkten Verbindung eine optische Verlustunterdrückungsfunktion erfüllt hat, durch Ätzen entfernt werden, um einen Hohlraum im photonischen Kristallelement zu bilden. Darüber hinaus kann das Ätzen (typischerweise Trockenätzen) der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 auf einem geeigneten Niveau gestoppt werden, indem beispielsweise das Bestandteilsmaterial und ihre Dicke angepasst werden.
Wenn das elektro-optische Kristallsubstrat 10 und das Trägersubstrat 30 durch direktes Verbinden integriert sind, kann das Ablösen des Verbundsubstrats zufriedenstellend unterdrückt werden, und als Ergebnis können Schäden (zum Beispiel Rissbildung) an dem elektro-optischen Kristallsubstrat, die durch ein solches Ablösen verursacht werden, zufriedenstellend unterdrückt werden. Wenn die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 und das Trägersubstrat 30 direkt miteinander verbunden sind, kann weiterhin die direkte Verbindung des elektro-optischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats vermieden werden. Dementsprechend kann die Bildung einer amorphen Schicht auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat verhindert werden. Infolgedessen können Verringerungen der optischen Eigenschaften des elektro-optischen Kristallsubstrats oder dessen optischer Verlust unterdrückt werden.
Wie hier verwendet, bedeutet „direktes Verbinden“, dass die Bestandteile eines Verbundsubstrats (in den Beispielen von 1 und 2 die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 und das Trägersubstrat 30) ohne Zwischenschaltung eines Klebstoffs miteinander verbunden werden. Die Form der direkten Verbindung kann in Abhängigkeit von der Konfiguration der miteinander zu verbindenden Schichten oder Substrate angemessen festgelegt werden. Die direkte Verbindung kann zum Beispiel durch das folgende Verfahren erreicht werden. In einer Hochvakuumkammer (z.B. etwa 1 ×10^-6 Pa) wird ein neutralisierter Strahl auf jede Verbindungsoberfläche der miteinander zu verbindenden Bestandteile (Schichten oder Substrate) aufgebracht. Dadurch wird jede Verbindungsoberfläche aktiviert. Anschließend werden die aktivierten Verbindungsoberflächen in einer Vakuumatmosphäre miteinander in Kontakt gebracht und bei Normaltemperatur miteinander verbunden. Die Belastung zum Zeitpunkt des Verbindens kann z.B. 100 N bis 20 000 N betragen. In einer Ausführungsform wird bei der Oberflächenaktivierung mit einem neutralisierten Strahl ein Inertgas in eine Kammer eingeleitet und eine Hochspannung von einer Gleichstromquelle an in der Kammer angeordnete Elektroden angelegt. Bei einer solchen Konfiguration bewegen sich die Elektronen aufgrund des elektrischen Feldes, das zwischen der Elektrode (positive Elektrode) und der Kammer (negative Elektrode) erzeugt wird, und es wird ein Strahl aus Atomen und Ionen erzeugt, der durch das Inertgas verursacht wird. Von den Strahlen, die ein Gitter erreicht haben, wird ein lonenstrahl durch das Gitter neutralisiert, so dass der Strahl aus neutralen Atomen von einer Hochgeschwindigkeits-Atomstrahlquelle emittiert wird. Die den Strahl bildende Atomsorte ist vorzugsweise ein Inertgaselement (z.B. Argon (Ar) oder Stickstoff (N)). Die Spannung zum Zeitpunkt der Aktivierung durch den Strahl beträgt z.B. 0,5 kV bis 2,0 kV und der elektrische Strom beträgt z.B. 50 mA bis 200 mA. Das Verfahren zum direkten Verbinden ist nicht darauf beschränkt und es kann auch ein Oberflächenaktivierungsverfahren mit einer lonenkanone, ein Atomdiffusionsverfahren, ein Plasmaverbindungsverfahren oder dergleichen angewendet werden.
Die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht kann eine solche Einzelschicht sein, wie vorstehend beschrieben, oder sie kann eine optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht enthalten, wie später beschrieben. Das heißt, die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht kann als eine Einzelschicht dienen, um sowohl eine optische Verlustunterdrückungsfunktion als auch eine Hohlraumbildungsfunktion bereitzustellen, oder kann in zwei Schichten aufgeteilt werden, das heißt, die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht, um die Funktionen zu teilen.
Nachstehend wird ein Modifizierungsbeispiel des Verbundsubstrats beschrieben. Spezielle Konfigurationen der Bestandteile (Schichten oder Substrate) des Verbundsubstrats werden später in dem Abschnitt A-2 bis Abschnitt A-8 beschrieben.
3 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Verbundsubstrat 100a des dargestellten Beispiels ist zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 und der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 eine Ablösungsverhinderungsschicht 40 angeordnet und zwischen der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 und dem Trägersubstrat 30 sind eine Überzugsschicht 50 und eine Verbindungsschicht 60 angeordnet. Die Verbindungsschicht 60 kann direkt mit dem Trägersubstrat 30 und/oder einer benachbarten, dem Trägersubstrat 30 gegenüberliegenden Schicht (im dargestellten Beispiel die Überzugsschicht 50 oder die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20) verbunden sein. Dabei kann Folgendes durchgeführt werden: die Verbindungsschicht wird jeweils auf dem Trägersubstrat 30 und der Überzugsschicht 50 oder der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 angeordnet und die jeweiligen Verbindungsschichten werden direkt miteinander verbunden. Die Anordnung der Ablösungsverhinderungsschicht 40 kann das Ablösen zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 und seiner benachbarten Schicht (im dargestellten Beispiel die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20) unterdrücken. Wenn die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 Unebenheiten aufweist, kann die Überzugsschicht 50 als eine Schicht zum Ebnen der Unebenheiten angeordnet werden. Insbesondere, wenn eine Opferschicht 70 wie in 4 gebildet wird, die später beschrieben wird, werden die Opferschicht 70 und die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 durch separate Schritte gebildet und daher können Unebenheiten auf der unteren Oberfläche des dargestellten Beispiels gebildet werden. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Überzugsschicht 50 gebildet wird, kann eine Oberfläche gebildet werden, die als eine Einzelschicht dient, und daher kann die Ebnungsbehandlung leicht durchgeführt werden. Darüber hinaus kann durch die Anordnung der Verbindungsschicht 60 eine starke Integration des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 und des Trägersubstrats 30 erreicht werden. Die Ablösungsverhinderungsschicht 40, die Überzugsschicht 50 und die Verbindungsschicht 60 sind wahlweise Schichten, die nach Bedarf angeordnet werden können, und mindestens eine der Schichten kann weggelassen werden. Im dargestellten Beispiel können beispielsweise die Überzugsschicht 50, die Ablösungsverhinderungsschicht 40 und die Überzugsschicht 50 oder die Überzugsschicht 50 und die Verbindungsschicht 60 weggelassen werden. Wenn die Verbindungsschicht vorhanden ist, kann an der Schnittstelle zwischen der direkten Verbindung der Verbindungsschicht und der angrenzenden Schicht (einschließlich der Schnittstelle der direkten Verbindung der Verbindungsschichten) eine amorphe Schicht gebildet werden. Wenn die Überzugsschicht und die Verbindungsschicht weggelassen werden, wie in 2, sind die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 und das Trägersubstrat 30 direkt miteinander verbunden, und eine amorphe Schicht kann an einer Verbindungsschnittstelle dazwischen gebildet werden.
4 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Verbundsubstrat 100b des dargestellten Beispiels ist die Opferschicht 70 in der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 ausgebildet. Wenn die Opferschicht 70 angeordnet ist, kann ein Hohlraum, der die Funktion eines photonischen Kristalls wirksam zum Ausdruck bringt, leicht in eine gewünschte Form gebracht werden. Der Hohlraum hat vorzugsweise eine ausreichende Dicke über eine gesamte Region direkt unter den Löchern des photonischen Kristalls. Dementsprechend wird die Opferschicht 70 zweckmäßigerweise in einem vorgegebenen Muster ausgebildet. In der Ausführungsform des erläuterten Beispiels wird die Opferschicht 70 typischerweise in einem Muster und einer Form ausgebildet, die dem Hohlraum in dem photonischen Kristallelement entspricht. In der Ausführungsform des erläuterten Beispiels kann die Überzugsschicht 50 und/oder die Verbindungsschicht 60 je nach Bedarf zwischen der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 (der Opferschicht 70) und dem Trägersubstrat 30 angeordnet werden. Wenn die Verbindungsschicht 60 allein angeordnet ist, kann die Verbindungsschicht 60 direkt mit der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 (der Opferschicht 70) und/oder dem Trägersubstrat 30 verbunden sein. Wenn die Überzugsschicht 50 und die Verbindungsschicht 60 angeordnet sind, ist die Überzugsschicht 50 typischerweise auf der Seite der Opferschicht 70 angeordnet. Die Verbindungsschicht 60 kann direkt mit der Überzugsschicht 50 und/oder dem Trägersubstrat 30 verbunden sein. Wie bei der vorstehend genannten Ausführungsform kann Folgendes durchgeführt werden: die Verbindungsschicht wird auf jeder der miteinander zu verbindenden Schichten oder Substrate angeordnet und die Verbindungsschichten werden direkt miteinander verbunden.
5 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Verbundsubstrat 100c des dargestellten Beispiels enthält die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht eine optische Verlustunterdrückungsschicht 21 und eine Hohlraumbearbeitungsschicht 22. Typischerweise wird die optische Verlustunterdrückungsschicht 21 auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 gebildet und die Hohlraumbearbeitungsschicht 22 wird auf dem Trägersubstrat 30 gebildet. Typischerweise werden, wie in 6 dargestellt, die optische Verlustunterdrückungsschicht 21 eines Laminats, das die optische Verlustunterdrückungsschicht 21 und das elektro-optische Kristallsubstrat 10 enthält, und die Hohlraumbearbeitungsschicht 22 eines Laminats, das die Hohlraumbearbeitungsschicht 22 und das Trägersubstrat 30 enthält, direkt miteinander verbunden, um eine laminierte Struktur aus der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 und der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 zu bilden. Die Anwendung der laminierten Struktur der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 und der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 kann eine Beschädigung einer elektro-optischen Kristallschicht aufgrund des Ätzens der Hohlraumbearbeitungsschicht unterdrücken und/oder verhindern, dass die Löcher die Hohlraumbearbeitungsschicht durchdringen, um das Trägersubstrat zum Zeitpunkt der Herstellung einer photonischen Kristallstruktur zu erzielen. Darüber hinaus kann der Einsatz verhindern, dass ein unähnliches Element in das elektro-optische Kristallsubstrat diffundiert, wenn ein Verfahren, wie etwa das Verbinden oder Ätzen, stattfindet.
7 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Verbundsubstrat 100d des dargestellten Beispiels sind die Überzugsschicht 50 und die Verbindungsschicht 60 zwischen der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 und der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 angeordnet. Die Überzugsschicht 50 und die Verbindungsschicht 60 sind wahlweise Schichten, die nach Bedarf angeordnet werden können, und mindestens eine der Schichten kann weggelassen werden. In der Ausführungsform des dargestellten Beispiels kann in vielen Fällen nur die Verbindungsschicht 60 angeordnet sein. Die Verbindungsschicht 60 kann direkt mit der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 und/oder einer der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 gegenüberliegenden benachbarten Schicht (im dargestellten Beispiel die Überzugsschicht 50 oder die optische Verlustunterdrückungsschicht 21) verbunden sein. Wie in der vorgenannten Ausführungsform kann das Folgende ausgeführt werden: die Verbindungsschicht ist auf jeder der miteinander zu verbindenden Schichten (im dargestellten Beispiel die Hohlraumbearbeitungsschicht 22 und die Überzugsschicht 50 oder die optische Verlustunterdrückungsschicht 21) angeordnet und die jeweiligen Verbindungsschichten werden direkt miteinander verbunden.
8 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Verbundsubstrat 100e des dargestellten Beispiels ist die Opferschicht 70 in der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 ausgebildet. Wenn die laminierte Struktur der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 und der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 angenommen wird und die Opferschicht 70 in der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 gebildet wird, besteht ein Vorteil darin, dass der Hohlraum an einer bestimmten Position und in einer bestimmten Form gebildet werden kann. In der Ausführungsform des dargestellten Beispiels kann die Verbindungsschicht 60 je nach Bedarf zwischen der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 und der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 (der Opferschicht 70) oder zwischen der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 (der Opferschicht 70) und dem Trägersubstrat 30 weiter angeordnet sein. Wie bei der vorstehend erwähnten Ausführungsform kann die Verbindungsschicht 60 wie folgt verbunden werden: die Verbindungsschicht wird direkt mit mindestens einer benachbarten Schicht verbunden oder die Verbindungsschicht wird auf jeder der miteinander zu verbindenden Schichten angeordnet und die jeweiligen Verbindungsschichten werden direkt miteinander verbunden.
9 ist eine schematische Schnittansicht eines Verbundsubstrats gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Verbundsubstrat 100f des dargestellten Beispiels ist die Opferschicht 70 in der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 ausgebildet. In dem Verbundsubstrat 100f können die Hohlraumbearbeitungsschicht 22 und das Trägersubstrat 30 direkt miteinander verbunden sein. Wenn die laminierte Struktur der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 und der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 angenommen wird und die Opferschicht 70 in der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 gebildet wird, besteht der Vorteil darin, dass der Hohlraum an einer bestimmten Position und in einer bestimmten Form gebildet werden kann. Die Struktur ist effektiv, wenn die Strukturierung auf der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 schwierig ist. In der Ausführungsform des dargestellten Beispiels kann die Überzugsschicht 50 und/oder die Verbindungsschicht 60 je nach Bedarf zwischen der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 (der Opferschicht 70) und der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 oder zwischen der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 und dem Trägersubstrat 30 angeordnet sein.
Die vorstehend erwähnten Ausführungsformen können je nach Zweck angemessen kombiniert werden. Außerdem/alternativ können die Ausführungsformen den in der Technik bekannten Änderungen unterzogen werden.
A-2. Elektro-optisches Kristallsubstrat
Das elektro-optische Kristallsubstrat 10 hat eine nach außen gerichtete obere Oberfläche und eine im Verbundsubstrat liegende untere Oberfläche. Bei der vorliegenden Erfindung dient ein Teil oder die Gesamtheit des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 als Lichtwellenleiter für die Ausbreitung von Licht in einem photonischen Kristallelement, das aus dem Verbundsubstrat hergestellt werden soll. Das elektro-optische Kristallsubstrat 10 wird aus einem Kristall eines Materials mit elektrooptischem Effekt gebildet. Insbesondere kann die optische Konstante (z.B. der Brechungsindex) des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 geändert werden, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. In einer Ausführungsform kann eine c-Achse des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 parallel zum elektro-optischen Kristallsubstrat 10 verlaufen. Das heißt, das elektro-optische Kristallsubstrat 10 kann ein X-geschnittenes Substrat oder ein Y-geschnittenes Substrat sein. In einer anderen Ausführungsform kann die c-Achse des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 senkrecht zum elektro-optischen Kristallsubstrat 10 verlaufen. Das heißt, das elektro-optische Kristallsubstrat 10 kann ein Z-geschnittenes Substrat sein. Die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 kann in Abhängigkeit von der Frequenz und der Wellenlänge der zu verwendenden elektromagnetischen Welle auf jede geeignete Dicke eingestellt werden. Die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 kann z.B. zwischen 0,1 µm und 10 µm oder z.B. von 0,1 µm bis 3 µm betragen. Wie später beschrieben, wird das Verbundsubstrat durch das Trägersubstrat verstärkt und folglich kann die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats verringert werden.
Als Material zur Bildung des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 kann jedes geeignete Material verwendet werden, solange die in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielten Effekte erhalten werden können. Als ein solches Material wird typischerweise ein Dielektrikum (z.B. Keramik) verwendet. Spezielle Beispiele hierfür beinhalten Lithiumniobat (LiNbO₃:LN), Lithiumtantalat (LiTaO₃:LT), Kaliumtitanatphosphat (KTiOPO₄:KTP), Kaliumlithiumniobat (K_xLi_(1-x)NbO₂:KLM), Kaliumniobat (KNbO₃:KN), Kaliumtantalatniobat (KNb_xTa_(1-x)O₃:KTN) und eine feste Lösung von Lithiumniobat und Lithiumtantalat.
A-3. Trägersubstrat
Das Trägersubstrat 30 hat eine im Verbundsubstrat liegende obere Oberfläche und eine nach außen hin offene untere Oberfläche. Das Trägersubstrat 30 ist so geformt, dass es die Festigkeit des Verbundsubstrats erhöht. Dadurch kann die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats vermindert werden. Als Trägersubstrat 30 kann jede geeignete Konfiguration verwendet werden. Spezielle Beispiele für das Material zur Bildung des Trägersubstrats 30 beinhalten Silizium (Si), Glas, Sialon (Si₃N₄Al₂O₃), Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂, 2Al₂O₃·3SiO₂), Aluminiumnitrid (AIN), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Magnesiumoxid (MgO), Saphir, Quarz, Kristall, Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC) und Galliumoxid (Ga₂O₃). Vorzugsweise sollte der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials, aus dem das Trägersubstrat 30 besteht, dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Materials, aus dem das elektro-optische Kristallsubstrat 10 besteht, so nahe wie möglich sein. Mit einer solchen Konfiguration kann eine thermische Verformung (typischerweise Verzug) des Verbundsubstrats unterdrückt werden. Vorzugsweise liegt der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials zur Bildung des Trägersubstrats 30 in einem Bereich von 50 % bis 150 % in Bezug auf den linearen Ausdehnungskoeffizienten des Materials zur Bildung des elektro-optischen Kristallsubstrats 10. Unter diesem Gesichtspunkt kann das Material des Trägersubstrats dasselbe sein wie das des elektro-optischen Kristallsubstrats 10.
A-4. Optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht
A-4-1. Einzelschicht
Wie vorstehend beschrieben, hat die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht (Einzelschicht) 20 eine optische verlustunterdrückende Funktion, eine hohlraumverarbeitende Funktion und eine Ätzstoppfunktion. Jede geeignete Konfiguration kann als optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht verwendet werden, solange die Konfiguration diese Funktionen aufweist. Beispiele für ein Material zur Bildung der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht (Einzelschicht) beinhalten: Siliziumoxid (SiO₂), amorphes Silizium (a-Si), polykristallines Silizium (d.h. ohne monokristallines Silizium), Molybdän, Aluminiumoxid (Al₂O₃), Verbindungen dieser Materialien und ein Gemisch aus diesen Materialien. Die Dicke der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht (Einzelschicht) beträgt beispielsweise 0,1 µm bis 1,0 µm und liegt beispielsweise von 0,5 µm bis 1,0 µm.
A-4-2. Laminierte Struktur der optischen Verlustunterdrückungsschicht und der Hohlraumbearbeitungsschicht
Wenn die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht die optische Verlustunterdrückungsschicht 21 und die Hohlraumbearbeitungsschicht 22 enthält, kann jede geeignete Konfiguration als optische Verlustunterdrückungsschicht angenommen werden, solange die Konfiguration eine optische Verlustunterdrückungsfunktion aufweist. Beispiele für ein Material zur Bildung der optischen Verlustunterdrückungsschicht beinhalten: amorphes Silizium, polykristallines Silizium (d.h. ohne monokristallines Silizium), Molybdän, Aluminiumoxid, Verbindungen dieser Materialien und ein Gemisch dieser Materialien. Die Dicke der optischen Verlustunterdrückungsschicht liegt beispielsweise von 0,01 µm (10 nm) bis 0,1 µm (100 nm) und beträgt beispielsweise von 0,01 µm (10 nm) bis 0,05 µm (50 nm).
Jede geeignete Konfiguration kann als die Hohlraumbearbeitungsschicht angenommen werden, solange die Konfiguration eine Hohlraumbearbeitungsfunktion und eine Ätzstoppfunktion aufweist. Beispiele für ein Material zur Bildung der Hohlraumbearbeitungsschicht beinhalten: Siliziumoxid, amorphes Silizium, polykristallines Silizium, monokristallines Silizium, Molybdän, Aluminiumoxid, Verbindungen dieser Materialien und ein Gemisch dieser Materialien. Die Dicke der Hohlraumbearbeitungsschicht beträgt beispielsweise 0,1 µm bis 1,0 µm und liegt beispielsweise von 0,3 µm bis 0,7 µm.
A-5. Ablösungsverhinderungsschicht
Wie vorstehend beschrieben, ist die Ablösungsverhinderungsschicht 40 so angeordnet, dass sie das Ablösen zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 und der angrenzenden Schicht (typischerweise die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20) verhindert oder unterdrückt. Jede geeignete Konfiguration kann als Ablösungsverhinderungsschicht in Übereinstimmung mit den Konfigurationen des elektro-optischen Kristallsubstrats und der angrenzenden Schicht verwendet werden. Beispiele für ein Material zur Bildung der Ablösungsverhinderungsschicht beinhalten amorphes Silizium, Tantaloxid (Ta₂O₅), Nioboxid (Nb₂O₅), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid und Hafniumoxid (HfO₂). Die Dicke der Ablösungsverhinderungsschicht liegt beispielsweise von 0,01 µm bis 0,1 µm.
A-6. Überzugsschicht
Wie vorstehend beschrieben, ist die Überzugsschicht 50 so angeordnet, dass sie die Unebenheiten ausgleicht, wenn die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 Unebenheiten aufweist. Jede geeignete Konfiguration kann als Überzugsschicht in Übereinstimmung mit dem Zweck und der Konfiguration der angrenzenden Schicht (z.B. der Opferschicht) verwendet werden. Beispiele für ein Material zur Bildung der Überzugsschicht beinhalten amorphes Silizium, Nioboxid, Tantaloxid, Siliziumoxid, Titanoxid, Aluminiumoxid und Hafniumoxid. Die Dicke der Überzugsschicht beträgt zum Beispiel 0,01 µm bis 1 µm.
A-7. Verbindungsschicht
Wie vorstehend beschrieben, ist die Verbindungsschicht 60 so angeordnet, dass eine starke Integration des elektro-optischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats erreicht wird, indem die Verbindungsfestigkeit dazwischen verbessert wird. Jede geeignete Konfiguration kann als Verbindungsschicht in Übereinstimmung mit den Konfigurationen der Substrate oder der miteinander zu verbindenden Schichten angenommen werden. Beispiele für ein Material zur Bildung der Verbindungsschicht beinhalten Siliziumoxid, amorphes Silizium, Tantaloxid, Aluminiumoxid (Al₂O₃), Hafniumoxid (HfO₂), eine Cr/Au-Legierung und eine Cr/Cu-Legierung. Die Dicke der Verbindungsschicht beträgt z.B. 0,01 µm bis 0,1 µm und liegt z.B. von 0,01 µm und 0,05 µm.
A-8. Opferschicht
Wie vorstehend beschrieben, ist die Opferschicht 70 so angeordnet, dass sie den Hohlraum an einer bestimmten Stelle und in einer bestimmten Form bildet. Jede geeignete Konfiguration kann als Opferschicht in Übereinstimmung mit dem Zweck verwendet werden. Beispiele für ein Material zur Bildung der Opferschicht beinhalten: amorphes Silizium, Silizium, Molybdän, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Verbindungen dieser Materialien und ein Gemisch dieser Materialien. Die Dicke der Opferschicht liegt beispielsweise von 0,1 µm bis 1,0 µm und beträgt beispielsweise von 0,2 µm bis 0,7 µm.
B. Photonisches Kristallelement
B-1. Konfiguration des photonischen Kristallelements
10 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines photonischen Kristallelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein photonisches Kristallelement 200 des dargestellten Beispiels ist: eine photonische Kristallschicht 10a, die durch periodische Bildung von Löchern 12 in dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 erhalten wird; ein Verbindungsabschnitt 20a, der unter der photonischen Kristallschicht 10a angeordnet ist, wobei der Verbindungsabschnitt 20a so konfiguriert ist, dass er die photonische Kristallschicht 10a und das Trägersubstrat 30 miteinander integriert; und ein Hohlraum 80, der durch eine untere Oberfläche der photonischen Kristallschicht 10a, eine obere Oberfläche 30 des Trägersubstrats und eine innere Seitenoberfläche des Verbindungsabschnitts 20a definiert ist. Der Hohlraum 80 wird durch Entfernen der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht des im Abschnitt A beschriebenen Verbundsubstrats durch Ätzen gebildet und der Verbindungsabschnitt 20a wird durch den Rest der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht gebildet.
Ein photonischer Kristall zur Bildung der photonischen Kristallschicht 10a ist ein mehrdimensionaler periodischer Strukturkörper, der durch die Anordnung eines Mediums mit einem großen Brechungsindex und eines Mediums mit einem kleinen Brechungsindex in einer Periode, die mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar ist, gebildet wird und die Bandstruktur des Lichts ähnlich der Bandstruktur eines Elektrons aufweist. Dementsprechend kann eine geeignete Gestaltung der periodischen Struktur ein verbotenes Band (photonische Bandlücke) für ein bestimmtes Licht ausdrücken. Ein photonischer Kristall mit einem verbotenen Band funktioniert als ein Gegenstand, der Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge weder reflektiert noch durchlässt. Die Einführung eines Liniendefekts, der die Periodizität stört, in den photonischen Kristall mit einer photonischen Bandlücke führt zur Bildung eines Wellenleitermodes in der Frequenzregion der Bandlücke und kann daher einen Lichtwellenleiter ergeben, der Licht mit geringem Verlust überträgt.
Der photonische Kristall des gezeigten Beispiels ist ein sogenannter zweidimensionaler photonischer Slab-Kristall. Der zweidimensionale photonische Slab-Kristall betrifft einen photonischen Kristall, der erhalten wird durch: Anordnen von kreisförmigen säulenförmigen oder polygonalen säulenförmigen Säulen mit niedrigem Brechungsindex, die jeweils einen niedrigeren Brechungsindex als der Brechungsindex des Materials aufweisen, auf einem dünnen Plattenslab aus einem dielektrischen Material oder einem Halbleiter, um den dünnen Plattenslab in geeigneten zweckmäßigen zweidimensionalen periodischen Intervallen und einer gewünschten photonischen Bandlücke zu bilden; und Anordnen der oberen und unteren Abschnitte des dünnen Plattenslabs zwischen einer oberen und einer unteren Hülle, die jeweils einen niedrigeren Brechungsindex als den des dünnen Plattenslabs aufweisen. Im dargestellten Beispiel fungieren die Löcher 12 als Säulen mit niedrigem Brechungsindex, ein Abschnitt 14 zwischen den Löchern 12, 12 des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 fungiert als Abschnitt mit hohem Brechungsindex, der Hohlraum 80 fungiert als untere Hülle und eine äußere Umgebung (Luftabschnitt) über dem photonischen Kristallelement 200 fungiert als obere Hülle. Ein Abschnitt in dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10, in dem das periodische Muster der Löcher 12 nicht ausgebildet ist, dient als Liniendefekt und der Liniendefektabschnitt bildet einen Lichtwellenleiter 16.
Wie vorstehend beschrieben, können die Löcher 12 als periodisches Muster ausgebildet sein. Die Löcher 12 sind typischerweise so angeordnet, dass sie regelmäßige Gitter bilden. Jede geeignete Form kann als Form eines jeden Gitters angenommen werden, solange eine vorbestimmte photonische Bandlücke erreicht werden kann. Typische Beispiele hierfür sind ein Dreiecksgitter und ein quadratisches Gitter. In einer Ausführungsform können die Löcher 12 Durchgangslöcher sein. Die Durchgangslöcher sind einfach zu formen und ihre Brechungsindizes lassen sich daher leicht anpassen. Als Grundrissform der Löcher (Durchgangslöcher) kann jede geeignete Form gewählt werden. Spezielle Beispiele hierfür sind gleichseitige Vielecke (z.B. ein gleichseitiges Dreieck, ein Quadrat, ein gleichseitiges Fünfeck, ein gleichseitiges Sechseck und ein gleichseitiges Achteck), eine im Wesentlichen kreisförmige Form und eine elliptische Form. Von diesen wird eine im Wesentlichen kreisförmige Form bevorzugt. Das Verhältnis des langen Durchmessers der im Wesentlichen kreisförmigen Form zu ihrem kurzen Durchmesser liegt vorzugsweise von 0,90 bis 1,10, bevorzugter von 0,95 bis 1,05. Wie vorstehend beschrieben, können die Durchgangslöcher 12 Säulen mit niedrigem Brechungsindex sein (säulenförmige Abschnitte, die jeweils ein Material mit niedrigem Brechungsindex enthalten). Die Durchgangslöcher sind jedoch einfacher zu bilden und die Durchgangslöcher enthalten jeweils Luft mit dem niedrigsten Brechungsindex. Dementsprechend kann der Unterschied im Brechungsindex zwischen jedem der Durchgangslöcher und dem Lichtwellenleiter vergrößert werden. Darüber hinaus können sich einige der Lochdurchmesser von den anderen Lochdurchmessern unterscheiden.
Das Gittermuster der Löcher kann je nach Zweck und gewünschter photonischer Bandlücke entsprechend eingestellt werden. Im dargestellten Beispiel bilden die Löcher mit einem Durchmesser d1 quadratische Gitter mit einer Periode P. Die quadratischen Gittermuster werden auf beiden Seiten des photonischen Kristallelements gebildet und der Lichtwellenleiter 16 wird in seinem zentralen Abschnitt gebildet, wo kein Gittermuster gebildet wird. Die Breite des Lichtwellenleiters 16 kann beispielsweise von 1,01 P bis 3P (2P im dargestellten Beispiel) in Bezug auf die Lochperiode P betragen. Die Anzahl der Lochreihen (nachstehend manchmal als „Gitterreihen“ bezeichnet) in Lichtwellenleiterrichtung kann von 3 bis 10 (5 im dargestellten Beispiel) auf jeder Seite des Lichtwellenleiters betragen. Die Lochperiode P kann beispielsweise der folgenden Beziehung entsprechen: $(1 / 7) \times (λ/ n) \leq P \leq 1,4 \times (λ/ n)$
wobei λ für die Wellenlänge (nm) des in den Lichtwellenleiter einzuleitenden Lichts und „n“ für den Brechungsindex des elektro-optischen Kristallsubstrats steht. Die Lochperiode P kann insbesondere von 0,1 µm bis 1 µm liegen. In einer Ausführungsform kann die Lochperiode P gleich der Dicke der photonischen Kristallschicht (elektro-optisches Kristallsubstrat) sein. Der Durchmesser d1 jedes der Löcher kann beispielsweise von 0,1 P bis 0,9P in Bezug auf die Lochperiode P liegen. Wenn der Durchmesser d1 jedes der Löcher, die Lochperiode P, die Anzahl der Gitterreihen, die Anzahl der Löcher in einer Gitterreihe, die Dicke der photonischen Kristallschicht, das Bestandteilsmaterial (im Wesentlichen der Brechungsindex) des elektro-optischen Kristallsubstrats, die Breite des Liniendefektabschnitts, die Breite und Höhe des später zu beschreibenden Hohlraums und dergleichen durch geeignete Kombination miteinander eingestellt werden, kann die gewünschte photonische Bandlücke erhalten werden. Darüber hinaus kann derselbe Effekt für eine elektromagnetische Welle außer einer Lichtwelle erzielt werden. Spezielle Beispiele für elektromagnetische Wellen sind Millimeterwellen, Mikrowellen und Terahertz-Wellen.
Wie vorstehend beschrieben, wird der Hohlraum 80 durch Entfernen der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 des Verbundsubstrats durch Ätzen gebildet und kann als untere Umhüllung fungieren. Die Breite des Hohlraums ist vorzugsweise größer als die Breite des Lichtwellenleiters. Der Hohlraum 80 kann sich zum Beispiel bis zur dritten Gitterreihe des Lichtwellenleiters 16 erstrecken. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich der Hohlraum 80 bis zur dritten Gitterreihe des Lichtwellenleiters 16. Das Licht breitet sich im Lichtwellenleiter aus und ein Teil der Lichtenergie kann bis zur Gitterreihe in der Nähe des Lichtwellenleiters diffundieren. Dementsprechend kann die Anordnung des Hohlraums direkt unter einer solchen Gitterreihe einen Ausbreitungsverlust aufgrund von Streulicht unterdrücken. Unter diesem Gesichtspunkt kann der Hohlraum über die gesamte Region eines lochförmigen Abschnitts gebildet werden. Die Höhe des Hohlraums beträgt vorzugsweise 0,1 µm oder mehr und bevorzugter 1/5 oder mehr der Wellenlänge des sich darin ausbreitenden Lichts. Eine solche Höhe bewirkt, dass der dünne Plattenslab wie ein photonischer Kristall funktioniert und somit ein Lichtwellenleiter mit höherer Wellenlängenselektivität und geringerem Verlust erreicht werden kann. Die Höhe des Hohlraums kann durch Einstellung der Dicke eines Bestandteils (Schicht) außer dem elektro-optischen Kristallsubstrat und dem Trägersubstrat in dem Verbundsubstrat gesteuert werden.
In einer Ausführungsform kann in der photonischen Kristallschicht 10a ein Durchgangsloch 90 zum Ätzen ausgebildet werden. Die Bildung des Durchgangslochs 90 zum Ätzen ermöglicht es einem Ätzmittel, die Gesamtheit einer zu ätzenden Region zufriedenstellend zu durchdringen. Infolgedessen kann ein gewünschter Hohlraum präziser geformt werden. Obwohl in dem dargestellten Beispiel nur ein einziges Durchgangsloch zum Ätzen ausgebildet ist, können auch mehrere (z.B. 2, 3 oder 4) Durchgangslöcher zum Ätzen ausgebildet werden. Das Durchgangsloch für das Ätzen wird beispielsweise an einer Position gebildet, die 3 oder mehr Gitterreihen vom Lichtwellenleiter entfernt ist. Eine solche Anordnung ermöglicht es dem Ätzmittel, die gesamte zu ätzende Region in zufriedenstellender Weise zu durchdringen, ohne die photonische Bandlücke des photonischen Kristalls nachteilig zu beeinflussen. Das Durchgangsloch zum Ätzen kann beispielsweise auch auf der Seite des Eingangsabschnitts und/oder auf der Seite des Ausgangsabschnitts (d.h. eines Eckabschnitts der photonischen Kristallschicht) des Endabschnitts des Gittermusters gegenüber dem Lichtwellenleiter gebildet werden. Eine solche Konfiguration kann nachteilige Auswirkungen auf die photonische Bandlücke besser verhindern. Wenn zum Beispiel 4 Durchgangslöcher für das Ätzen gebildet werden, können die Durchgangslöcher an den 4 Ecken der photonischen Kristallschicht gebildet werden. Die Größe des Durchgangslochs 90 zum Ätzen ist in der Regel größer als die Größe der einzelnen Löcher 12. Zum Beispiel ist der Durchmesser d2 des Durchgangslochs zum Ätzen vorzugsweise 5 oder mehr Mal, bevorzugter 50 oder mehr Mal, noch bevorzugter 100 oder mehr Mal so groß wie der Durchmesser d1 jedes der Löcher. Indes ist d2 vorzugsweise 1000 Mal oder weniger so groß wie d1. Wenn d2 zu klein ist, kann das Ätzmittel die gesamte zu ätzende Region nicht ausreichend durchdringen. Wenn d2 zu groß ist, kann die photonische Bandlücke negativ beeinflusst werden.
B-2. Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristallelements
Ein typisches Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristallelements wird einfach unter Bezugnahme auf die 11 bis 13 beschrieben. 11(a) bis 11(c) sind schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung des photonischen Kristallelements aus einem Verbundsubstrat. Bei diesem Beispiel handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung des photonischen Kristallelements aus einem solchen Verbundsubstrat, das dem in 11(a) dargestellten Verbundsubstrat aus 4 ähnelt. Das Verbundsubstrat unterscheidet sich von dem Verbundsubstrat aus 4 dadurch, dass die Verbindungsschicht 60 weiter zwischen der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht 20 (der Opferschicht 70) und dem Trägersubstrat 30 angeordnet ist. Zunächst werden, wie in 11(b) dargestellt, die Löcher 12 in dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 durch Ätzen durch eine vorbestimmte Maske gebildet. Das Ätzen erfolgt in der Regel durch Trockenätzen (z.B. reaktives lonenätzen). Die Löcher 12 können z.B. in einem Muster wie in 10 dargestellt gebildet werden. In den Zeichnungen wird die Bildung des Durchgangslochs zum Ätzen weggelassen. Als Nächstes wird die Opferschicht 70 geätzt, indem das Verbundsubstrat, in dem die Löcher im elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet sind, mit einem vorbestimmten Ätzmittel in Kontakt gebracht wird (z.B. durch Eintauchen des Verbundsubstrats in dieses). Infolgedessen wird, wie in 11(c) dargestellt, der Hohlraum 80 gebildet und somit das photonische Kristallelement erhalten. Wenn die Maske für das Ätzen zum Zeitpunkt der Bildung der Löcher und die Opferschicht aus demselben Material bestehen, können die Rückstände der Maske und der Opferschicht gleichzeitig durch einen Kontakt (z.B. durch Eintauchen) entfernt werden.
12(a) bis 12(d) sind schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung eines weiteren Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristallelements aus einem Verbundsubstrat. Bei diesem Beispiel handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung des photonischen Kristallelements aus einem solchen Verbundsubstrat, das dem Verbundsubstrat aus 5, wie in 12(a) dargestellt, ähnlich ist. Das Verbundsubstrat unterscheidet sich von dem Verbundsubstrat aus 5 dadurch, dass die Verbindungsschicht 60 weiter zwischen der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 und der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 angeordnet ist. Zunächst werden, wie in 12(b) dargestellt, die Löcher 12 in dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10, der optischen Verlustunterdrückungsschicht 21 und der Verbindungsschicht 60 durch Trockenätzen (z.B. reaktives lonenätzen) durch eine vorbestimmte Maske gebildet. Als Nächstes wird, wie in 12(c) dargestellt, ein vorbestimmter Abschnitt der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 durch Nassätzen (z.B. Eintauchen in ein Ätzmittel) entfernt. Schließlich werden, wie in 12(d) dargestellt, die verbleibende optische Verlustunterdrückungsschicht 21 und die Verbindungsschicht 60 durch Nassätzen (z.B. durch Eintauchen in ein Ätzmittel) entfernt. Dadurch wird der Hohlraum 80 gebildet und das photonische Kristallelement erhalten.
13(a) bis 13(d) sind schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung eines weiteren Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung eines photonischen Kristallelements aus einem Verbundsubstrat. Bei diesem Beispiel handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung des photonischen Kristallelements aus einem solchen Verbundsubstrat, das dem Verbundsubstrat von 9, wie in 13(a) dargestellt, ähnlich ist. Das Verbundsubstrat unterscheidet sich von dem Verbundsubstrat aus 9 dadurch, dass die Verbindungsschicht 60 weiter zwischen der Hohlraumbearbeitungsschicht 22 und dem Trägersubstrat 30 angeordnet ist. Zunächst werden, wie in 13(b) dargestellt, die Löcher 12 in dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 durch Trockenätzen (z.B. reaktives lonenätzen) durch eine vorbestimmte Maske gebildet. Als Nächstes wird, wie in 13(c) dargestellt, die Opferschicht 70 durch Nassätzen (z.B. durch Eintauchen in ein Ätzmittel) entfernt. Anschließend wird, wie in 13(d) dargestellt, die Hohlraumbearbeitungsschicht 22 durch Nassätzen (z.B. Eintauchen in ein Ätzmittel) entfernt. Infolgedessen wird der Hohlraum 80 gebildet und somit das photonische Kristallelement erhalten. Wenn die Opferschicht und die Hohlraumbearbeitungsschicht aus demselben Material bestehen, können die Rückstände der Opferschicht und der Hohlraumbearbeitungsschicht gleichzeitig durch einen Kontakt (z.B. Eintauchen) entfernt werden.
Es versteht sich von selbst, dass für die Herstellung des photonischen Kristallelements auch ein anderes Verfahren als das in den dargestellten Beispielen angewandt werden kann. Wenn die Gesamtkonfiguration des Verbundsubstrats, die konstituierenden Materialien der jeweiligen Schichten des Verbundsubstrats, die Maske, ein Ätzmodus und dergleichen in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden, können die Löcher und der Hohlraum durch ein effizientes Verfahren und mit hoher Genauigkeit gebildet werden und somit kann das photonische Kristallelement hergestellt werden.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird nun speziell anhand von Beispielen beschrieben. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
<Beispiel 1>
1. Herstellung eines Verbundsubstrats für photonische Kristallelemente
Ein X-geschnittenes Lithiumniobat-Substrat mit einem Durchmesser von 4 Inch wurde als elektro-optisches Kristallsubstrat hergestellt und ein Siliziumsubstrat mit einem Durchmesser von 4 Inch wurde als Trägersubstrat hergestellt. Zunächst wurde amorphes Silizium (a-Si) auf das elektro-optische Kristallsubstrat gesputtert, um eine optische Verlustunterdrückungsschicht mit einer Dicke von 20 nm zu bilden. Indes wurde Siliziumoxid auf das Trägersubstrat gesputtert, um eine Hohlraumbearbeitungsschicht mit einer Dicke von 0,5 µm zu bilden, und a-Si wurde auf die Hohlraumbearbeitungsschicht gesputtert, um eine Verbindungsschicht mit einer Dicke von 20 nm zu bilden. Als Nächstes wurde die Oberfläche sowohl der optischen Verlustunterdrückungsschicht als auch der Verbindungsschicht einem CMP-Polieren unterzogen, so dass die arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra der Oberfläche sowohl der optischen Verlustunterdrückungsschicht als auch der Verbindungsschicht auf 0,3 nm oder weniger eingestellt wurde. Anschließend wurden die Oberflächen der optischen Verlustunterdrückungsschicht und der Verbindungsschicht gewaschen und dann wurden die optische Verlustunterdrückungsschicht und die Verbindungsschicht direkt miteinander verbunden, um das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat miteinander zu verbinden. Die direkte Verbindung wurde wie nachstehend beschrieben durchgeführt. In einem Vakuum in der Größenordnung von 10^-6 Pa wurden die Verbindungsoberflächen des elektro-optischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats (die Oberflächen der optischen Verlustunterdrückungsschicht und der Verbindungsschicht) 70 Sekunden lang mit Hochgeschwindigkeits-Ar-Neutralatomstrahlen (Beschleunigungsspannung: 1 kV, Ar-Durchflussrate: 60 sccm) bestrahlt. Nach der Bestrahlung wurden das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat 10 Minuten lang zum Abkühlen stehen gelassen und dann wurden die Verbindungsoberflächen des elektro-optischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats miteinander in Kontakt gebracht, anschließend 2 Minuten lang mit einem Druck von 4,90 kN beaufschlagt. So wurden das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat miteinander verbunden. Nach dem Zusammenfügen wurde poliert, bis die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats 0,5 µm betrug. Auf diese Weise wurde ein Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement ähnlich dem in 5 erhalten (vorausgesetzt, dass die Verbindungsschicht zwischen der optischen Verlustunterdrückungsschicht und der Hohlraumbearbeitungsschicht vorhanden war). In dem resultierenden Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement wurde kein Versagen, wie z.B. ein Ablösen, an einer Verbindungsschnittstelle beobachtet.
2. Herstellung des photonischen Kristallelements
Ein photonisches Kristallelement wurde aus dem Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement hergestellt, das im Vorstehenden durch ein Verfahren hergestellt wurde, das dem in 12 dargestellten Herstellungsverfahren entspricht. Im Einzelnen wurde das photonische Kristallelement durch das folgende Verfahren hergestellt. Zunächst wurde Molybdän (Mo) zu einem Film geformt, der als Metallmaske auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat dient. Anschließend wurde auf der Metallmaske durch ein Nanoimprint-Verfahren ein Harzmuster mit Löchern in einer vorgegebenen Anordnung gebildet. Insbesondere wurden 10 Gitterreihen mit Löchern, die jeweils einen Durchmesser von 444 nm bei einer Periode (Abstand) von 550 nm in einer Lichtwellenleiterrichtung und einer Richtung senkrecht zur Lichtwellenleiterrichtung haben, als Lochmuster gebildet, das den Löchern eines photonischen Kristalls auf der linken und der rechten Seite entspricht, wenn der photonische Kristall in Draufsicht betrachtet wird. In der Draufsicht auf den photonischen Kristall wurde im zentralen Abschnitt kein Loch gebildet (der Abschnitt dient schließlich als Lichtwellenleiter). Weiterhin wurden 4 Löcher mit einem Durchmesser von jeweils 200 µm (ein Muster von Durchgangslöchern zum Ätzen) in Eckabschnitten gebildet, wenn der photonische Kristall in Draufsicht betrachtet wurde (die Seiten des Eingangsabschnitts und die Seiten des Ausgangsabschnitts der Endabschnitte der linken und rechten Gitterreihenabschnitte gegenüber dem Abschnitt, der als Lichtwellenleiter dient). Anschließend wurden die den Mustern entsprechenden Löcher in der Mo-Maske durch Ätzen mit einem Mo-Ätzmittel (gemischte Flüssigkeit, die Salpetersäure, Essigsäure und Phosphorsäure in einem Mischungsverhältnis von 10:15:1 enthält) gebildet. Anschließend wurden die Lochmuster und die Durchgangslöcher für das Ätzen durch reaktives lonenätzen auf Fluorbasis durch die mustergeformte Mo-Maske in das Verbundsubstrat eingebracht. Anschließend wurde das Verbundsubstrat in ein gepuffertes Flusssäure-Ätzmittel (BHF) getaucht, so dass die Hohlraumbearbeitungsschicht entfernt wurde. So wurde ein Hohlraum gebildet. Außerdem wurden die Reste der Mo-Maske mit dem Mo-Ätzmittel entfernt. Schließlich wurde das Verbundsubstrat in Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) getaucht, das auf etwa 10 % verdünnt war, so dass die optische Verlustunterdrückungsschicht und die Verbindungsschicht geätzt wurden. Auf diese Weise wurde ein Wafer mit photonischen Kristallen hergestellt. Der resultierende photonische Kristallwafer wurde durch Zerschneiden in Chips zerlegt, um die photonischen Kristallelemente zu erhalten. Die Länge des Lichtwellenleiters jedes photonischen Kristallelements wurde auf 10 mm festgelegt. Nach dem Schneiden der Chips wurden die eingangsseitige Endoberfläche und die ausgangsseitige Endoberfläche des Lichtwellenleiters einer Endoberflächenpolitur unterzogen.
Die so entstandenen photonischen Kristallelemente (Chips) wurden in ihrer Dickenrichtung geschnitten und die Schnitte mit einem Mikroskop betrachtet. Das Ergebnis war, dass sich direkt unter den photonischen Kristallschichten der Chips zufriedenstellend Hohlräume bildeten. Die Ausbeute der Chips, bei denen die Hohlräume wie vorgesehen gebildet werden konnten, betrug 100 %.
Außerdem wurde der optische Ausbreitungsverlust jedes der so entstandenen Chips gemessen. Insbesondere wurde Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm durch eine eingangsseitige halbkugelförmige Faser, die mit einer optischen Faser verbunden ist, in den Chip (im Wesentlichen der Lichtwellenleiter der photonischen Kristallschicht) eingeführt, und die Menge des durch eine ausgangsseitige halbkugelförmige Faser ausgegebenen Lichts wurde mit einem Photodetektor gemessen, gefolgt von der Berechnung eines Ausbreitungsverlusts. Der Ausbreitungsverlust des Lichtwellenleiters betrug 0,5 dB/cm.
<Beispiel 2>
1. Herstellung eines Verbundsubstrats für photonische Kristallelemente
Das gleiche elektro-optische Kristallsubstrat und Trägersubstrat wie in Beispiel 1 wurden hergestellt. Als Nächstes wurde ein Mo-Film (Dicke: 0,5 µm), der als Opferschicht dient, durch Sputtern auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat gebildet. Es heißt, dass Mo nicht in das elektro-optische Kristallsubstrat (Lithiumniobat-Substrat) diffundiert und daher keine optische Verschlechterung des elektro-optischen Kristallsubstrats verursacht. Außerdem wurde die Opferschicht durch Photolithographie strukturiert. Insbesondere wurde der Abschnitt des Mo-Films, der als Opferschicht dient, mit einem Resistmaskenmuster bedeckt und der freiliegende Abschnitt davon wurde mit einem Mo-Ätzmittel entfernt. Anschließend wurde Siliziumoxid auf die Oberfläche gesputtert, auf der das Mo-Muster ausgebildet war, um eine optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht mit einer Dicke von 1 µm zu bilden, und es wurde ein CMP-Polieren durchgeführt, um die arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra der Oberfläche der Schicht auf 0,3 nm oder weniger einzustellen. Weiterhin wurde a-Si auf die Oberfläche der polierten Schicht gesputtert, um eine Verbindungsschicht mit einer Dicke von 20 nm zu bilden, und CMP-Polieren wurde durchgeführt, um die arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra der Oberfläche der Verbindungsschicht auf 0,3 nm oder weniger einzustellen. Anschließend wurden die Oberflächen der Verbindungsschicht und des Trägersubstrats gewaschen und dann wurden die Verbindungsschicht und das Trägersubstrat direkt miteinander verbunden, um das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat miteinander zu integrieren. Die Bedingungen für die direkte Verbindung waren die gleichen wie in Beispiel 1. Nach dem Verbinden wurde poliert, bis die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats 0,5 µm betrug. Auf diese Weise wurde ein Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement ähnlich dem in 4 erhalten (vorausgesetzt, dass die Verbindungsschicht zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat und dem Trägersubstrat vorhanden war). Bei dem resultierenden Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement wurde ein Versagen, wie z.B. ein Ablösen, an einer Verbindungsschnittstelle nicht beobachtet.
2. Herstellung des photonischen Kristallelements
Ein photonisches Kristallelement wurde aus dem Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement hergestellt, das im Vorstehenden durch ein Verfahren hergestellt wurde, das dem in 11 dargestellten Herstellungsverfahren entspricht. Im Einzelnen wurde das photonische Kristallelement durch das folgende Verfahren hergestellt. Zunächst wurden Lochmuster und Durchgangslöcher zum Ätzen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Anschließend wurde das Verbundsubstrat in ein Mo-Ätzmittel getaucht, so dass die Reste der Mo-Maske und der Opferschicht geätzt wurden. Auf diese Weise wurde ein Wafer mit photonischen Kristallen hergestellt. Der resultierende photonische Kristall-Wafer wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 in Chips geschnitten, um die photonischen Kristallelemente zu erhalten. Die Lichtwellenleiterlänge jedes der photonischen Kristallelemente wurde wie in Beispiel 1 auf 10 mm festgelegt. Nach dem Schneiden der Chips wurde die Endoberfläche auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 poliert.
Die resultierenden photonischen Kristallelemente (Chips) wurden der gleichen Bewertung wie in Beispiel 1 unterzogen. Als Ergebnis wurden Hohlräume direkt unter den photonischen Kristallschichten der Chips in zufriedenstellender Weise gebildet und die Ausbeute der Chips, deren Hohlräume wie vorgesehen gebildet werden konnten, betrug 100 %. Außerdem betrug der Ausbreitungsverlust des Lichtwellenleiters jedes der resultierenden Chips 0,5 dB/cm.
<Beispiel 3>
1. Herstellung eines Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement
Das gleiche elektro-optische Kristallsubstrat und Trägersubstrat wie in Beispiel 1 wurden hergestellt. Anschließend wurde ein Mo-Film (Dicke: 0,215 µm), der als optische Verlustunterdrückungsschicht dient, durch Sputtern auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat gebildet. Weiterhin wurde die optische Verlustunterdrückungsschicht durch Photolithographie strukturiert. Insbesondere wurde der Abschnitt des Mo-Films, der als optische Verlustunterdrückungsschicht dient, mit einem Resistmaskenmuster bedeckt und der freiliegende Abschnitt davon wurde mit einem Mo-Ätzmittel entfernt. Als Nächstes wurde Siliziumoxid auf die Oberfläche gesputtert, auf der das Mo-Muster ausgebildet war, um eine Opferschicht mit einer Dicke von 0,25 µm zu bilden, und CMP-Polieren wurde durchgeführt, um die arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra der Oberfläche der Opferschicht auf 0,3 nm oder weniger einzustellen. Als Nächstes wurde Siliziumoxid auf die polierte Oberfläche der Opferschicht gesputtert, um eine Hohlraumbearbeitungsschicht mit einer Dicke von 0,5 µm zu bilden, und CMP-Polieren wurde durchgeführt, um die arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra der Oberfläche der Hohlraumbearbeitungsschicht auf 0,3 nm oder weniger einzustellen. Weiterhin wurde a-Si auf die Schicht gesputtert, um eine Verbindungsschicht mit einer Dicke von 20 nm zu bilden, und es wurde ein CMP-Polieren durchgeführt, um die arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra der Oberfläche der Verbindungsschicht auf 0,3 nm oder weniger einzustellen. Das anschließende Verfahren war dasselbe wie das von Beispiel 1. Auf diese Weise wurde ein Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement ähnlich dem in 9 erhalten (vorausgesetzt, dass die Verbindungsschicht zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat und dem Trägersubstrat vorhanden war). In dem resultierenden Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement wurde ein Versagen, wie z.B. ein Ablösen, an einer Verbindungsschnittstelle nicht beobachtet.
2. Herstellung des photonischen Kristallelements
Ein photonisches Kristallelement wurde aus dem Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement hergestellt, das im Vorstehenden durch ein Verfahren hergestellt wurde, das dem in 13 dargestellten Herstellungsverfahren entspricht. Insbesondere wurde das photonische Kristallelement durch das folgende Verfahren hergestellt. Zunächst wurden Lochmuster und Durchgangslöcher zum Ätzen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Anschließend wurde das Verbundsubstrat in ein Mo-Ätzmittel getaucht, so dass der Rückstand der Mo-Maske geätzt wurde. Anschließend wurde das Verbundsubstrat in ein BHF-Ätzmittel getaucht, so dass die Opferschicht und die Hohlraumbearbeitungsschicht entfernt wurden. Auf diese Weise wurde ein Hohlraum gebildet und als Ergebnis wurde ein photonischer Kristallwafer hergestellt. Der so entstandene photonische Kristallwafer wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 in Chips geschnitten, um die photonischen Kristallelemente zu erhalten. Die Lichtwellenleiterlänge jedes der photonischen Kristallelemente wurde wie in Beispiel 1 auf 10 mm festgelegt. Nach dem Schneiden der Chips wurde die Endoberfläche auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 poliert.
Die resultierenden photonischen Kristallelemente (Chips) wurden der gleichen Bewertung wie in Beispiel 1 unterzogen. Als Ergebnis wurden Hohlräume direkt unter den photonischen Kristallschichten der Chips in zufriedenstellender Weise gebildet und die Ausbeute der Chips, deren Hohlräume wie vorgesehen gebildet werden konnten, betrug 100 %. Außerdem betrug der Ausbreitungsverlust des Lichtwellenleiters jedes der resultierenden Chips 0,5 dB/cm.
<Beispiel 4>
Ein Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass kein Durchgangsloch zum Ätzen gebildet wurde, und ein photonischer Kristallwafer und photonische Kristallelemente (Chips) wurden aus dem Verbundsubstrat hergestellt. Die resultierenden photonischen Kristallelemente (Chips) wurden der gleichen Bewertung wie in Beispiel 1 unterzogen. Als Ergebnis wurden Chips gefunden, in denen sich nicht direkt unter den photonischen Kristallschichten Hohlräume gebildet hatten. Die Ausbeute der Chips, bei denen die Kavitäten wie vorgesehen gebildet werden konnten, betrug etwa 50 %. Weiterhin betrug der Ausbreitungsverlust des Lichtwellenleiters jedes der Chips, in denen Hohlräume gebildet wurden, 0,5 dB/cm, aber der Ausbreitungsverlust des Lichtwellenleiters jedes der Chips, in denen keine Hohlräume gebildet wurden, betrug 2 dB/cm oder mehr.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Verbundsubstrat gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in geeigneter Weise in einem photonischen Kristallelement verwendet werden. Das photonische Kristallelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in einer breiten Vielzahl von Gebieten verwendet werden, einschließlich eines Lichtwellenleiters, der nächsten Generation der Hochgeschwindigkeitskommunikation, eines Sensors, der Laserverarbeitung und der photovoltaischen Energieerzeugung.
Bezugszeichenliste

10: elektro-optisches Kristallsubstrat
12: Loch
14: dünnes Plattenslab
16: Lichtwellenleiter
20: optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht
21: optische Verlustunterdrückungsschicht
22: Hohlraumbearbeitungsschicht
30: Trägersubstrat
40: Ablösungsverhinderungsschicht
50: Überzugsschicht
60: Verbindungsschicht
70: Opferschicht
80: Hohlraum
90: Durchgangsloch zum Ätzen
100: Verbundsubstrat für photonisches Kristallelement
100a: Verbundsubstrat für photonisches Kristallelement
100b: Verbundsubstrat für photonisches Kristallelement
100c: Verbundsubstrat für photonisches Kristallelement
100d: Verbundsubstrat für photonisches Kristallelement
100e: Verbundsubstrat für photonisches Kristallelement
100f: Verbundsubstrat für photonisches Kristallelement
200: photonisches Kristallelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 6650551 B1 [0005]

Claims

Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement, umfassend: ein elektro-optisches Kristallsubstrat mit einem elektro-optischen Effekt; eine optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht, die auf einer Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats angeordnet ist; und ein Trägersubstrat, das mit dem elektro-optischen Kristallsubstrat durch die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht verbunden ist.
Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement nach Anspruch 1, wobei die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht eine Einzelschicht ist.
Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement nach Anspruch 2, weiterhin umfassend eine Ablösungsverhinderungsschicht zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat und der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht.
Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement nach Anspruch 2 oder 3, weiterhin umfassend eine Verbindungsschicht zwischen der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht und dem Trägersubstrat.
Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, weiterhin umfassend eine strukturierte Opferschicht, die in der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht gebildet ist.
Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, weiterhin umfassend eine Überzugsschicht zwischen der optischen Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht und dem Trägersubstrat.
Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement nach Anspruch 1, wobei die optische Verlustunterdrückungs- und Hohlraumbearbeitungsschicht eine optische Verlustunterdrückungsschicht, die auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat angeordnet ist, und eine Hohlraumbearbeitungsschicht, die auf dem Trägersubstrat angeordnet ist, umfasst, und die optische Verlustunterdrückungsschicht und die Hohlraumbearbeitungsschicht direkt miteinander verbunden sind.
Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement nach Anspruch 7, weiterhin umfassend eine Verbindungsschicht zwischen der optischen Verlustunterdrückungsschicht und dem Trägersubstrat.
Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement nach Anspruch 7 oder 8, weiterhin umfassend eine strukturierte Opferschicht, die in der optischen Verlustunterdrückungsschicht oder der Hohlraumbearbeitungsschicht ausgebildet ist.
Verbundsubstrat für ein photonisches Kristallelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, weiterhin umfassend eine Überzugsschicht zwischen der optischen Verlustunterdrückungsschicht und der Hohlraumbearbeitungsschicht.
Photonisches Kristallelement, umfassend: eine photonische Kristallschicht, die durch periodische Bildung von Löchern in einem elektro-optischen Kristallsubstrat erhalten wird; einen Verbindungsabschnitt, der unterhalb der photonischen Kristallschicht angeordnet ist, wobei der Verbindungsabschnitt so konfiguriert ist, dass er die photonische Kristallschicht und ein Trägersubstrat miteinander verbindet; und einen Hohlraum, der durch eine untere Oberfläche der photonischen Kristallschicht, eine obere Oberfläche des Trägersubstrats und den Verbindungsabschnitt definiert ist.
Photonisches Kristallelement unter Verwendung des Verbundsubstrats für ein photonisches Kristallelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das photonische Kristallelement umfasst: eine photonische Kristallschicht, die durch periodische Bildung von Löchern in dem elektro-optischen Kristallsubstrat erhalten wird; einen Verbindungsabschnitt, der unterhalb der photonischen Kristallschicht angeordnet ist, wobei der Verbindungsabschnitt so konfiguriert ist, dass er die photonische Kristallschicht und das Trägersubstrat miteinander verbindet; und einen Hohlraum, der durch eine untere Oberfläche der photonischen Kristallschicht, eine obere Oberfläche des Trägersubstrats und den Verbindungsabschnitt definiert ist.
Photonisches Kristallelement nach Anspruch 11 oder 12, wobei in der photonischen Kristallschicht ein Durchgangsloch zum Ätzen ausgebildet ist.
Photonisches Kristallelement nach Anspruch 13, wobei das Durchgangsloch zum Ätzen eine Größe aufweist, die größer als eine Größe jedes der Löcher ist.