DE69934036T2

DE69934036T2 - Verfahren zum Verarbeiten eines Substrats aus einem ferroelektrischen einkristallinen Material

Info

Publication number: DE69934036T2
Application number: DE69934036T
Authority: DE
Inventors: Makoto Kasugai City Iwai; Tatsuo Motosu-Gun Kawaguchi; Minoru Naka-ku Nagoya City Imaeda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2019-02-18
Also published as: JP3863277B2; EP0936481A2; EP0936481B1; DE69934036D1; US20010031123A1; EP0936481A3; EP1744190A2; US6687448B2; JPH11228294A; EP1744190A3

Description

Hintergrund der Erfindung
(1) Gebiet der Erfindung:
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung eines Substrats, welches aus einem ferroelektrischen Einkristallmaterial besteht, und im Besonderen ein Verfahren zur Verarbeitung eines Substrats aus einem ferroelektrischen Einkristallmaterial, das ein geeignetes Material für eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen (Frequenzverdopplungsvorrichtung) ist, welche den Quasi-Phasenanpassungstyp, einen optischen Modulator, einen optischen Schalter und Ähnliches einsetzt. Diese Erfindung betrifft ebenfalls die Herstellung eines optischen Wellenleiterelements, das ein derartiges Substrat verwendet.
(2) Stand der Technik:
Die Frequenzverdopplungsvorrichtungen (SHG-Vorrichtung), welche den Quasi-Phasenanpassungstyp (QPM-Typ) verwenden, in dem eine periodisch polarisierende Inversionsstruktur auf einem Einzelkristall aus LiNbO₃ oder LiTaO₃ ausgebildet ist wird als Lichtquelle für einen blauen Laser angesehen, der in einem optischen Aufnehmer oder Ähnlichem für optische Plattenspeicher, Arzneimittel, Photochemie und verschiedene optische Messungen eingesetzt wird.
Eine optisch modulierte Vorrichtung, wie etwa ein optischer Modulator, welche ein aus einem Einzelkristall aus LiNbO₃ ausgebildetes, optisches Wellenleiterelement oder einen optischen Schalter verwendet, wird auf dem Gebiet der optischen Kommunikation oder der Informationsverarbeitung eingesetzt.
Die optische Wellenleitervorrichtung, die als SHG-Vorrichtung eingesetzt wird, der optische Modulator und Ähnliches werden im Allgemeinen wie folgt hergestellt.
Ein Substrat eines ferroelektrischen Kristallmaterials, wie etwa LiNbO₃, wird einem Protonenaustausch unterzogen, indem es in eine Benzoesäure-Lösung oder eine Pyrophosphorsäure-Lösung getaucht wird, um ein gewünschtes Protonenausgetauschtes Muster auszubilden, und dann werden die Protonen im Substrat durch Erwärmen auf 300 bis 400°C für 0,1 bis 5 Stunden verteilt, was zur Ausbildung eines optischen Wellenleiters führt.
In einem anderen Verfahren wird ein optischer Wellenleiter durch Dampfabscheidung eines Metalls, wie etwa Ti, auf ein Substrat aus ferroelektrischem Einkristallmaterial, wie etwa LiNbO₃, zur Ausbildung eines Musters und durch Thermodiffusion des Ti-Metalls oder Ähnlichem im Substrat durch Erwärmen auf 900 bis 1100°C für 4 bis 40 Stunden ausgebildet.
Durch diese Verfahren kann jedoch nur schwer ein optischer Wellenleiter mit einer abgestuften Brechungsindexverteilung, welche einen großen optischen Begrenzungseffekt aufweist, ausgebildet werden, so dass es schwierig ist, einen ausreichend großen Kopplungsgrad des Lichtwellenleiters (das Verhältnis der Stärke des Ausgangslichtsignals zum Eingangslichtsignals in einer optischen Wellenleitervorrichtung) zu erzielen. Ferner verschlechterte sich unvorteilhafterweise die Lichtschadwirkungs-Widerstandsfähigkeit oder die optoelektronische Konstante.
In Anbetracht der oben erwähnten Probleme, hat NGK Insulators, Ltd. ein Verfahren zur Herstellung einer neuen, optischen Wellenleitervorrichtung ersonnen, welches zur Verwendung in einer SHG-Vorrichtung oder Ähnlichem geeignet ist, und hat die japanische Patentanmeldung Nr. 9-52,679 eingereicht, in der dieses neue, optische Wellenleiter-Herstellungsverfahren dargelegt ist.
Hierbei handelt es sich um ein Substrat aus ferroelektrischem Einkristallmaterial, wie etwa LiNbO₃, welches einem Protonenaustausch unterzogen wird, indem es in eine Benzoesäure-Lösung oder eine Pyrophosphorsäure-Lösung getaucht wird, wobei ein Protonen-ausgetauschter Abschnitt durch Nassätzen der auf diese Weise erhaltenen Protonen-ausgetauschten Schicht mit einer Flusssäure-Lösung oder einer Salpeter säure-Lösung selektiv entfernt wird, um damit einen vertieften Abschnitt mit einer im Wesentlichen halbkreisförmigen Teilform auszubilden und danach einen ferroelektrischen, optischen Lichtwellenleiter auszuformen und zwar mittels einer Filmbildung durch ein epitaxiales Flüssigphasenverfahren auf dem Substrat, in dem der vertiefte Abschnitt ausgebildet ist.
Wenn jedoch das oben erwähnte Verfahren eingesetzt wird und die Temperatur des Protonenaustauschs höher als 180°C ist, ist eine halbe Öffnungsbreite „r" im vertieften Abschnitt, welcher im ferroelektrischen Substrat ausgebildet ist, größer als die Tiefe „h", wie in 1 dargestellt, wodurch der vertiefte Abschnitt oft eine Form mit einem semielliptischen Querschnitt aufweist, der sich in vertikaler Richtung zum Substrat hin verflacht.
In dieser Beschreibung, wie aus 1 ersichtlich, wird die Bezeichnung „halbe Öffnungsbreite" als halber Wert der Öffnungsbreite des vertieften Abschnitts definiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Durch diese Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Verarbeitung eines Substrats aus ferroelektrischem Einkristallmaterial möglich, um eine konkave Grabenstruktur mit einem vertieften Abschnitt auszubilden, welcher eine Tiefe aufweist, die gleich seiner oder größer als seine halbe Öffnungsbreite ist, so dass die konkave Grabenstruktur zur Ausbildung eines optischen Wellenleiters auf dem Substrat verwendet werden kann, welcher eine abgestufte Brechungsindexverteilung aufweist, die wiederum über einen großen optischen Eingrenzungseffekt verfügt. Die Erfindung umfasst im weitesten Sinne ein verbessertes Verfahren zur Ausbildung eines Substrats des spezifizierten Typs.
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung eines Substrats bestehend aus einem ferroelektrischen Einkristallmaterial, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Gemäß dem Verarbeitungsverfahren eines Substrats aus ferroelektrischen Einkristallmaterial dieser Erfindung kann, wie in den 2(a) und 2(b) zu sehen, eine konkave Grabenstruktur mit einem vertieften Abschnitt, in dem seine halbe Öffnungsbreite „r" gleich (2(a)) oder kleiner (2(b)) als seine Tiefe „h" ist, im Substrat aus ferroelektrischem Einkristallmaterial ausgebildet werden.
Obwohl der Grund dafür nicht klar erkennbar ist, wird angenommen, dass dies folgendermaßen entsteht.
Im Allgemeinen ändert sich in einem ferroelektrischen Kristall, wie etwa LiNbO₃, der Protonendiffusionskoeffizient, was von der Dissoziationskonstante einer, zum Protonenaustausch verwendeten Säure und deren Kristallorientierung abhängt.
Im Allgemeinen ist, da die Dissoziationskonstante der Säure sehr hoch ist, auch der Protonendiffusionskoeffizient sehr hoch und wenn die Dissoziationskonstante derselben niedrig ist, ist auch der Diffusionskoeffizient derselben niedrig.
Ferner ist der Protonendiffusionskoeffizient im ferroelektrischen Kristallmaterial in der Z-Richtung des Kristalls geringer als in der X- oder Y-Richtung.
Gemäß dieser Erfindung kann, wenn eine Säure mit einem Lithiumsalz als Protonenquelle verwendet wird, die Dissoziationskonstante der Säure verringert werden, um dadurch die Dissoziationskonstante besser kontrollieren zu können. Wenn eine x-cut-Fläche oder y-cut-Fläche eines ferroelektrischen Kristalls als Hauptoberfläche eines Substrats aus ferroelektrischem Einkristallmaterial verwendet wird, kann ferner die Abhängigkeit zwischen der Dissoziationskonstanten der Säure und der Kristallorientierung im Protonendiffusionskoeffizienten in ausgeglichener Weise angepasst werden, wodurch der Protonendiffusionskoeffizient in der vertikalen Richtung zur Hauptoberfläche des Substrats an jenen, der in der parallelen Richtung zur Hauptoberfläche des Substrats verläuft, angeglichen bzw. größer als dieser ausgebildet werden.
Daher kann eine Protonen-ausgetauschte Schicht, in der sich die Protonen gleichmäßig in der vertikalen und der parallelen Richtung zum Substrat verteilen, ausgebildet werden. Als Alternative dazu kann eine Protonen-ausgetauschte Schicht erhalten werden, in der sich die Protonen in vertikaler Richtung stärker als in paralleler Richtung im Substrat verteilen. Durch selektives Entfernen der Protonen-ausgetauschten Schicht, wie in den 2(a) und 2(b) zu sehen, wird die konkave Grabenstruktur ausgebildet, die einen vertieften Abschnitt mit einer halben Öffnungsbreite „r" umfasst, welche gleich oder größer als die Tiefe „h" ist.
Demgegenüber wird von J. Lightware Technology, „Wet-Etched Ridge Waveguides in Y-Cut Lithium Niobate" 15/10, 1880-1887 (1997) gezeigt, dass eine Lithiumsalz enthaltende Säure zum Protonenaustausch einer y-cut-Fläche aus Lithiumniobat-Einkristall als Hauptoberfläche eines Substrats aus ferroelektrischem Einkristallmaterial verwendet werden kann.
Diese Erfindung erfordert jedoch, dass eine x-cut-Fläche oder eine z-cut-Fläche aus ferroelektrischem Kristall als Hauptoberfläche des Substrats aus ferroelektrischem Einkristallmaterial verwendet wird. Im Gegensatz dazu wird, wenn eine y-cut-Fläche aus ferroelektrischem Kristall als Hauptoberfläche des Substrats verwendet wird, wie in 15 der oben erwähnte Veröffentlichung zu sehen, lediglich eine konvexe Rillenstruktur mit einem semi-elliptischen Querschnitt ausgebildet, der sich in vertikaler Richtung zur Substratoberfläche hin verflacht. Demgemäß kann das Ziel dieser Erfindung dadurch nicht erreicht werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis dieser Erfindung wird im Folgenden auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, worin:
1 eine Querschnittsansicht eines vertieften Abschnitts eines Substrats zeigt, dessen Ausbildung durch ein herkömmliches Verarbeitungsverfahren des Substrats aus ferroelektrischem Einkristallmaterial erfolgte;
2(a) und 2(b) stellen jeweils Querschnittsansichten eines vertieften Abschnitts eines Substrats dar, dessen Ausbildung durch ein Verarbeitungsverfahren eines Substrats aus ferroelektrischem Einkristallmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgte; und
3(a) bis 3(d) sind Querschnittsansichten, die die Schritte zur Herstellung eines optischen Wellenleiterelements vom Einbettungstyp abbilden.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Diese Erfindung wird im Folgenden detailliert und in Bezug auf die 3(a) bis 3(d) beschrieben.
Ein Substrat aus ferroelektrischem Einkristallmaterial 1, welches in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, benötigt eine x-cut-Fläche oder eine z-cut-Fläche auf ferroelektrischem Einkristallmaterial als dessen Hauptoberfläche, so dass durch Ausgleichen eines Effekts seiner Kristallorientierung mit einem Effekt der Protonen-Dissoziationskonstante, wie in 2 abgebildet, ein vertiefter Abschnitt ausgebildet werden kann, dessen Tiefe „h" gleich oder größer ist als dessen halbe Öffnungsbreite „r".
Obwohl das Substrat 1 aus ferroelektrischem Einkristallmaterial nicht darauf beschränkt ist, wird es im Allgemeinen einem Protonenaustausch unterzogen, indem eine Maske mit einer einem Teil des Substrats, welches einem Protonenaustausch unterworfen werden soll, entsprechenden Öffnung am Substrat 1 angebracht wird und indem das Substrat 1 in die Lösung, die als Protonenaustauschquelle dient, zur Ausbildung einer Protonen-ausgetauschten Schicht 2 in einem Oberflächenabschnitt des Substrats 1, wie in 3(a) dargestellt, getaucht wird.
Die Protonenaustauschquelle, die zur Ausbildung der Protonen-ausgetauschten Schicht 2 verwendet wird, benötigt eine Lithiumsalz enthaltende Säure, da die Rich tungsabhängigkeit des Protonendiffusionskoeffizienten gesteuert werden soll, indem die Dissoziationskonstante der Säure gesteuert wird.
Ferner wird der Gehalt an Lithiumsalz, das in der Säure enthalten ist, in Abhängigkeit von der Kristallorientierung des als Substrat eingesetzten ferroelektrischen Einkristallmaterials nach Bedarf geändert, wobei die Richtungsabhängigkeit des Protonendiffusionskoeffizienten zu beachten ist.
Im Falle der Verwendung einer x-cut-Fläche eines ferroelektrischen Kristalls als Substrat aus ferroelektrischem Einkristallmaterial, beträgt die Obergrenze des Gehalts an Lithiumsalz in der Säure vorzugsweise 0,5 Gew.-% und noch besser 0,2 Gew.-%, damit das Ziel der vorliegenden Erfindung bei guter Beeinflussbarkeit erreicht werden kann. Aus dem gleichen, oben erwähnten Grund beträgt die Untergrenze für den Gehalt an Lithiumsalz in der Säure vorzugsweise 0,01 Gew.-% und noch besser 0,1 Gew.-%.
Im Falle der Verwendung einer z-cut-Fläche aus ferroelektrischem Kristall als Substrat aus ferroelektrischem Einkristallmaterial, beträgt die Obergrenze des Gehalts an Lithiumsalz in der Säure vorzugsweise 3,0 Gew.-% und noch besser 2,5 Gew.-%, damit das Ziel der vorliegenden Erfindung bei guter Beeinflussbarkeit erreicht werden kann. Aus dem gleichen, oben erwähnten Grund beträgt die Untergrenze für den Gehalt an Lithiumsalz in der Säure vorzugsweise 1,0 Gew.-% und noch besser 2,0 Gew.-%.
Weiters beträgt die Protonenaustauschtemperatur zur Ausbildung der Protonenausgetauschten Schicht 2 vorzugsweise 200°C und mehr und bevorzugterweise sogar 230 bis 260°C, damit die Ausbildungsdauer der Protonen-ausgetauschten Schicht 2 verringert werden kann.
Die Dauer des Protonenaustauschs, also die Zeitdauer der Protonendiffusion, beträgt vorzugsweise 1 bis 200 Stunden und noch bevorzugterweise 3 bis 100 Stunden, so dass der Kopplungswirkungsgrad der optischen Fasern in einem Lichtwellenleiter verbessert werden kann und ein vertiefter Abschnitt 3 mit einer zufriedenstellenden Form und Größe auf dem Substrat aus ferroelektrischem Kristallmaterial sicher ausgebildet werden kann.
Wenn das Substrat, wie oben erwähnt, einem Protonenaustausch unterzogen wird und wenn die x-cut-Fläche aus ferroelektrischem Kristall als Hauptoberfläche des Substrats aus ferroelektrischem Kristallmaterial zur Erreichung des Ziels der vorliegenden Erfindung bei guter Beeinflussbarkeit verwendet wird, ist der obere Grenzwert der Quadratwurzel (D₂/D₁)^1/2 des Verhältnisses des Protonendiffusionskoeffizienten D₂ in einer Tiefenrichtung des Substrats normal zur Hauptoberfläche zum Diffusionskoeffizienten D₁ in einer parallelen Richtung zur Hauptoberfläche desselbigen vorzugsweise 1,4 und noch bevorzugter 1,3. Aus dem gleichen, oben erwähnten Grund beträgt der untere Grenzwert dieser Quadratwurzel vorzugsweise 1,0 und noch bevorzugterweise 1,1.
Wenn eine z-cut-Fläche aus ferroelektrischem Kristall als Hauptoberfläche des Substrats aus ferroelektrischem Einkristallmaterial verwendet wird, beträgt der obere Grenzwert der Quadratwurzel (D₂/D₁)^1/2 des Verhältnisses des Protonendiffusionskoeffizienten D₂ in einer Tiefenrichtung des Substrats normal zur Hauptoberfläche zum Diffusionskoeffizienten D₁ in einer parallelen Richtung zur Hauptoberfläche desselbigen vorzugsweise 1,1 und noch bevorzugter 1.05. Aus dem gleichen, oben erwähnten Grund beträgt der untere Grenzwert vorzugsweise 0,9 und noch besser 0,95.
Es ist vorzuziehen, dass die Protonen-ausgetauschte Schicht 2, die wie oben erwähnt ausgebildet wird, eine halbe Öffnungsbreite von 2 μm bis 4 μm und eine Tiefe von 2 μm bis 4 μm aufweist.
Dem in der vorliegenden Erfindung als Material für das Substrat 1 aus ferroelektrischem Kristall werden keine speziellen Beschränkungen auferlegt, solange es sich dabei um ein Material aus ferroelektrischem Einkristall handelt. Ein derartiges Material kann Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithiumtantalat (LiTaO₃), Kalium-Lithiumniobat (KLN), ein Mischkristall aus Lithiumniobat-Lithiumtantalat LiNb_1-XTa_XO₃ (0≤X≤1) oder Ähnliches umfassen. In Anbetracht der Kontrollierbarkeit des Brechungsindex, ist aus diesen Materialien ein Mischkristall aus Lithiumniobat-Lithiumtantalat vorzuziehen.
Außerdem kann zumindest ein Metallelement, welches aus der Gruppe bestehend aus Magnesium (Mg), Zink (Zi), Titanium (Ti), Vanadium (V), Eisen (Fe), Scandium (Sc) und Indium (In) ausgewählt wird, in dem oben genanntem Material enthalten sein, um die Schadwirkungs-Widerstandsbeständigkeit des Substrats 1 zu verbessern.
Ferner wird zumindest ein Element, das aus der Gruppe bestehend aus Neodymium (Nd), Erbium (Er), Thulium (Tm), Holmium (Ho), Dysprosium (Dy), Praseodymium (Pr) und ähnlichen Elementen aus der Lanthanreihe als Element für die Laseroszillation ausgewählt wird, kann im oben erwähnten Material des Substrats 1 enthalten sein.
Als Protonenaustauschquelle für den Protonenaustausch können Pyrophosphorsäure, Benzoesäure, Octansäure, Sterinsäure, Palmitinsäure und ähnliche, Lithiumsalz enthaltende Säuren verwendet werden. Unter diesen kann eine Lithiumsalz enthaltende Pyrophosphorsäure vorzugsweise verwendet werden, da sie eine große Beeinflussbarkeit der Dissoziationskonstante aufweist. Als das in der Erfindung zu verwendende Lithiumsalz können Lithium-Pyrophosphat, Lithiumbenzeoat, Lithiumoctanoat, Lithiumstearat, Lithiumpalmitat und ähnliche verwendet werden, welche Lithiumsalze der oben erwähnten Säuren sind, die als Hauptquelle der Protonenaustauschquelle dienen.
Danach erfolgt, wie in 3(b) abgebildet, das vorzugsweise Eintauchen der Protonenausgetauschten Schicht 2, die durch Protonenaustausch ausgebildet wird, in eine Lösung aus Flusssäure, Salpetersäure oder Ähnlichem und dann wird durch selektives Entfernen mittels Nassätzen ein vertiefter Abschnitt 3 im Substrat ausgebildet, wobei der vertiefte Abschnitt eine Tiefe aufweist, die gleich oder größer als seine halbe Öffnungsbreite ist, wie in den 2(a) oder 2(b) dargestellt.
Die Protonen-ausgetauschte Schicht 2 wird einem selektiven Entfernvorgang vorzugsweise durch Eintauchen in die oben genannte Ätzlösung bei Raumtemperatur bis 100°C von 0,5 bis zu 1 Stunde lang unterzogen.
Zur Herstellung eines optischen Wellenleiterelements vom Einbettungstyp, wie in 3(c) abgebildet, wird ein Film 4 aus einem ferroelektrischen Einkristall, der als optischer Wellenleiter dient, auf dem Substrat aus ferroelektrischem Einkristallmaterial 1 unter Verwendung eines epitaxialen Flüssigphasenverfahrens ausgebildet.
Als Nächstes wird, wie in 3(d) zu sehen, der Großteil des ferroelektrischen Einkristallfilms mit Ausnahme des vertieften Abschnitts durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt und das optische Wellenleiterelement vom Einbettungstyp kann danach durch optisches Polieren der Substratenden gewonnen werden.
Das ferroelektrische Kristallmaterial, das zur Ausbildung des optischen Wellenleiters verwendet wird, muss einen höheren Brechungsindex als das ferroelektrische Kristall aufweisen, welches für das Substrat verwendet wird, so dass die von außen eintretende Lichtwelle effizient in den optischen Wellenleiter weiter wandert, der im vertieften Abschnitt 3 des Substrats ausgebildet ist.
Als Material für den optischen Wellenleiter kann Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Kalium-Lithiumniobat, ein Mischkristall aus Lithiumniobat-Lithiumtantalat oder Ähnliches verwendet werden. Von den eben erwähnten Materialien ist der Mischkristall aus Lithiumniobat-Lithiumtantalat vorzuziehen, da der Brechungsindex durch Änderung des Verhältnisses von Niob zu Tantal kontrolliert werden kann.
Weiters kann zusätzlich zumindest eines aus den Elementen der Lanthanreihe ausgewähltes Element im Material des optischen Wellenleiters als zusätzliches Element für die Laseroszillation, wie im Falle des Substrats, enthalten sein.
Das Mischkristall aus Lithiumniobat-Lithiumtantalat wird durch das In-Kontakt-Bringen des Substrats 1 mit einer Schmelze aus Lithiumoxid (Li₂O), Niobpentoxid (Nb₂O₅), Tantalpentoxid (Ta₂O₅) und Vanadiumpentoxid (V₂O₅) oder Boroxid (B₂O₃) bei einer Temperatur von 800 bis 1100°C für eine Dauer von 1 bis 30 Minuten ausgebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden detaillierter und unter Bezug auf die folgenden Beispiele erläutert.
Beispiel 1
Ein Einkristall aus Lithiumniobat wurde als Substrat eingesetzt. Ein Aluminiumfilm wurde mit einer Breite von etwa 150 mm auf einer z-cut-Fläche als eine Hauptoberfläche des Substrats durch Dampfabscheidung ausgebildet.
Danach erfolgte die Ausbildung eines Maskenmusters mit einer Öffnungsbreite von etwa 0,5 μm aus dem Aluminiumfilm durch Photolithographie und Ätzen.
Eine saure Lösung aus Benzoesäure mit einem Gehalt an Lithiumbenzoat von 2,0 Gew.-% wurde als Protonenaustauschquelle verwendet. Das Substrat bestehend aus einem Einkristall aus Lithiumniobat mit dem Maskenmuster wurde bei 230°C 48 Stunden lang in die Lösung eingetaucht, um den Protonenaustausch durchzuführen.
Danach wurde das Substrat mit dem Maskenmuster in eine Flusssäure-Lösung bei 45°C 1 Stunde lang eingetaucht, um die selektive Entfernung des Maskenmusters und der Protonen-ausgetauschten Schicht des Substrats durchzuführen und einen vertieften Abschnitt am Substrat auszubilden.
Die grabenähnliche Form des vertieften Abschnitts betrug eine halbe Öffnungsbreite (einen halben Wert der Breite der Öffnung des vertieften Abschnitts) von 3,0 μm und eine Tiefe von 3,0 μm und wies daher eine perfekte, halbkreisförmige Form auf. Die Quadratwurzel (D₂/D₁)^1/2 des Verhältnisses des Protonendiffusionskoeffizienten D₂ in einer Tiefenrichtung normal zur Hauptoberfläche des Substrats zum Diffusionskoeffizienten D₁ in einer parallelen Richtung zur Hauptoberfläche desselbigen lag bei 1,0.
Beispiel 2
Ein Einkristall aus Lithiumniobat wurde als Substrat eingesetzt. Ein Aluminiumfilm wurde mit einer Breite von etwa 150 mm auf einer x-cut-Fläche als eine Hauptoberfläche des Substrats durch Dampfabscheidung ausgebildet.
Danach erfolgte die Ausbildung eines Maskenmusters mit einer Öffnungsbreite von etwa 0,5 μm aus dem Aluminiumfilm durch Photolithographie und Ätzen.
Eine saure Lösung aus Benzoesäure mit einem Gehalt an Lithiumbenzoatsäure von 0,25 Gew.-% wurde als Protonenaustauschquelle verwendet. Das Substrat bestehend aus einem Einkristall aus Lithiumniobat mit dem Maskenmuster wurde bei 230°C 12 Stunden lang in die Lösung eingetaucht, um die Protonen-ausgetauschte Schicht zu bilden.
Danach wurden die Protonen-ausgetauschte Schicht des Substrats und das Maskenmuster zur Ausbildung eines vertieften Abschnitts darauf einem selektiven Entfernvorgang, wie in Beispiel 1, unterzogen.
Die grabenähnliche Form des vertieften Abschnitts betrug eine halbe Öffnungsbreite (einen halben Wert der Öffnungsbreite) von 2,0 μm und eine Tiefe von 3,0 μm und wies daher eine perfekte, semielliptische Form auf, die in vertikaler Richtung zur Hauptoberfläche des Substrats hin tiefer ist. Die Quadratwurzel (D₂/D₁)^1/2 des Verhältnisses des Protonendiffusionskoeffizienten D₂ in einer Tiefenrichtung des Substrats normal zur Hauptoberfläche zum Diffusionskoeffizienten D₁ in einer parallelen Richtung zur Hauptoberfläche desselbigen betrug 1,3.
Vergleichsbeispiel 1
Dieses Vergleichsbeispiel wurde so wie Beispiel 1 ausgeführt, mit der Ausnahme, dass eine Benzoesäure-Lösung mit einer 100%igen Konzentration verwendet wurde und das Eintauchen des Substrats in die Lösung 4 Stunden lang durchgeführt wurde.
Die dadurch entstehende grabenähnliche Form eines vertieften Abschnitts betrug eine halbe Öffnungsbreite (eine halben Wert der Öffnungsbreite) von 3,4 μm und eine Tiefe von 2,5 μm und wies daher eine semielliptische Form aus, die in der Tiefenrichtung des Substrats flach ist. Die Quadratwurzel (D₂/D₁)^1/2 des Verhältnisses des Protonendiftusionskoeffizienten D₂ in einer Tiefenrichtung des Substrats normal zur Hauptoberfläche zum Diffusionskoeffizienten D₁ in einer parallelen Richtung zur Hauptoberfläche desselbigen betrug 0,74.
Vergleichsbeispiel 2
Dieses Vergleichsbeispiel wurde so wie Beispiel 2 ausgeführt, mit der Ausnahme, dass eine Benzoesäure-Lösung mit einer 100%igen Konzentration verwendet wurde und die Eintauchzeit des Substrats in die Lösung 3 Stunden betrug.
In diesem Fall wurde der Protonendiffusionskoeffizient des Substrats sehr hoch und konnte nicht kontrolliert werden, so dass keine konkave Grabenstruktur ausgebildet werden konnte.
Vergleichsbeispiel 3
Dieses Vergleichsbeispiel wurde so wie Beispiel 1 ausgeführt, mit der Ausnahme, dass eine y-cut-Fläche aus Lithiumnionat-Einkristall als Substrat verwendet wurde.
In diesem Fall wurde der Protonendiffusionskoeffizient des Substrats sehr hoch und konnte nicht kontrolliert werden, so dass, wie im Vergleichsbeispiel 2, keine konkave Grabenstruktur ausgebildet werden konnte.
Vergleichsbeispiel 4
Dieses Vergleichsbeispiel wurde so wie Beispiel 1 ausgeführt, mit der Ausnahme, dass eine y-cut-Fläche aus Lithiumnionat-Einkristall als Substrat verwendet wurde.
In diesem Fall wurde der Protonendiffusionskoeffizient des Substrats sehr hoch und konnte nicht kontrolliert werden, so dass, wie im Vergleichsbeispiel 2, keine konkave Grabenstruktur ausgebildet werden konnte.
Wie aus den oben erwähnten Beispiel ersichtlich ist, weist der vertiefte Abschnitt des Substrats, der gemäß dem Verarbeitungsverfahren dieser Erfindung ausgebildet wurde, eine im Wesentlichen halbkreisförmige oder semielliptische Form aus, die sich in der vertikalen Richtung zum Substrat hin tiefer wird.
Im Gegensatz dazu kann die gewünschte konkave Grabenstruktur nicht ausgebildet werden, wenn eine kein Lithiumsalz als Protonenaustauschquelle enthaltende Säurelösung, wie anhand der Vergleichsbeispiele 1 und 2 zu sehen, verwendet wird oder eine y-cut-Fläche aus ferroelektrischem Einkristallmaterial als Substrat, wie in den Vergleichsbeispielen 3 und 4 der Fall, eingesetzt wird.
Wie oben erwähnt kann die konkave Grabenstruktur mit dem vertieften Abschnitt, dessen Tiefe gleich oder größer als seine halbe Öffnungsbreite ist, durch die Verwendung des Verarbeitungsverfahrens der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden.
Demgemäß können, im Falle des Ausbildens eines optischen Wellenleiters mit einem großen optischen Begrenzungseffekt und einem abgestuften Brechungsindex, ein hoher Kopplungsgrad des Lichtwellenleiters und eine hohe Lichtschadwirkungs-Widerstandsfähigkeit erzielt werden und die Abnahme der optoelektronischen Konstante kann nicht verhindert werden.

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats (1) aus einem ferroelektrischen Einkristallmaterial, umfassend die Schritte des Ausbildens einer gewünschten Protonenausgetauschten Schicht (2) im Substrat durch Protonenaustauschen eines Abschnitts des Substrats (1) und des selektiven Entfernens der Protonenausgetauschten Schicht (2), um eine konkave Grabenstruktur im Substrat auszubilden, worin die gewünschte Protonen-ausgetauschte Schicht (2) unter Verwendung einer Säure ausgebildet wird, die ein Lithiumsalz als Protonenaustauschquelle enthält, wobei die Oberfläche des Substrats, aus der die konkave Grabenstruktur ausgebildet ist, eine x-cut- oder z-cut-Oberfläche als Hauptoberfläche des ferroelektrischen Einkristallmaterials ist, das als das Substrat verwendet wird und die konkave Grabenform einen vertieften Abschnitt (3) mit einer Tiefe (h) aufweist, die gleich seiner oder größer als seine halbe Öffnungsbreite (r) ist.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, worin der Gehalt des in der Säure enthaltenen Lithiumsalzes 0,01 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% beträgt, wobei die Oberfläche des Substrats, aus dem die konkave Grabenstruktur ausgebildet ist, die x-cut-Oberfläche des als Substrat verwendeten ferroelektrischen Einkristallmaterials ist.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin 1,0≤(D₂/D₁)^1/2≤1,4 ist, worin D₁ der Protonendiffusionskoeffizient des Substrats in einer Richtung parallel zur Hauptoberfläche des ferroelektrischen Einkristallsubstrats und D₂ der Protonendiffusionskoeffizient des Substrats in einer Tiefenrichtung, die normal zur Hauptoberfläche des ferroelektrischen Einkristallsubstrats verläuft, ist, wobei die Oberfläche des Substrats, aus dem die konkave Grabenstruktur ausgebildet ist, die eine x-cut-Oberfläche des als Substrat verwendeten ferroelektrischen Einkristallmaterials ist.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, worin der Gehalt des in der Säure enthaltenen Lithiumsalzes 1,0 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% beträgt, wobei die Oberfläche des Substrats, aus dem die konkave Grabenstruktur ausgebildet ist, die z-cut-Oberfläche des als Substrat verwendeten ferroelektrischen Einkristallmaterials ist.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 4, worin 0,9≤(D₂/D₁)^1/2≤1,1 ist, worin D₁ der Protonendiffusionskoeffizient des Substrats in einer Richtung parallel zur Hauptoberfläche des ferroelektrischen Einkristallsubstrats und D₂ der Protonendiffusionskoeffizient des Substrats in einer Tiefenrichtung, die normal zur Hauptoberfläche des ferroelektrischen Einkristallsubstrats verläuft, ist, wobei die Oberfläche des Substrats, aus dem die konkave Grabenstruktur ausgebildet ist, die z-cut-Oberfläche des als Substrat verwendeten ferroelektrischen Einkristallmaterials ist.
Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Lithiumsalz Lithiumbenzoat ist.
Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Substrat ein Einzelkristall mit einer Zusammensetzung von LiNb_1-XTa_XO₃ (0≤X≤1) ist.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterelements von Einbettungstyp, umfassend die Schritte der Herstellung eines Substrats eines ferroelektrischen Einkristallmaterials mit einer konkaven Grabenstruktur, die durch ein in einem der Ansprüche 1 bis 7 dargelegtes Verfahren ausgebildet ist, und des Ausbildens in der konkaven Grabenstruktur des ferroelektrischen Einkristallsubstrats eines optischen Wellenleiters aus einem anderen ferroelektrischen Einkristallmaterial mit einem größeren Brechungsindex als das Substrat mithilfe eines epitaxialen Flüssigphasenverfahrens.