JP2008186034A - 擬似位相整合水晶の製造方法及び擬似位相整合水晶 - Google Patents

Abstract

【課題】 目的とする形状の結晶軸反転領域を形成することが容易な擬似位相整合水晶の製造方法を提供する。
【解決手段】 水晶基板１の片側の表面には、長方形の凸部２が形成されているが、この凸部２は、さらに細かな長方形の凸部４の集合体として形成されている。凸部４相互の間には、凸部４の表面より低い凹部５が形成されているが、この凹部５の幅は狭く、巨視的に見た場合には、凸部４が多数集まって一つの凸部２を形成している。このような水晶基板１を、上下方向からヒーターブロックで挟み込み、水晶基板の温度を昇温して所望の温度に到達した時点で、プレスにより押圧する。すると、凸部４に相当する部分のみに応力が作用し、この部分でのみ結晶軸成分が反転する。この結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播し、凸部４に対応する部分がつながって、結晶軸反転領域６が形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、擬似位相整合水晶の製造方法及び擬似位相整合水晶に関するものである。

常誘電体である水晶（ＳｉＯ_２）に、そのα−β相転移温度付近で応力を印加することにより、周期的な双晶構造を作り込み周期的な分極反転構造を実現させた擬似位相整合波長変換光学素子が提案されている（Ｓ．Ｋｕｒｉｍｕｒａ， Ｒ．Ｂａｔｃｈｋｏ， Ｊ．Ｍａｎｓｅｌｌ， Ｒ．Ｒｏｕｔｅ， Ｍ．Ｆｅｊｅｒ， ａｎｄ Ｒ．Ｂｙｅｒ：１９９８年春応用物理学会予稿２８ａ−ＳＧ−１８：非特許文献１）。これは、水晶のドフィーネ双晶を利用し、非線形光学定数ｄ_１１の符号を周期的に反転させることにより水晶による擬似位相整合結晶を作製する方法である。

水晶の場合、吸収端が波長１５０ｎｍ程度であり、波長２００ｎｍ以下での紫外光吸収は、従来の複屈折位相整合を用いた非線形光学素子（β―ＢａＢ_２Ｏ_４やＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０等）や強誘電体の擬似位相整合を用いた非線形光学素子（ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３等）による場合に比べてほとんどない。このため、第二光高調波発生によりＡｒＦエキシマレーザと同等の波長約１９３ｎｍの光を高効率に発生させることができ、これを用いた半導体露光装置も提案されている（特開２００２−１２２２８９８号公報：特許文献１）。このときの結晶軸反転周期は、約０．９５μｍである。

従来の擬似位相整合結晶としては、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムが周知であり、波長多重光通信における光直接変換などを目的とした研究が盛んである。しかし、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムにおいては、フォトリフラクティブ効果による光損傷が大きな問題となり、高出力での利用に制限があった。これに対し、水晶においては、フォトリフラクティブ効果による光損傷は無く、十分に安定な状態で使用できる。光通信に良く利用されている波長約１．５５μｍにおける結晶軸反転周期は、約７０μｍである。

さらに、水晶自体は、生産技術が確立されている物質であり、入手も容易でコストも低く押さえることができる。そして、その機械的特性、化学的性質も光学結晶のなかで最も優れている部類に属する。また、従来の複屈折位相整合を用いた非線形光学結晶（例えば前記β―ＢａＢ_２Ｏ_４やＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０等）などに顕著に見られる潮解性もなく、取り扱いの点で非常に有利である。さらに、ｄ_１１係数は、およそ０．３ｐｍ／Ｖであり、一般的な非線形光学結晶にくらべて少し小さい程度であり、十分な変換効率が期待できる。

水晶に人工的な双晶構造を作製する方法としては種々の方法が知られているが、現在有力なものとしてホットプレス法が提案されている。（Ｓ．Ｋｕｒｉｍｕｒａ， Ｉ．Ｓｈｏｊｉ， Ｔ．Ｔａｉｒａ， Ｍ．Ｆｅｊｅｒ， Ｙ．Ｕｅｓｕ， ａｎｄ Ｈ．Ｎａｋａｊｉｍａ：２０００年秋応用物理学会予稿３ａ−Ｑ−１；非特許文献２）。この方法は、水晶基板の片面の表面上に周期的な段差構造を作製し、その水晶基板を上下方向からヒーターブロックで挟み込み、水晶基板の温度を昇温して所望の温度に到達した時点で、圧力を印加するものである。このとき、段差構造のうち凸部にあたる部分にのみ応力が作用するので、この部分でのみ結晶軸成分が反転する。この結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播し、深さ方向に大きく入った周期的な双晶の格子を作製することができる。すなわち、凸部のみに応力が集中してそこから双晶が発生し、次第に内部へと成長し、アスペクト比の大きい双晶構造が作製される。

このような、片面の表面上に段差構造が形成された水晶基板の例を、図４を用いて説明する。水晶基板１の片側の表面には段差構造が形成され、その結果、直方体の形状を有する凸部２が、所定の間隔で形成されている。この凸部２は、図の左右方向に所定の幅を有し、その幅と同じ間隔で複数の凸部２が、図の左右方向に形成されている。凸部２は図の奥行き方向に長い直方体形状を有している。この長手方向に平行な方向をａ軸方向とする。当然、ａ軸は水晶基板１の法線に対して垂直となっている。

水晶の結晶のｃ軸方向は、ａ軸に対して垂直であるが、非特許文献３（栗村直、応用物理学会誌２０００年５月号）にあるように、水晶基板１の法線方向に対してわずかながら傾けてある。すなわち、水晶基板１はその法線とｃ軸がわずかな角度を持つようにカットされている。その角度が大きくなる程双晶の生成がし易くなるが、実際は１０〜２０度程度に押さえてある。光は、図示したように、水晶基板１の端面より入射し、偏光方向はａ軸方向と同じ方向である。水晶基板１の内部で波長変換された光は、入射面とは反対の端面から出射する。

以下、図４に示すような凸部２の作製方法の例を説明する。最初に水晶基板１上にＣｒ膜をスパッター法により厚さが１００ｎｍ程度となるように成膜する。この膜上にポジ型のレジストを塗布し、ｉ線ステッパーなどの半導体露光装置を用いて、凸部２となる部分以外の部分を露光し現像する。次に、残ったレジストをマスクとしてＣｒ膜を除去する。そして、残ったレジスト膜とＣｒ膜をマスクとして、弗化水素酸にてウエットエッチングを行い数μｍ程度の深さの段差構造を作製する。これにより、図４に示すような凸部２を有する段差構造が表面に形成された水晶基板１が完成する。なお、Ｃｒ膜は、押圧の前にはがしてもはがさなくともどちらでもよい。

ｃ軸と水晶基板法線との角度が小さくなるほど波長変換デバイスとしては都合が良いが、双晶形成に要する応力が大きくなる。従って、ｃ軸と水晶基板法線との角度は、ほぼ数度から２０度程度となるように水晶はカットされている。

また、公知の技術ではないが、上述のウエットエッチングの代わりにドライエッチングを用いることも考えられる。この場合は、例えば、最初に水晶基板１上にＣｒ膜をスパッター法により厚さが１００ｎｍ程度となるように成膜する。この膜上にポジ型のレジストを塗布し、ｉ線ステッパーなどの半導体露光装置を用いて、凸部２となる部分以外の部分を露光し現像する。そして、残ったレジストをマスクとしてＣｒ膜を除去する。その後、残ったレジスト膜とＣｒ膜をマスクとして、ＲＩＥあるいはＩＣＰなどのドライエッチングを行い、数μｍ程度の深さの段差構造を作製する。最後に、レジスト膜とＣｒ膜を除去することにより、図４に示すような凸部２を有する段差構造が表面に形成された水晶基板１が完成する。

双晶構造を有する水晶基板を得るためには、カートリッジヒーターを備えたプレス装置を用いて、水晶基板１を上下より挟み込んで相転移温度付近まで昇温し、所望の温度に達した時に押圧する。すると、凸部２の部分にのみ応力が作用し、この部分でのみ結晶軸成分が反転する。そして、結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播し、深さ方向に大きく入った周期的な双晶の格子を作製することができる。押圧時間や圧力の時間的な変化を制御することにより深さ方向の高アスペクト比を作成することができる。

以上の説明では、水晶基板１の表面に段差構造を形成したが、水晶表面を平面研磨し、プレス側の押圧する面に段差加工を形成することも考えられる（公知の技術ではない）。プレス側の押圧面にセラミックスＳｉ_３Ｎ_４などを使用すると、前記リソグラフィー技術とドライエッチング加工を用いて周期的な段差構造を作製することができる。

特開２００２−１２２２８９８号公報 １９９８年春応用物理学会予稿２８ａ−ＳＧ−１８ ２０００年秋応用物理学会予稿３ａ−Ｑ−１ 応用物理学会誌２０００年５月号

前記押圧した後の水晶基板をフッ酸で数分間に浸し、エッチングレートの違いを利用することにより、結晶軸が反転した境界を観察することができる。図５は水晶基板１を基板法線方向から見たものである。水晶基板１表面に設けられた長方形の凸部２の周りがドライエッチング等により切り取られている。従ってプレスの平面で押圧した場合。凸部２に対応する長方形部分が結晶軸反転することになるはずであるが、実際には水晶のｃ軸周りの３回対称性を反映して、結晶軸反転領域３は、ハッチングで図示したように六角形のパターンで生成することが多い。

そのため、段差周期が短い場合、例えば数μｍ程度では、結晶軸反転領域３が段差の凸部２全体に広がらずに、図示したように途中で六角形形状のままで止まってしまい、段差パターン（凸部２）の端まで結晶軸反転が起きないことになる。このような場合には、一般的に半径数十μｍ以上の広がりを持つレーザー光を入射する場合、そのごく一部しか波長変換されないことになる。

一方、水晶の結晶軸反転領域は、応力が集中する段差パターン（凸部２）の端の方から生成し易い。よって、段差パターンが長い周期、例えば数十μｍの場合、結晶軸反転領域が段差パターンの端の方だけに生成し、中心部には生成せず、所望の双晶周期構造が得られないという問題点があった。

さらに、長方形パターンの凸部２の四隅に極端に大きい応力が集中することに起因して、凸部２から外れた部分に結晶軸反転領域が生成される現象が起こることがある。このようなことが発生すると、特に段差パターンが短い周期構造の場合、隣り合うパターン同士でこの領域がくっついてしまい、周期構造が壊れてしまうことがあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、目的とする形状の結晶軸反転領域を形成することが容易な擬似位相整合水晶の製造方法、及びこの方法の一例によって形成された擬似位相整合水晶を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段は、ホットプレス法により結晶軸が反転した結晶軸反転領域を水晶基板に周期的に生成する擬似位相整合水晶基板の製造方法であって、前記結晶軸反転領域のそれぞれに相当する加圧面は、前記加圧面の面方向に複数に分割されていることを特徴とする。

本手段は、結晶軸反転領域のそれぞれに相当する加圧面が、面方向に複数に分割されている。すなわち、細かなパターンの凸部（複数の分割）が複数集まって、巨視的に見ると一つのパターンからなる凸部を形成するようになっている。細かなパターン同士の境界には凸部の面より低い面（凹部）が形成されている。よって、このようなパターンの凸部が水晶基板に形成され、これをプレスの平面で押圧した場合、細かなパターンの凸部の一つ一つがプレスの平面で押圧されるので、結晶軸反転領域が全体に広がらなかったり、逆に、結晶軸反転領域の隅部にのみ集中的な応力が発生することに起因して所望の双晶周期構造が得られなかったりすることを防ぐことができる。

細かなパターンの凸部の間にある凹部（凸部の面より低い面）には、応力がかからないが、この凹部の幅を十分狭くすることにより、凸部で発生した結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播するときに、この凹部に対応する結晶内部にも結晶軸反転部分が形成されてつながり、所望の形状を有する結晶軸反転部分を形成することができる。

水晶基板の表面を研磨した表面とし、水晶基板を押圧する面（加圧面）に凸部（複数の分割）を設けることにより、凸部が接する水晶基板の部分に結晶軸反転部分を形成してもよい。この場合、水晶基板を押圧する面は、細かなパターンの凸部の集合（複数の分割）から形成されるようにすることにより、結晶軸反転領域が全体に広がらなかったり、逆に、結晶軸反転領域の隅部にのみ集中的な応力が発生することにより、所望の双晶周期構造が得られなかったりすることを防ぐことができる。

前記課題を解決するための別の手段は、前記分割された一片は、長方形、正方形または六角形の形状であることを特徴とする。

一般に、結晶軸反転領域は、平面的に見ると長方形であることが多いので、前記さらに細かなパターンの凸部（複数の分割）の形状を、正方形または長方形とすることにより、結晶軸反転領域を、さらに細かなパターンの集合として形成することが容易となる。また、さらに細かなパターンを正方形または長方形とすれば、加工がし易いという特徴を出すことができる。

前述のように、水晶基板を押圧した場合、水晶のｃ軸周りの３回対称性を反映して、結晶軸反転領域は、六角形のパターンで生成することが多い。よって、さらに細かなパターンの凸部（複数の分割）の形状を六角形としておくことにより、結晶軸反転領域の生成に合わせたパターンの部分に応力を加えることができ、効率的に結晶軸反転領域を形成することができる。

前記課題を解決するための別の手段は、前記結晶軸反転領域は略長方形であり、前記略長方形の長手方向の端部は、前記水晶基板の双晶境界と整合することを特徴とする。

本手段においては、略長方形の結晶軸反転領域の端部が水晶の双晶境界にならうような形とされているので、結晶軸反転領域の生成に合わせたパターンの部分に応力を加えることができ、結晶軸反転領域が押圧パターンの外側に広がることを抑制することができる。また、このようにすると、パターンの形状は六角形に近いものとなるが、パターンの形状が長方形であるものに比べて、隅部を多数形成することができるので、応力の集中を緩和することができる。

前記課題を解決するための別の手段は、上述の製造方法により得られた擬似位相整合水晶基板であって、多数に分割された加圧面による加圧によって生成された結晶軸反転領域を有することを特徴とする。

本手段においては、上記方法を用いて結晶軸反転領域を形成することができるので、結晶軸反転領域が全体に広がらなかったり、逆に、結晶軸反転領域の隅部にのみ集中的な応力が発生することに起因して所望の双晶周期構造が得られなかったりすることを防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図であり、従来例の図５に対応するものである。この擬似位相整合水晶の基板の全体構成は、図４に示した従来のものと変わるところはない。

図１において、水晶基板１の片側の表面には、長方形の凸部２が形成されているが、この凸部２は、さらに細かな長方形の凸部４の集合体として形成されている点が、図５に示した従来のものと異なっている。すなわち、微視的に見た場合には、凸部４相互の間には、凸部４の表面より低い凹部５が形成されているが、この凹部５の幅は狭く、巨視的に見た場合には、凸部４が多数集まって一つの凸部２を形成している。

凸部２は、水晶の結晶軸を反転させたい部分に亘って形成されている。このような水晶基板１を、上下方向からヒーターブロックで挟み込み、水晶基板の温度を昇温して所望の温度に到達した時点で、プレスにより押圧する。すると、凸部４に相当する部分のみに応力が作用し、この部分でのみ結晶軸成分が反転する。この結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播し、深さ方向に大きく入った周期的な双晶の格子を作製することができる。

結晶軸反転部分が結晶内部（水晶基板１の凸部２の下方の部分）に伝搬する際に、凹部５の部分にも伝搬が行われ、結晶内部では、各凸部４間の凹部５が埋まってつながった形で結晶軸反転部分が形成される。最終的に所望の領域全部に反転部分が形成され、それがｃ軸方向に沿って水晶基板１の反対面に向かって成長する。すなわち、図１に破線で示したような略長方形の部分６が結晶軸反転領域となる。逆に言えば、凹部５の幅は、プレスを行った際に、結晶軸反転部分の伝搬により、結晶内部で結晶軸反転領域が繋がるような幅とする必要がある。実際には少なくとも数μｍ以下であることが好ましい。

また、プレスの際の温度、印加荷重の時間パターンをコントロールすることにより、凸部４よりはみ出る結晶軸反転部分の幅を変えることもできる。このようにして、凹部５の幅を変えたり、プレスの際の温度、印加荷重の時間パターンをコントロールすることにより、凹部５の部分が埋って結晶軸反転部分がつながるようにする。さらに、凸部４の縦横比を変えることにより、結晶軸反転部分がつながりやすいようにしてもよい。

本手段においては、プレスにより圧力を受ける部分が、細かな凸部４に分割されているので、各凸部４が均等にプレスからの圧力を受ける。よって、結晶軸反転領域が周期的又は任意のパターンからなる凸部の全体に広がらなかったり、逆に、凸部の隅部にのみ集中的な応力が発生することにより、所望の双晶周期構造が得られなかったりすることを防ぐことができる。

なお、この例においては、細かな凸部４を長方形で構成している。このように、細かな凸部４を長方形又は正方形で構成することにより、全体として長方形の凸部２を容易に構成することができる。

図２は、本発明の実施の形態の第２の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図であり、図１に対応するものである。この例においては、結晶軸反転部分を形成させたい部分に相当する凸部２が、六角形の微小な凸部４から形成され、微小な凸部４の間に狭い凹部５が形成されている。すなわち、この例は、第１の例における凸部４が長方形で構成されていたのに対し、六角形で構成されている他は、第１の例と変わるところがない。

このように形成された水晶基板１に対してホットプレス法を適用すると、結晶内部では、図２に破線で示した部分６が結晶軸反転領域となる。このように、図２に示した例は、基本的には図１に示した例と同じ作用効果を有するが、微細な凸部４が六角形をしているので、水晶のｃ軸周りの３回対称性にマッチングする形で水晶基板１をプレスすることができる。

図３は、本発明の実施の形態の第３の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図であり、図１に対応するものである。この実施の形態においては、凸部２は細かなパターンに分割されていないが、凸部２の四隅を六角形状にすることにより、凸部２の端が水晶の双晶境界にならうような形とされている。これにより、水晶のｃ軸周りの３回対称性にマッチングする形で水晶基板１をプレスすることができる。よって、結晶軸反転領域が凸部２からはみだした形で形成されにくくなる。また、凸部２を長方形にした場合に比して、角の部分が多くなる結果、応力集中が緩和される。図３における凸部２を、図１、図２における場合と同じように、微細な凸部の集合として形成してもよい。

なお、上記いずれの実施の形態においても、水晶基板１の片側表面に段差構造である凸部を設けるようにしている。このようにせず、水晶基板１の表面を研磨面とし、プレスでの押圧面に図１〜図３に示すような段差構造を設けてプレスを行っても、同様の効果が得られることは説明の必要が無いであろう。

以上説明したように、本発明によれば、目的とする形状の結晶軸反転領域を形成することが容易な擬似位相整合水晶の製造方法、及びこの方法の一例によって形成された擬似位相整合水晶を提供することができる。

本発明の実施の形態の第１の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図である。 発明の実施の形態の第２の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図である。 本発明の実施の形態の第３の例である擬似位相整合水晶の基板を、基板法線方向から見た図である。 従来のホットプレス法に用いられる片面の表面上に段差構造が形成された水晶基板の例を示す図である。 図４に示す水晶基板を基板法線方向から見た図であり、形成された結晶軸反転領域の形状を示す図である。

符号の説明

１：水晶基板
２：凸部
３：結晶軸反転領域
４：凸部（微細な凸部）
５：凹部
６：結晶軸反転部分（領域）

Claims (4)

1. ホットプレス法により結晶軸が反転した結晶軸反転領域を水晶基板に周期的に生成する擬似位相整合水晶基板の製造方法であって、
   前記結晶軸反転領域のそれぞれに相当する加圧面は、前記加圧面の面方向に複数に分割されていることを特徴とする、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記分割された一片は、長方形、正方形または六角形の形状であることを特徴とする、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記結晶軸反転領域は略長方形であり、前記略長方形の長手方向の端部は、前記水晶基板の双晶境界と整合することを特徴とする、方法。
4. 請求項１から３に記載の製造方法により得られた擬似位相整合水晶基板であって、多数に分割された加圧面による加圧によって生成された結晶軸反転領域を有することを特徴とする、擬似位相整合水晶基板。